CN109871661B - 一种叶端定时信号丢失的识别补全方法 - Google Patents

一种叶端定时信号丢失的识别补全方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种叶端定时信号丢失的识别补全方法，包括：基于转速信号序列与叶端定时信号序列的插补关系，识别转速信号丢失的位置和个数；计算转速信号丢失率，根据转速信号丢失率执行转速信号补全方案；基于窗格划分的单圈叶片信号丢失识别方法，识别叶片信号丢失的位置；根据叶片信号丢失的位置，判断叶端定时信号丢失为连续丢失还是间断丢失；若为连续丢失，则采用基于窗格划分的信号补全法；若为间断丢失，则采用基于前后有效圈的信号补全法。本发明能够有效应对叶端定时信号采集过程中的信号丢失现象，改善信号的可处理性，便于后续叶片振动位移信息提取。

Description

一种叶端定时信号丢失的识别补全方法
技术领域
本发明涉及一种叶端定时信号丢失的识别补全方法，属于叶片非接触测试领域。
背景技术
应变片法是最常用的一种振动测量方法，该方法需要在叶片上粘贴应变片，不便于安装，且只能监测应变片所在位置的振动。叶端定时是一种非接触式测量方法，克服了传统应变片法的上述三个缺点，能够同时对所有叶片的振动进行监测。对于航空发动机来说，由于要保证轻量化和动力性，就要求叶片质量尽可能小且叶片的负载能力尽可能大，造成了叶片故障时有发生。传统的应变片法不能满足航空发动机叶片监测的需求，因此为监测叶片的高周疲劳裂纹等常见事故，需研发基于叶端定时技术的叶片健康监测系统。但受航空发动机内部工作环境和信号传输不稳定性的影响，致使叶端定时传感器信号及转速传感器信号经常存在丢失现象，对叶片振动信息的提取造成了极大障碍。因此，有必要提出一种叶端定时信号丢失的识别及补全方法，获得完善的采样信号序列。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种叶端定时信号丢失的识别补全方法，通过将转速信号和叶端定时信号两者结合起来，利用两者时序上的插补关系，依次对转速信号和叶端定时信号的丢失情况进行识别并补全，从而获得完善的采样信号序列，进一步方便后续叶片振动信息的提取。本发明主要采用如下技术方案：
一种叶端定时信号丢失的识别补全方法，包括以下步骤，
S1、基于转速信号序列与叶端定时信号序列的插补关系，识别转速信号丢失的位置和个数。
S2、根据转速信号丢失的个数计算转速信号丢失率，根据转速信号丢失率执行转速信号补全方案。
S3、利用转速信号的分段作用，采用基于窗格划分的单圈叶片信号丢失识别方法，识别叶片信号丢失的位置。
S4、根据叶片信号丢失的位置，判断叶端定时信号丢失为连续丢失还是间断丢失：若为连续丢失，则采用基于窗格划分的信号补全法进行补全；若为间断丢失，则采用基于前后有效圈的信号补全法进行补全。
本发明带来的有益技术效果是：本发明能够获得完善的采样信号序列，并有效提高了叶端定时信号的可处理性，克服噪声引起的信号丢失问题，保障了叶片位移信息的有效提取。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法的步骤示意图；
图2是本发明一个实施例提供的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法的叶端定时采样过程示意图；
图3是本发明一个实施例提供的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法的基于插补关系的转速信号丢失识别原理示意图；
图4是本发明一个实施例提供的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法的窗格划分识别法示意图；
图5是本发明一个实施例提供的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法的基于窗格划分的信号补全法示意图；
图6是本发明一个实施例提供的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法的基于前后有效圈的信号补全法示意图；
图7(a)至图7(d)是根据现有技术和本发明所述的识别补全方法绘制的叶片振动位移图。
具体实施方式
