CN110455243B - 一种基于rms的旋转叶片叶尖间隙测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量系统及方法，包括传感器和位于发动机机匣内的转子和旋转叶片，还包括动态标定试验台及依次相连的信号预处理模块、RMS转换模块、信号采集模块和上位机；所述传感器通过信号传输电缆与信号预处理模块相连；动态标定试验台包括驱动电机、模拟转子、模拟叶片、支撑平台、传感器支架和高精度位移平台；所述模拟转子和高精度位移平台均设置于支撑平台的上表面；高精度位移平台上设置有传感器支架，模拟转子由驱动电机驱动，模拟转子的圆周上等间距的设置有用于夹持所述模拟叶片的卡槽，在卡槽上加装有模拟叶片；预先标定时，将传感器固定在传感器支架上；实际测量时，传感器固定在发动机机匣上。
Description
技术领域
本发明属于叶尖间隙测量领域，特别是利用传感器信号处理领域，具体为一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量系统及方法。
背景技术
叶尖间隙是指航空发动机中转子叶片的顶端(叶尖)与机匣内壁之间的径向间距。航空发动机转子叶片的叶尖间隙是其性能分析和评估的重要参数，对发动机的工作效率、安全性和可靠性等都具有重要影响。
电容式叶尖间隙测量系统的原理是基于传感器探头与叶片顶端的电容，建立电容与间隙之间的关系。其中，测量探头固定在叶片顶端的机匣中，构成电容的一个极，发动机转子的叶片叶尖在运转过程中会扫过探头前方，从而形成电容中的另一个极。所测得的电容是一个关于电极几何形状、电极之间距离和电极间介质的函数。一般情况下，发动机的工作介质不变，对于叶尖几何形状不变的叶片来说，叶尖与探头正对面积为定值，因此只需通过标定建立电容与距离之间的关系，其叶尖与探头的距离即叶尖间隙就可以通过电容直接测量出来。
典型的军用发动机，叶片厚度为1～2mm，叶片转子的转速约在0～20000r/min，叶片数通常为8～100个。假定转速为18000r/min，叶片数为60个，则每秒钟要对上万个叶片信号进行采集处理，且传感器的动态响应时间仅为5us左右，这就要求数据的采样频率至少为5MHz。在这样的高采样频率下，且对叶片信息的采集通常会使用多传感器多通道同时测量采集，造成数据量更加庞大。对后续数据采集处理的要求较高。同时为了实现对叶尖间隙数据进行在线分析，保证波形的实时显示，还需将大量复杂的叶尖间隙采集信号实时上传，对上位机软件实时性要求亦较高，增加硬件成本和负担。
发明内容
本发明为克服现有技术中数据采集电路设计要求采样频率高、数据传输量大、从而导致后续系统实时性要求较高以及设计更为复杂等问题，提供一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量方法，并设计旋转叶片动态标定方案和动态标定试验台，确定叶尖间隙信号的RMS值与叶尖间隙值之间的对应关系和标定关系式。根据得到的叶尖间隙信号RMS值与叶尖间隙值的标定关系式，搭建基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量系统，实现对发动机叶片叶尖间隙的实时测量。可减少后续信号采集处理难度；将高频叶尖间隙信号转换为直流电平输出；提高测量系统效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量系统，包括传感器和位于发动机机匣内的转子和旋转叶片，还包括动态标定试验台及依次相连的信号预处理模块、RMS转换模块、信号采集模块和上位机；所述传感器通过信号传输电缆与信号预处理模块相连；所述动态标定试验台包括驱动电机、模拟转子、模拟叶片、支撑平台、传感器支架和高精度位移平台；所述模拟转子和高精度位移平台均设置于支撑平台的上表面；所述高精度位移平台上设置有传感器支架，传感器支架上可固定传感器，通过高精度位移平台的移动带动传感器支架和传感器靠近或远离模拟转子；所述模拟转子由驱动电机驱动，驱动电机通过联轴器与模拟转子连接；所述模拟转子的圆周上等间距的设置有用于夹持所述模拟叶片的卡槽，在卡槽上加装有模拟叶片；在预先标定时，将传感器固定在动态标定试验台的传感器支架上形成有动态标定系统；实际测量时，传感器固定在发动机机匣上。
进一步的，所述RMS转换模块内包括依次相连的全波整流模块、平方/除法器功能模块、低通滤波器模块、镜像电流源模块和缓冲放大器模块；镜像电流源模块与平方/除法器功能模块相连。
一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量方法，基于上述的叶尖间隙信号测量系统，包括以下步骤：
(1)使用动态标定试验台，将传感器安装在动态标定试验台的传感器支架上，进行前期的动态标定，以获得叶尖间隙信号的RMS值与叶尖间隙值之间的对应关系和标定关系式；
