CN109297625A - 基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量系统与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量方法与测量系统，该测量方法所设计的测量系统包括：高灵敏度光电传感器、微型动态压力传感器、红外触发器、固定在旋转轴上的数据记录器、数据采集卡等装置。本发明能够克服现有装置的弊端，所设计系统的采样频率只与传感器以及数据记录器的采样频率有关，避免了因数据传递方式而带来的对采样频率的限制；由于采用数据传输线来进行数据传递，能够最大程度上避免噪声干扰，保证采集数据的精度；同时考虑了转速的不稳定性，采用相位锁定的方法，能够在精确记录转子表面动态压力的同时，在绝对坐标系下记录转子叶片的转动相位，从而准确提取叶片在某一相位处叶片表面的压力信息。

Description

基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量系统与测量 方法

技术领域

本发明涉及一种应用于旋转机械转子叶片表面进行动态压力测量的实验方法，并且更具体而言该方法基于相位锁定法来实现转子叶片表面动态压力的测量。

背景技术

叶轮机械作为重要的能量转换和动力传递装置，被广泛应用于国民经济中的各个领域，从日常生活中的电风扇到工业生产上用的各种形式的鼓风机、水泵，以及航空航天领域中的压气机、涡轮等等都属于叶轮机械范畴。叶轮机械内部的流场本质上是复杂的三维、粘性、非定常流场，空间任何一点的状态都是随时间变化而改变的。转子叶片表面压力分布反映了诸多流场细节，而且其动态变化往往产生更为突出的气动力变化，对实际工作状态下叶轮机械气动特性、流动稳定性以及其寿命等都有很大影响，因此，研究转子叶片表面的非定常气动压力负荷，对提高叶轮机械气动设计与安全性分析等方面的研究工作具有重要意义。然而，对叶轮机械转子叶片表面的动态压力进行测量一直是测试技术领域的一道难题。

国内对转子叶片表面压力分布的测量面对着数据传输与记录问题的困扰，需要为之配备特定设计的实验设备比如滑环、光电转换设备等来实现数据传输与存储。而且大多数技术难以解决信号传输、转换过程中出现的信号失真、电磁干扰等问题，因而，仅仅停留在理论研究阶段，难以应用于工程实践。同时，由于旋转机械转速不能保持绝对稳定，因此转子叶片相位与时间的关系无法保持绝对的周期性，所采集到的数据往往不能精确地与转子相位之间对应。然而，国内的动态压力测量系统很少考虑到转速不稳定问题。该问题可以借助于相位锁定法解决，目前国内所采用的相位锁定法往往是建立在相对坐标系上，仍旧无法获取采集数据与绝对坐标系之间的精确对应关系，不能精确记录相位以及与相位对应的压力。这对后续的数据分析处理的结果带来影响，导致不能精确提取叶片位于某相位处传感器采集到的数据。

针对上述问题，非常有必要发展出一套基于相位锁定法的旋转机械转子叶片表面动态压力测量方法。该测量方法以及据此而搭建的测量系统能够使得：1.系统能够在宽频响范围内实现转子叶片表面动态压力数据的实时记录；2.采集到的数据在进行传递的过程中避免受到噪声干扰，克服因为滑环或者光电转换装置等造成的信噪比降低等问题；3.考虑到旋转机械转速的不稳定性，所采用的相位锁定法建立在绝对坐标系下，能精确记录转子转动的绝对空间位置并与所测量到的压力进行匹配，以期对压力进行更精确地分析处理。

发明内容

鉴于叶轮机转子表面动态压力测量一直是测试技术上的一道难题，同时如上所述现有的动态压力测量系统存在一系列弊端需要得到改进，因此本发明设计了一套基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量方法，并搭建出一套对旋转机械转子叶片表面的动态压力信号进行实时采集和存储的动态压力测量系统来实现该方法。