下面结合附图1至图7(d)和实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种叶端定时信号丢失的识别补全方法，包括以下步骤，
S1、基于转速信号序列与叶端定时信号序列的插补关系，识别转速信号丢失的位置和个数。
S2、根据转速信号丢失的个数计算转速信号丢失率，根据转速信号丢失率执行转速信号补全方案。
S3、利用转速信号的分段作用，采用基于窗格划分的单圈叶片信号丢失识别方法，识别叶片信号丢失的位置。
S4、根据叶片信号丢失的位置，判断叶端定时信号丢失为连续丢失还是间断丢失。若为连续丢失，则采用基于窗格划分的信号补全法进行补全，将窗格中心对应的时间作为该处丢失信号的补全。若为间断丢失，则采用基于前后有效圈的信号补全法进行补全，利用前后有效圈同一位置叶片相对转速信号的到达时间进行平均补全。
其中，连续丢失定义为连续两圈及以上同一位置的叶片信息丢失的情况，间断丢失定义为丢失所在圈的前一圈和后一圈同一位置的叶片信息正常的情况。
在一个可选的实施例中，在步骤S1中，基于转速信号序列与叶端定时信号序列的插补关系，识别转速信号丢失的位置和个数，包括：
S101、获取转子叶片数目、叶端定时传感器数目、转速传感器采集到的转速信号序列和所有叶端定时传感器采集到的叶端定时信号序列。
S102、以转速信号序列的首个转速信号为起始时刻并以末尾转速信号为终止时刻，将转速信号序列和所有叶端定时信号序列按时间顺序排列，根据理论上相邻转速信号与叶端定时信号之间的关系，通过下式计算理论情况下满足条件的叶端定时信号的个数：
N(Frk≤t＜Frk+1)＝Nb×Np；
其中，Fr为转速传感器采集到的转速信号序列，t为由所有的叶端定时传感器采集到的叶端定时信号序列，k表示第k个转速信号，k≥1，N为理论情况下满足条件的叶端定时信号的个数，Nb为转子叶片数目，Np为沿周向安装的叶端定时传感器数目。
S103、根据获取的转子叶片数目和叶端定时传感器数目以及叶端定时信号序列，计算实际满足条件的叶端定时信号的个数N1。
S104、比较实际满足条件的叶端定时信号的个数N1与上式计算的理论情况下满足条件的叶端定时信号的个数N，预估叶端定时信号丢失程度并设置误差允许范围，识别出转速信号丢失的位置及个数。
在一个可选的实施例中，在步骤S2中，根据转速信号丢失的个数计算转速信号丢失率，根据转速信号丢失率执行转速信号补全方案，包括：
S201、通过下述公式计算转速信号丢失率LFr：
Figure BDA0002007042490000041
其中，n1Fr为转速信号丢失个数，nFr为采集到的转速信号个数。
S202、比较计算的转速信号丢失率与预设的转速信号丢失率阈值的大小：
若计算的转速信号丢失率大于或等于预设的转速信号丢失率阈值，则将此次获取到的转速信号序列和叶端定时信号序列数据视为无效数据并删除，返回步骤S1。
若计算的转速信号丢失率小于预设的转速信号丢失率阈值，则基于转速在小范围内恒定的先验，根据相邻两转速信号之间的缺失个数，对转速信号进行均匀补全，然后执行步骤S3。
其中，预设的转速信号丢失率阈值为20％。
在一个可选的实施例中，在步骤S3中，利用转速信号的分段作用，采用基于窗格划分的单圈叶片信号丢失识别方法，识别叶片信号丢失的位置，包括：
S301、基于转速信号序列与叶端定时信号序列之间的插补关系，以首个转速信号为起始时刻并以末尾转速信号为终止时刻，将补全后的转速信号序列按照时间顺序插入各叶端定时信号序列。
S302、对融合序列进行窗格划分：计算第k圈的窗格宽度twk，
Figure BDA0002007042490000042
其中，Frk为第k个转速信号，Nb为转子叶片数目，以该圈首个叶片到达时间为该时间所在窗格中心，标定该圈窗格偏移量，进行窗格划分，识别出叶片信号丢失的所在位置。
为进一步说明本发明方法，下面以一具体实施例并结合附图，对本发明的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法进行解释说明，不作为对本发明的限定。
