CN109163795B - 一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学叶尖定时法领域，具体涉及一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法，该方法使用机械加工手段使叶尖表面沿叶片运动方向的垂向形成具有特征结构的微表面，利用微结构表面的散射光强进行时刻鉴别；本发明包括如下步骤：(1)构造叶尖表面特征结构(2)叶尖表面参数标定(3)获取叶尖微结构表面散射光信号(4)叶片到达时间解调；本发明的优势在于：区别于其他光学叶尖定时法中利用信号上升沿或下降沿进行阈值触发，本方法使用信号的相位进行时刻鉴别，不受信号幅值变化的影响，有效降低了由于叶尖表面粗糙、叶尖侵蚀、间隙变化、光源抖动等带来的信号随机抖动引入的误差，大幅提升了叶尖定时精度以及系统的稳定性。

Description

一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法

技术领域

本发明涉及光学叶尖定时法领域，具体涉及一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法。

背景技术

航空发动机是为航空器提供机械动力的推进系统的重要组成部分，集精密与复杂于一身，直接影响飞机的灵活性、续航能力、飞行速度、额定载重、稳定性，是一个国家强大实力的表现。叶片作为航空发动机结构中的核心零件，决定了发动机的工作效率、稳定性、可靠性与耐久性等重要性能，保障其工作效率及安全旋转具有重大意义。叶片高速旋转过程中，在高温、高压与重载荷的恶劣环境影响下，长期承受自身离心力、气流力、传动或转动零件机械力及其他多种复杂的作用力，将引起叶片的剧烈振动，甚至疲劳失效，从而导致故障的发生。因此除了发动机设计过程中叶片的设计与优化外，叶片振动测量技术作为发动机状态监测和故障诊断的重要内容，其发展也是目前制约我国航空发动机性能提升的关键问题之一。

叶尖定时测振技术的基本原理是将叶尖定时传感器沿径向安装在机匣上，采集叶片到达叶尖定时传感器的时间。当叶片不发生振动时，根据当时转子转速以及叶片在转子上的位置可以计算出每只叶片到达传感器的时间。但当叶片振动时，叶片顶部相对于转动方向将会向前或向后偏移，则叶片每次到达传感器的实际时间与无振动时的期望值不相等，即脉冲到达时间t会随着叶片的振动发生改变。通过不同的分析算法对该时间序列{t}进行处理，可以得到叶片同步振动、异步颤振等的振动信息。光学叶尖定时传感器使用光纤式传感器进行传感，其结构是由中间的发射光纤和周围的接收光纤组成，优点是结构简单、抗电磁干扰、柔韧性强、频响高。通过叶尖定时测振技术的原理可以看出，叶片到达时间的精度影响着整个系统的测量精度。影响叶尖定时系统精度的因素主要有两方面：其一为叶片高速旋转过程中，由于转子、静子的热膨胀不匹配及离心力变化等原因，导致叶尖间隙变化，尖间隙的变化会导致接收到的光信号的强度及形状产生变化，对叶片到达时刻的测定产生较大的误差；其二为随着恶劣复杂环境的侵蚀，导致的叶片端面的反射性能不断变化，对系统的定时精度也有极大的影响。

在传统的基于叶尖定时原理的叶片振动测量系统中，采用脉冲信号的上升沿作为叶片的到达时刻，这种处理算法没有考虑到叶尖间隙变化等因素所带来的影响，导致提取的叶片到达时间并不准确，最终导致测得的叶片振动参数存在误差，降低了整个叶尖定时测量系统的精度。后来研究人员相继提出了以峰值的一半作为触发电压的恒比定时时刻鉴别法以及取脉冲信号的上升沿时刻和下降沿时刻的中间时刻作为叶片的到达时间的方法等，但是在实际测量环境中，叶尖传感器接收到的光信号会随着间隙变化，叶尖侵蚀等因素随机抖动，对具有随机抖动的光信号进行触发定时来测量叶片的到达时间会带来不可避免的误差。

发明内容

本发明的目的是提供可有效提高光学叶尖定时法的定时精度的一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法，具体包括如下步骤：