本发明所设计的基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量方法与国内现有的相位锁定法的之间的差别是：本发明是建立在绝对坐标系下的，压力信息与相位信息能够精确匹配。其具体实现方法是：所设计的动态压力测量系统同时开始记录叶片表面动态压力信息以及叶片相位信息，并且压力信息与相位信息的采样频率始终保持相同，从而在记录过程中的每一时刻都能同时记录下叶片表面压力信息以及叶片所处的相位信息，在时间轴上将相位信息与压力信息相匹配，因而任意一点处的压力信息都能够通过同时刻记录的相位信息来了解叶片所处的空间位置。

为实现本发明所设计的方法，本发明搭建了一套叶片表面动态压力测量系统，其主要组成包括：根据相位精确布点的反光片、高灵敏度光电传感器、微型动态压力传感器、红外触发器、固定在旋转轴上的数据记录器、数据采集卡，具体系统构成以及连接参见图1。其具体连接方式为反光片依据所需测量的相位精确布置在旋转轴外表面上，光电传感器与数据采集卡相连，微型动态压力传感器埋在转子叶片内部，通过导线与固定在旋转轴上的数据采集器相连，两套数据采集卡通过红外触发器实现同步采集。

所选用的反光片根据相位预先黏贴在叶轮机械旋转轴外表面的刻度盘上。所选用的光电传感器对于自身发出红光的波段具有高度敏感性，其能够在大角度内感知到经过反光片反射回来的光束，其光路反射通过反光片来实现。所采用的数据采集卡与所述的光电传感器连接并记录光电传感器的信号，其可以通过外部触发控制数据采集卡来进行采集，从而能够实现同步触发的功能。所选用的传感器为微型压力传感器，其体积小巧能够在叶片多个测点进行埋布。采用的数据记录器可以固定在旋转轴上随着一同旋转，并通过数据传输线与传感器相连，用来记录传感器采集到的叶片表面动态压力波动，该数据记录器也能够通过外接进行触发从而便于实现同步触发功能。上述所有的传感器以及相对应的数据采集器的采样频率都要能够满足实验的要求，从而能够实现相位以及压力的动态信号采集。

所搭建的该套测量系统能够实现对旋转机械转子叶片表面动态压力进行实时精确采集，兼具精确相位锁定以及记录功能。由于采用了传感器埋布在叶片内部，数据记录器固定在转轴上以及通过数据传输线来传递数据的设计，因此所设计的测量系统频响范围即为所采用的传感器的频响范围，同时能够避免引入过多外界噪声的干扰，保证所采集数据的信噪比以及采样的精度。采用与数据记录器同步触发的方式来使用数据采集卡单独记录转子叶片的绝对空间位置，使得二者采集到的数据能够在时间上相互对应，因此能够实现精确提取叶片位于某相位处传感器所采集到的数据的目的。

附图说明

图1为基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量系统示意图。

图2为相位测量系统。

图3为叶片压力测量系统实物图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明所提供的基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量系统包含了同步触发装置、相位测量记录系统以及动态压力测量记录系统，见图1。所述同步触发装置包括同步触发器以及红外激光器。所述相位记录系统包含刻度盘、反光片、高灵敏度光电传感器、数据采集卡，见图2。所述动态压力测量记录系统包括高精度微型传感器、固定在旋转轴上的数据记录器，见图3。

依靠本发明所搭建的测量系统来实现所设计的基于相位锁定法的叶片表面动态压力测量方法的实施过程具体如下：

1.预先在所需要测量的转子叶片上打孔来安装微型压力传感器，见附图3。本发明将感器嵌入叶片表面，其引线黏贴在叶片压力面，通过在轮毂出开口将导线引出接到安装在轴上的数据采集卡。

2.将所述用于采集动态压力数据的数据记录器通过螺钉固定在旋转轴上，并且将传感器与数据记录器数据传输端口相连。安装完成后启动数据记录器，并将数据记录器采样频率设置为某一固定频率，等待接收到红外信号之后开始给传感器供电并进行数据采集。