图2是本发明实施例提供的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法的叶端定时采样过程示意图。如图2所示，叶端定时技术采用的传感器为两类，叶端定时传感器和转速同步传感器。叶端定时传感器安装于机匣上，当叶片扫过叶端定时传感器时，测量电路产生一个矩形脉冲信号。转速同步传感器安装在定子上，每圈获得一个转速同步信号。记录叶端定时脉冲和转速同步脉冲的到达时间，根据测得的叶片到达时间与无振动情况下叶片理论上的到达时间进行比较，结合当前转速，即可获得叶片的振动位移。图3是本发明实施例提供的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法的基于插补关系的转速信号丢失识别原理示意图。图中，细实线为叶端定时采样信号(TOA)，粗实线为转速同步信号(OPR)，将TOA1、TOA2、OPR按照时间顺序排列，若叶端定时传感器数目与叶片数目已知，则正常情况下，相邻两转速信号之间的叶端定时信号个数为一常值，根据相邻两实测转速信号之间叶端定时信号个数与该常值相比较，可识别出转速信号丢失的位置及个数。图4是本发明实施例提供的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法的窗格划分识别法示意图。图中，细实线表示叶端定时信号，粗实线表示转速信号，Tk表示第k圈的周期，twos表示第k圈的窗格中心的偏移量，twk表示第k圈的窗格宽度。图5是本发明实施例提供的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法的基于窗格划分的信号补全法示意图。图中，细虚线为辅助补全的窗格中心线及补全后的矩形脉冲信号。图6是本发明实施例提供的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法的基于前后有效圈的信号补全法示意图。图中，
Figure BDA0002007042490000051
表示第k圈的第4个脉冲相对于转速同步信号的到达时间。图7(a)至图7(d)是根据现有技术和本发明的识别补全方法绘制的叶片振动位移图。如图7(a)至图7(d)所示，本发明的一种叶端定时信号丢失的识别补全方法能够克服实际应用中存在的少量信号丢失现象，并结合现有技术完成对叶片振动位移的提取。
具体实施例如下：
S1、根据实验，转子叶片数目为16个，叶端定时传感器数目为8个，如图3所示，则理论上相邻转速信号与叶端定时信号之间关系：
N(Frk≤t＜Frk+1)＝Nb×Np＝16×8
由于叶端定时信号本身存在一定的丢失情况，设置误差允许范围为30％，识别出转速信号丢失位置为(159、205、220、319、503、575、638、758、795)，转速信号丢失个数为10个。
S2、根据信号丢失率计算公式求得信号丢失率为1.07％，并对转速信号进行均匀补全。
S3、以每圈首个叶片到达时间为该时间所在窗格中心，标定该圈窗格中心偏移量，进行窗格划分，窗格个数与叶片个数相同为16个，识别叶片信号丢失所在位置。
S4、将叶端定时信号丢失类型分为连续丢失和间断丢失两种情况进行处理，针对前者连续丢失，采用基于窗格划分的信号补全法，如图5。针对后者间断丢失，采用基于前后有效圈的信号补全法，如图6。
若单独使用转速信号本身来进行转速信号丢失识别，当转速连续丢失时严重影响识别效果，结合转速信号与叶端定时信号之间的插补关系，如图3可知，可以一定程度上克服转速连续丢失的影响，完成转速信号丢失识别。若单独使用叶端定时信号本身来进行叶端定时信号丢失识别，当叶端定时信号连续丢失时严重影响识别效果，结合叶端定时信号趋向均匀分布的特点和转速信号对叶端定时信号的分段性质，利用窗格划分法，如图4可知，可有效改善连续丢失情况下的叶端定时信号丢失识别效果。图7(a)至图7(d)是根据本发明一种叶端定时信号丢失的识别补全方法对真实测试信号进行识别补全后，再利用现有方法转化成位移的结果，本方法可有效保障后续叶片位移信息的提取，因此验证了本发明所提方法的正确性。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种叶端定时信号丢失的识别补全方法，包括以下步骤，
S1、基于转速信号序列与叶端定时信号序列的插补关系，识别转速信号丢失的位置和个数；
S2、根据转速信号丢失的个数计算转速信号丢失率，根据转速信号丢失率执行转速信号补全方案，包括：
S201、通过下述公式计算转速信号丢失率：
Figure FDA0002614881690000011