(1)构造叶尖表面特征结构：通过机械加工使叶片的叶尖表面沿叶片旋转方向的垂向形成具有特征结构的微表面；

(2)叶尖表面参数标定：叶片低速运行时，对叶片叶尖表面的特征空间频率进行标定，第i个叶片的表面特征频率记做f_i；对叶片的触发电压进行标定，第i个叶片的触发电压记做V_ith；建立包含所有叶片特征频率f_i及触发电压V_ith的信息库；

(3)获取叶尖表面微结构散射光信号：当第i个叶片的经过叶尖定时传感器时的散射光强I_i达到叶片i的触发电压V_ith时，开始采集并保存第i个叶片的经过叶尖定时传感器时的散射光强I_i并记录此时开始采集的时间t_i，根据叶片厚度h及叶片此时转速V_r计算采样时间Δt_i，经过Δt_i时间后停止采集并将数据传输到上位机；

(4)解调光强信号获得叶片到达时间TOA_i：将步骤(3)中采集到的时域光强信号I_i转换为空间光强信号I_i(x)，使用相位解调算法对步骤(3)中保存的第i个叶片的光强数据进行解调，解调得出的叶片相对于触发点的时间为T_i，则叶片i的到达时间TOA_i为：

TOA_i＝t_i+T_i

本发明还可以包括：

步骤(1)所述的叶尖微表面的特征结构具体包括：

叶尖定时传感器与旋转叶片叶尖表面垂直，叶尖微表面旋转经过叶尖定时传感器时，叶尖定时传感器采集到的散射光强的频谱具有倍频成分，倍频成分中的特征空间频率f_i的频谱能量大于其余倍频成分且在不同叶尖间隙下频谱成分保持稳定；叶尖定时传感器的入射光源采用可见光、近红外的激光光源或宽谱光源，叶尖微结构表面的特征周期长度

远大于入射光光源波长。

所述的步骤(2)具体包括：

(2.1)将采集到的散射光强时域信号I_i转换为沿叶尖旋转方向上的空间光强信号I_i(x)：

I_i(x)＝I_i(t×V_r)；

其中，t为采样时刻，V_r为旋转叶片的叶尖线速度；

(2.2)叶尖表面的特征空间频率标定：

对步骤(2.1)中第i个旋转叶尖散射的空间光强信号I_i(x)进行频谱分析，选择符合标准的倍频成分作为特征空间频率f_i；

(2.3)叶尖触发电压标定：

当散射光信号强度达到噪音信号强度两倍时，将此时散射光信号的电压作为触发电压，记录叶片i的触发电压V_ith。

所述的步骤(3)具体包括：

所述的采样时间Δt_i满足如下条件：

其中，d为叶片的厚度，V_r为叶片叶尖旋转线速度。

所述的步骤(4)具体包括：

(4.1)将采集到的散射光强时域信号I_i转换为沿叶尖旋转方向上的空间光强信号I_i(x)：

I_i(x)＝I_i(t×V_r)；

其中，t为采样时刻，V_r为旋转叶片叶尖旋转线速度；

(4.2)使用相位解调算法解调出微结构表面定时时刻T_i：使用叶片i的微结构表面空间特征频率f_i作为频带范围对空间光强信号I_i(x)进行带通滤波，得到叶片i的微结构表面特征散射信号，对叶片i的微结构表面特征散射信号做如下处理得到微结构表面定时时刻T_i：

其中，f₀为叶片i的微结构表面空间特征频率f_i的中心频率，

为叶片i的微结构表面特征散射信号的初相位，V_r为旋转叶片叶尖旋转线速度；

(4.3))利用微结构表面定时时刻T_i计算叶片i的到达时刻TOA_i：

TOA_i＝t_i+T_i；

其中t_i为叶片i的信号开始采集的时刻。

本发明的有益效果在于：

本发明基于叶尖定时系统的定时原理，设计了一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法。该方法通过加工叶尖表面，使其形成具有特征结构的微表面，采集微结构表面的散射光信号并与提前标定的信号进行对比处理，通过算法计算得到叶片到达时间。