(2)完成标定后，将传感器安装于发动机机匣上，传感器探头正对转子轴心，传感器探头端面与旋转叶片叶尖平行，然后依次连接信号预处理模块、RMS转换模块、信号采集模块和上位机，完成叶尖间隙测量系统的搭建；
(3)启动发动机，转子带动旋转叶片旋转扫过传感器探头，经过信号预处理模块输出的叶尖间隙信号通过RMS转换模块得到叶尖间隙信号的RMS值，得到的RMS值作为结果由信号采集模块采集上传至上位机进行计算，代入步骤(1)得到的标定关系式中，计算得出叶尖间隙值，完成对发动机旋转叶片叶尖间隙的实时测量。
进一步的，步骤(1)中的动态标定方法具体操作如下：
(101)确保传感器固定在动态标定试验台的传感器支架上，传感器探头正对模拟转子轴心，传感器探头端面与模拟叶片叶尖平行，然后依次连接信号预处理模块、RMS转换模块、信号采集模块和上位机，完成叶尖间隙动态标定系统的搭建；
(102)启动驱动电机，带动模拟转子和模拟叶片旋转并稳定在一定转速下，运行叶尖间隙动态标定系统，使用上位机实时监测记录通过RMS转换模块得到的叶尖间隙信号RMS值；
(103)移动高精度位移平台，带动传感器支架来回移动，改变叶尖间隙值，重复上述(102)的操作，得到不同叶尖间隙值下的叶尖间隙信号RMS值；
(104)通过上位机做出动态标定曲线图，确定叶尖间隙信号的RMS值与叶尖间隙值之间的对应关系，进一步推出叶尖间隙信号RMS值与叶尖间隙值的标定关系式。
进一步的，步骤(3)中的RMS值转换具体过程为：
(301)叶尖间隙信号首先输入至全波整流模块处理，将输入的电压信号转换成电流信号输出，设输入到全波整流模块的电压为VIN，由全波整流模块转换输出的电流为IIN；
(302)输出的电流IIN输入到平方/除法器功能模块中，在该模块中首先通过平方运算得到输入电流的平方，即IIN 2，后将该结果再除以镜像电流源模块反馈输入的最终结果IOUT得到：
输出It通过低通滤波器模块实现求平均值，得到最后输出结果：
经变换知输出信号有以下关系：
输出结果即为输入信号的RMS值：
IOUT＝IRMS；
(303)将由低通滤波器模块输出的最终结果输入镜像电流源模块，镜像电流源模块提供两路信号输出；其中一路输出作为反馈电流参与前述平方/除法器功能模块中的运算，镜像电流源输出信号的大小为镜像电流源模块的等量输入，即为IOUT；镜像电流源模块另外一路输出亦为IOUT，输入到缓冲放大器模块中，以提供低阻抗电压输出，相当于最开始全波整流模块的逆向操作，将输入电流通过缓冲放大器模块内部的单位增益电阻RL转化为输出电压VRMS；
VOUT＝RL×IOUT＝VRMS
经过上述过程最终得到叶尖间隙信号的RMS值。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明采用的基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量方法，针对发动机旋转叶片叶尖间隙信号数据量大且复杂，信号频率高等问题，利用叶尖间隙信号RMS值对叶尖间隙值进行表征，将高频信号转换为直流输出，解决后续信号处理复杂的问题。
2.通过本发明设计针对叶尖间隙信号RMS值的动态标定方法及动态标定试验台，通过动态标定以得到叶尖间隙值d与叶尖间隙信号RMS值的标定关系式，有效提高基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量系统的准确性。
3.基于本发明设计的旋转叶片叶尖间隙测量系统，可实现对发动机中高速旋转叶片叶尖间隙的实时高精度测量，有效保证发动机运转过程中的安全。
附图说明
图1为本发明中叶尖间隙信号的特征与形式。
图2为本发明中动态标定系统正视结构示意图。
图3为本发明的动态标定系统俯视结构示意图。
图4为本发明中标定曲线示意图及标定关系式。
图5为本发明中测量系统的结构示意图。
图6为本发明的RMS转换模块的结构示意图。
附图标记：1-转子及旋转叶片，2-发动机机匣，3-传感器，4-信号传输电缆，5-信号预处理模块，6-RMS转换模块，7-信号采集模块，8-上位机，9-驱动电机，10-模拟转子，11-模拟叶片，12-支撑平台，13-传感器支架，14-高精度位移平台，15-全波整流模块，16-平方/除法器功能模块，17-低通滤波器模块，18-镜像电流源模块，19-缓冲放大器模块
具体实施方式
本发明的具体实施方案是，提出了一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量系统及方法，采用叶尖间隙信号的RMS值表征叶尖间隙值，并设计一种RMS转换电路，以实现对信号的RMS值转换，并针对该信号处理方案提出一种叶片动态标定方法。