其中，n1Fr为转速信号丢失的个数，nFr为采集到的转速信号个数；
S202、比较所述计算的转速信号丢失率与预设的转速信号丢失率阈值的大小；
若所述计算的转速信号丢失率大于或等于预设的转速信号丢失率阈值，则将此次获取到的转速信号序列和叶端定时信号序列数据视为无效数据并删除，返回步骤S1；
若所述计算的转速信号丢失率小于预设的转速信号丢失率阈值，则基于转速在小范围内恒定的先验，根据相邻两转速信号之间的缺失个数，对转速信号进行均匀补全，执行步骤S3；
S3、利用转速信号的分段作用，采用基于窗格划分的单圈叶片信号丢失识别方法，识别叶片信号丢失的位置；
S4、根据叶片信号丢失的位置，判断叶端定时信号丢失为连续丢失还是间断丢失；若为连续丢失，则采用基于窗格划分的信号补全法进行补全；若为间断丢失，则采用基于前后有效圈的信号补全法进行补全。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤S1中，基于转速信号序列与叶端定时信号序列的插补关系，识别转速信号丢失的位置和个数，包括：
S101、获取转子叶片数目、叶端定时传感器数目、转速传感器采集到的转速信号序列和所有叶端定时传感器采集到的叶端定时信号序列；
S102、以转速信号序列的首个转速信号为起始时刻并以末尾转速信号为终止时刻，将转速信号序列和所有叶端定时信号序列按时间顺序排列，根据理论上相邻转速信号与叶端定时信号之间的关系，通过下式计算理论情况下满足条件的叶端定时信号的个数：
N(Frk≤t＜Frk+1)＝Nb×Np；
其中，Fr为转速传感器采集到的转速信号序列，t为由所有的叶端定时传感器采集到的叶端定时信号序列，k表示第k个转速信号，k≥1，N为理论情况下满足条件的叶端定时信号的个数，Nb为转子叶片数目，Np为沿周向安装的叶端定时传感器数目；
S103、根据获取的转子叶片数目和叶端定时传感器数目以及叶端定时信号序列，计算实际满足条件的叶端定时信号的个数N1；
S104、比较实际满足条件的叶端定时信号的个数N1与上式计算的理论情况下满足条件的叶端定时信号的个数N，预估叶端定时信号丢失程度并设置误差允许范围，识别出转速信号丢失的位置及个数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤S3中，利用转速信号的分段作用，采用基于窗格划分的单圈叶片信号丢失识别方法，识别叶片信号丢失的位置，包括：
S301、基于转速信号序列与叶端定时信号序列之间的插补关系，以首个转速信号为起始时刻并以末尾转速信号为终止时刻，将补全后的转速信号序列按照时间顺序插入各叶端定时信号序列；
S302、对融合序列进行窗格划分：计算第k圈的窗格宽度，以该圈首个叶片到达时间为该时间所在窗格中心，标定该圈窗格偏移量，进行窗格划分，识别出叶片信号丢失的位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤S4中，采用基于窗格划分的信号补全法进行补全，包括：将窗格中心对应的时间作为该处丢失信号的补全。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤S4中，采用基于前后有效圈的信号补全法进行补全，包括：利用前后有效圈同一位置叶片相对于转速信号的到达时间进行平均补全。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预设的转速信号丢失率阈值为20％。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述连续丢失定义为连续两圈及以上同一位置的叶片信息丢失的情况；所述间断丢失定义为丢失所在圈的前一圈和后一圈同一位置的叶片信息正常的情况。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述设置误差允许范围为30％。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，所述计算第k圈的窗格宽度，通过如下公式计算：
Figure FDA0002614881690000031
其中，twk为第k圈的窗格宽度，Frk为第k个转速信号。
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