区别于其他光学叶尖定时法中利用信号上升沿或下降沿的进行阈值触发，本方法不再依赖单一或者数个触发信号提取时间，而是通过对整个具有特征的微结构散射光信号处理提取时间，本方法使用信号的相位进行时刻鉴别，不受信号幅值变化的影响，有效降低了由于叶尖表面粗糙、叶尖侵蚀、间隙变化、光源抖动等带来的信号随机抖动引入的误差，大幅提升了叶尖定时精度以及系统的稳定性。

附图说明

图1为基于本发明的光学叶尖定时方法系统框图；

图2为基于本发明的相位解调算法流程图；

图3为本发明实施例中的加工形成的叶尖表面微结构三维形貌图；

图4为本发明实施例中的微结构表面散射光强频谱图；

图5为本发明实施例中的微结构表面散射光强相位谱图；

图6为本发明实施例中的在不同间隙下两种不同定时方法定时位置及误差图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明提出了一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法，本方法通过叶尖定时装置实现了对叶片到达时间的高精度提取。如图1所示，该系统由传感器、定时模块、采集模块和算法模块组成。安装在机匣3上的叶尖定时传感器1和安装在转轴上方的转速同步传感器2的信号发送到采集模块以及定时模块，采集模块数据和计时器模块数据由算法模块处理得到叶片的定时时间。

本发明提出的方法具体包括如下步骤：

(1)构造特征结构表面：通过机械加工使叶片4的叶尖表面沿叶片旋转方向的垂向形成具有特征结构的微表面。所述的具有特征结构的微表面具有如下特点：叶尖定时传感器与旋转叶片叶尖表面垂直，叶尖微表面旋转经过叶尖定时传感器时，叶尖定时传感器采集到的散射光强的频谱具有倍频成分，倍频成分中的特征空间频率f_i的频谱能量大于其余倍频成分且在不同叶尖间隙下频谱成分保持稳定；叶尖定时传感器的入射光源采用可见光、近红外的激光光源或宽谱光源，叶尖微结构表面的特征周期长度

远大于入射光光源波长。

(2)叶尖表面参数标定：在叶片4低速转动时对叶片表面微结构的特征空间频率及触发电压进行标定，其中触发电压为采集模块开始工作时刻对应的电压。叶尖定时传感器1为光纤束传感器，中间为单模光纤，六根多模光纤环绕单模光纤，单模光纤发射的光经过叶尖表面散射由多模光纤接收，再经过光电转换器转换成电信号，电信号由采集模块采集并保存。叶尖定时传感器固定在机匣上，在旋转叶片的转轴上设置转速同步传感器2的标记点，叶根同步传感器安装于转轴上方，当转轴上标记点经过叶根转速同步传感器2时触发高精度定时模块开始计时。叶片低速运行时，叶片的振动很小，可以忽略，因此叶片低速运行时，对叶片叶尖表面的特征空间频率进行标定。第i个叶片的表面特征频率记做f_i；对叶片的触发电压进行标定，第i个叶片的触发电压记做V_ith；考虑到实际测量时，不同转速下采集得到的数据的横坐标尺度在时域并不是统一的，为了后续算法处理简单，需要把时域上的标定信号I_i转换为沿着叶片圆周方向上的空间信号I_i(x)：

I_i(x)＝I_i(t×V_r)

其中，t为采样时刻，V_r为旋转叶片的叶尖线速度；

对上述第i个旋转叶尖散射的空间光强信号I_i(x)进行频谱分析，选择符合标准的倍频成分作为特征空间频率f_i；当散射光信号强度达到噪音信号强度两倍时，此时散射光信号的电压作为触发电压，记录叶片i的触发电压V_ith，建立包含所有叶片特征频率f_i及触发电压V_ith的信息库。

(3)获取叶尖微结构表面散射光信号：当第i个叶片的经过叶尖定时传感器时的散射光强I_i达到叶片i的触发电压V_ith时，开始采集并保存第i个叶片的经过叶尖定时传感器时的散射光强I_i并记录此时开始采集的时间t_i，根据叶片厚度d及叶片此时叶尖线速度V_r计算采样时间Δt_i，经过Δt_i时间后停止采集并将数据传输到上位机；采样时间Δt_i满足如下条件：