3.根据转子轴上刻度盘确定叶片旋转一周时要测量的相位间隔并在轴上预先布置好反光片，将其黏贴在旋转机械的旋转轴外表面，反光片所在位置即代表了相位信息。

4.将所述高灵敏度光电传感器安装在三角架上，调整好三角架高度，使得其自身向外发射的红光能够接触到反光片，在接触到反映相位信息的反光片时该光束被反射，由于该光电传感器对于自身发出红光的波段具有高度敏感性，因此能够在发射光发生大角度偏折的情况下感知到该光束。该光电传感器在未接触到反射光时输出高电平信号，在接触反射光时产生低电平信号，因而通过高低电平实现相位的记录。

5.将光电传感器与所述数据采集卡相连来记录光电传感器产生的高低电平信号来记录旋转机械的相位信息。将该数据采集卡调整到外触发模式，通过外触发信号进行控制，在接收到外触发信号时开始存储光电传感器采集到的相位信号，同时将数据采集卡的采样频率调整为与数据记录器采样频率相通。

6.将所述红外触发器放置在三角架上，调节好三角架高度使得红外传感器发射的红光能够被固定在旋转轴上的数据采集卡接收窗口感知。该红外触发器与同步触发器相连接并通过同步触发器控制。

7.启动实验台，当实验台工况到达实验工况时，通过电脑控制所述同步触发器，将电脑传出的指令一分为二同步，一路作为外部触发信号传递到数据采集卡，控制数据采集卡进行数据采集；一路传递到红外触发器，控制红外触发器发射红光来控制时间记录器进行数据采集。通过这种方式，实现相位以及压力的同步采集。

8.将压力传感器以及光电传感器采集到的数据提取出来并进行分析。由于数据采集卡与数据记录器二者同步触发，因此传感器在同一时刻进行采集，又由于二者采样频率相同，因此二者采集到的数据点在时间上完全对应，如果要提取叶片在某个相位处的具体压力信息，只需要在相位记录数据上找到时间点，并提取该时间点的压力数据即可。相应的，如果要提取某个压力点处叶片所处的相位也采用同样的方法即可，因此借助于该方法即可实现压力信息与相位信息在绝对坐标系上完全对应的目的。

Claims (5)

1.一种基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量系统与测量方法，其特征是：本发明建立在绝对坐标系下的，压力信息与相位信息能够精确匹配。所设计的动态压力测量系统同时开始记录叶片表面动态压力信息以及叶片相位信息，并且压力信息与相位信息的采样频率始终保持相同，从而在记录过程中的每一时刻都能同时记录下叶片表面压力信息以及叶片所处的相位信息，在时间轴上直接将相位信息与压力信息相匹配，因而任意一点处的压力信息都能够通过同时刻记录的相位信息来了解叶片所处的空间位置。

2.一种基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量方法以及测量系统，其特征在于，所述测量系统包含同步触发装置、相位测量记录系统以及动态压力测量记录系统；所述同步触发装置由同步触发器以及红外激光器构成；所述相位测量记录系统由刻度盘、反光片、高灵敏度光电传感器、数据采集卡构成；所述动态压力测量记录系统由高精度微型kulite传感器、固定在旋转轴上的数据记录器构成。

3.根据权利要求2所述的一种基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量系统，其特征在于所述的同步触发装置通过电脑控制所述同步触发器，将电脑传出的指令一分为二同步，一路作为外部触发信号传递到数据采集卡，控制数据采集卡进行数据采集；一路传递到红外触发器，控制红外触发器发射红光来控制时间记录器进行数据采集。通过这种方式，实现相位以及压力的同步采集。

4.根据权利要求2所述的一种基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量系统，其特征在于所述的数据记录器通过螺钉固定在旋转轴上，并且将所述的高精度微型压力传感器埋步在叶片内部并与数据记录器数据传输端口相连。所述的数据记录器接收到红外信号之后开始给传感器供电并进行数据采集。

5.根据权利要求2所述的一种基于相位锁定法的转子叶片表面动态压力测量系统，其特征在于所述的高灵敏度光电传感器安放在与所述的反光纸相位等高的三角架上，并与所述数字采集卡连接。由于该光电传感器在未接触到反射光时输出高电平信号，接触到反射光时输出低电平信号，因而通过高低电平实现相位的记录。