其中，d为叶片的厚度，V_r为叶尖旋转线速度。

(4)叶片到达时间解调：将步骤(3)中采集到的时域光强信号I_i转换为空间光强信号I_i(x)，使用相位解调算法对步骤(3)中保存的第i个叶片的光强数据进行解调，解调得出的叶片相对于触发点的时间为T_i，则叶片i的到达时间TOA_i表达式如下：

TOA_i＝t_i+T_i

图2为相位解调算法的流程图，如图所示步骤具体包括：

(4.1)将采集到的散射光强时域信号I_i转换为沿叶尖旋转方向上的空间光强信号I_i(x)：

I_i(x)＝I_i(t×V_r)；

其中，t为采样时刻，V_r为旋转叶片叶尖旋转线速度；

(4.2)使用相位解调算法解调出微结构表面定时时刻T_i：使用叶片i的微结构表面空间特征频率f_i作为频带范围对空间光强信号I_i(x)进行带通滤波，得到叶片i的微结构表面特征散射信号，对叶片i的微结构表面特征散射信号做如下处理得到微结构表面定时时刻T_i：

其中，f₀为叶片i的微结构表面空间特征频率f_i的中心频率，

为叶片i的微结构表面特征散射信号的初相位，V_r为旋转叶片叶尖旋转线速度；

(4.3)根据步骤(4.2)得到的微结构表面定时时刻T_i得到叶片i的到达时刻TOA_i：

TOA_i＝t_i+T_i；

其中t_i为叶片i的信号开始采集的时刻。

实施例

如图3所示，本实施例中加工形成的叶尖微结构表面的粗糙度Ra为3.2um，特征周期约为400um，叶片厚度为4mm；使用的叶尖定时传感器是由中心为单模光纤和周围均匀环绕的六根多模光纤组成的光纤束强度型传感器；单模光纤的型号为SMF‐28E，内径为9um，外径为125um，数值孔径NA为0.12；周围的多模光纤的型号为62.5/125OM1，内径为62.5um，外径为125um，数值孔径NA为0.27；单模光纤连接的光源是中心波长为1550nm，带宽为100nm的ASE光源，其光谱的稳定性为：

15min，由于光源光谱抖动很小，实验中可以忽略光源抖动带来的影响；叶根传感器同样使用的是上述光纤束强度型传感器。

对叶尖微结构表面进行标定时，叶片转速为60r/min；叶片半径50mm，叶尖线速度为3.14m/s，开始时叶尖定时传感器与叶尖表面的间隙为0.5mm，每标定一次间隙增加0.5mm，增加5次，采集并保存每个间隙下的叶尖散射光信号，采样率为20000Hz；把采集得到的时域信号转换到沿着叶片圆周方向上的空间信号，并提取出叶片上方的散射光信号；对不同高度下的信号进行频谱变换，如图4、图5所示，分别为在不同间隙下标定信号频谱变换的相强度谱图和位谱图，其一倍频的能量远大于其他倍频信号的能量，选取一倍频中能量最大的频率f_i＝0.0024(1/um)作为标定的特征频率。

测量叶片振动时，叶根传感器信号到达预设的叶根触发阈值1V后，高精度计时器开始计时；叶尖定时传感器信号到预设叶尖触发信阈值0.2V时，把当前计时器时间t_i保存到上位机，同时，采集模块开始工作，保存采集时间内采集得到的散射光信号I_i以及计时器中的开始采集时间t_i。

把采集得到的叶尖散射光强信号I_i通过时间提取算法计算出叶片相对于触发点的时间T_i；则叶片相对于叶根标记点的时间TOA_i：

TOA_i＝t_i+T_i；

在实际测试中，影响叶尖定时精度的主要原因是叶尖间隙的随机变化导致信号的波动带来的定时误差。为了比较基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法的精度与传统的时间提取方法的定时精度，计算了使用单一阈值触发的定时方法与基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法在不同间隙下定时位置及其标准差；初始间隙h1＝0.5mm，每次增加间隙0.5mm，增加5次，如图6所示，间隙变化时，使用基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法的定时位置的方差为3.88um，使用单一阈值触发的定时方法的定时位置的方差为20.59um；新方法的稳定性远高于传统方法的稳定性，说明了基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法具有高精度、高稳定性的特性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)构造叶尖表面特征结构：通过机械加工使叶片的叶尖表面沿叶片旋转方向的垂向形成具有特征结构的微表面；

(2)叶尖表面参数标定：叶片低速运行时，对叶片叶尖表面的特征空间频率进行标定，第i个叶片的表面特征频率记做f_i；对叶片的触发电压进行标定，第i个叶片的触发电压记做V_ith；建立包含所有叶片特征频率f_i及触发电压V_ith的信息库，具体步骤为：

(2.1)将采集到的散射光强时域信号I_i转换为沿叶尖旋转方向上的空间光强信号I_i(x)：

I_i(x)＝I_i(t×V_r)；

其中，t为采样时刻，V_r为旋转叶片的叶尖线速度；

(2.2)叶尖表面的特征空间频率标定：

对步骤(2.1)中第i个旋转叶尖散射的空间光强信号I_i(x)进行频谱分析，选择符合标准的倍频成分作为特征空间频率f_i；

(2.3)叶尖触发电压标定：

当散射光信号强度达到噪音信号强度两倍时，将此时散射光信号的电压作为触发电压，记录叶片i的触发电压V_ith；

(3)获取叶尖表面微结构散射光信号：当第i个叶片的经过叶尖定时传感器时的散射光强I_i达到叶片i的触发电压V_ith时，开始采集并保存第i个叶片的经过叶尖定时传感器时的散射光强I_i并记录此时开始采集的时间t_i，根据叶片厚度h及叶片此时转速V_r计算采样时间Δt_i，经过Δt_i时间后停止采集并将数据传输到上位机；

(4)解调光强信号获得叶片到达时间TOA_i：将步骤(3)中采集到的时域光强信号I_i转换为空间光强信号I_i(x)，使用相位解调算法对步骤(3)中保存的第i个叶片的光强数据进行解调，解调得出的叶片相对于触发点的时间为T_i，则叶片i的到达时间TOA_i为：

TOA_i＝t_i+T_i。

2.根据权利要求1所述的一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法，其特征在于，步骤(1)所述的叶尖微表面的特征结构具体包括：

叶尖定时传感器与旋转叶片叶尖表面垂直，叶尖微表面旋转经过叶尖定时传感器时，叶尖定时传感器采集到的散射光强的频谱具有倍频成分，倍频成分中的特征空间频率f_i的频谱能量大于其余倍频成分且在不同叶尖间隙下频谱成分保持稳定；叶尖定时传感器的入射光源采用可见光、近红外的激光光源或宽谱光源，叶尖微结构表面的特征周期长度

大于入射光光源波长。

3.根据权利要求1所述的一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体包括：

所述的采样时间Δt_i满足如下条件：

其中，d为叶片的厚度，V_r为叶片叶尖旋转线速度。

4.根据权利要求1所述的一种基于叶尖表面微结构的光学叶尖定时方法，其特征在于，所述的步骤(4)具体包括：

(4.1)将采集到的散射光强时域信号I_i转换为沿叶尖旋转方向上的空间光强信号I_i(x)：

I_i(x)＝I_i(t×V_r)；

其中，t为采样时刻，V_r为旋转叶片叶尖旋转线速度；

(4.2)使用相位解调算法解调出微结构表面定时时刻T_i：使用叶片i的微结构表面空间特征频率f_i作为频带范围对空间光强信号I_i(x)进行带通滤波，得到叶片i的微结构表面特征散射信号，对叶片i的微结构表面特征散射信号做如下处理得到微结构表面定时时刻T_i：

其中，f₀为叶片i的微结构表面空间特征频率f_i的中心频率，

为叶片i的微结构表面特征散射信号的初相位，V_r为旋转叶片叶尖旋转线速度；

(4.3)利用微结构表面定时时刻T_i计算叶片i的到达时刻TOA_i：

TOA_i＝t_i+T_i；

其中t_i为叶片i的信号开始采集的时刻。

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