本发明设计了基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量系统，包括转子及旋转叶片1、发动机机匣2、传感器3、信号传输电缆4、信号预处理模块5、RMS转换模块6、信号采集模块7和上位机8；其中RMS转换模块6包括全波整流模块15、平方/除法器功能模块16、低通滤波器模块17、镜像电流源模块18和缓冲放大器模块19；还包括动态标定试验台，动态标定试验台包括驱动电机9、模拟转子10、模拟叶片11、支撑平台12、传感器支架13和高精度位移平台14。
动态标定系统中，传感器3固定在动态标定试验台的传感器支架13上，模拟转子10和高精度位移平台14均设置于支撑平台12的上表面，高精度位移平台14上设置有传感器支架13，驱动电机9通过联轴器与模拟转子10连接，模拟转子10的圆周上等间距的设置有用于夹持所述模拟叶片的卡槽，在卡槽上加装有模拟叶片11，传感器3通过信号传输电缆4与信号预处理模块5相连，信号预处理模块5通过电路连线与RMS转换模块6相连，RMS转换模块6通过连接线与信号采集模块7相连，信号采集模块7通过连接线与上位机8相连。
实际测量系统中，传感器3安装在发动机机匣2上，传感器3的探头端面正对转子及旋转叶片1的轴心，传感器3通过信号传输电缆4与信号预处理模块5相连，信号预处理模块5通过电路连线与RMS转换模块6相连，RMS转换模块6通过连接线与信号采集模块7相连，信号采集模块7通过连接线与上位机8相连。
见图6，RMS转换模块6中，全波整流模块15、平方/除法器功能模块16、低通滤波器模块17、镜像电流源模块18和缓冲放大器模块19依次通过电路连线相连；镜像电流源模块18与平方/除法器功能模块19通过电路连线相连。
为克服现有叶尖间隙测量技术中数据采集电路设计要求采样频率高、数据传输量大、从而导致后续系统实时性要求较高以及设计更为复杂等问题，本发明提供了一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量方法，具体如下：
叶尖间隙测量过程中，安装在发动机机匣2上的传感器3感应传感器探头端面到旋转叶片1叶尖的间距d并转化为微弱电信号，通过信号预处理模块5对采集到的微弱电信号进行预处理输出叶尖间隙信号，可认为其他因素固定不变或者影响因素较小，将叶尖间隙信号视作关于间距d的单值函数，表示为
U＝f1(d)
当转子和旋转叶片1运动到正对传感器3的位置时，两者间距d最小，即为叶尖间隙值d0，叶尖间隙信号的电压值达到最大，即对应了叶尖间隙信号的幅值A，如图1所示，可通过信号的幅值计算出叶尖间隙值：
d0＝f2(A)
RMS(Root Mean Square)称为均方根值，对于一个具有固定周期的信号，其幅值Ax与其RMS值之比为一固定值，被称为峰值因数，用CF表示，它们之间的关系即为
Ax为周期信号的幅值，xRMS为周期信号的RMS值。
叶尖间隙信号亦可看作是为一个具有固定周期的尖峰脉冲信号，其周期为前一个叶片到达传感器探头位置到下一个叶片离开传感器探头位置的时间间隔。所以由上述关系可知叶尖间隙信号的RMS值正比于幅值A，所以可以建立了叶尖间隙信号的RMS值与叶尖间隙值d0之间的对应关系：
d0＝f3(URMS)
URMS为叶尖间隙信号的RMS值。
即可采用传感器输出信号的RMS值来表征叶尖间隙值d0，利用叶尖间隙信号RMS值与叶尖间隙值d0的标定关系式来计算得到旋转叶片的叶尖间隙值，实现对发动机中高速旋转叶片叶尖间隙的实时高精度测量，具体实施步骤如下：
(1)使用动态标定试验台，搭建动态标定系统，完成前期动态标定
①确保传感器3固定在动态标定试验台的的传感器支架上，确保传感器3正对模拟转子轴心，传感器探头端面与模拟叶片叶尖平行，高精度位移平台14设置于支撑平台12的上表面，高精度位移平台14上设置有传感器支架13，驱动电机9通过联轴器与模拟转子10连接，模拟转子10的圆周上的卡槽上根据真实情况加装模拟叶片11，传感器3通过信号传输电缆4与信号预处理模块5相连，信号预处理模块5通过电路连线与RMS转换模块6相连，RMS转换模块6通过连接线与信号采集模块7相连，信号采集模块7通过连接线与上位机8相连，完成叶尖间隙动态标定系统的搭建，如图2和图3所示；
②启动驱动电机9，带动模拟转子10和模拟叶片11旋转并稳定在一定转速下，运行叶尖间隙动态标定系统，使用上位机8实时监测记录通过RMS转换模块得到的叶尖间隙信号RMS值；
③移动高精度位移平台14，带动传感器支架13来回移动，改变叶尖间隙值，重复上述②的操作，得到不同叶尖间隙值下的叶尖间隙信号RMS值；
④通过上位机8作出动态标定曲线图，确定叶尖间隙信号的RMS值与叶尖间隙值之间的对应关系，进一步推出叶尖间隙信号RMS值与叶尖间隙值的标定关系式d0＝f3(URMS)，如图4所示，可以看出该方程的相关系数达到0.9以上，说明标定曲线真实反映了叶尖间隙值与叶尖间隙信号RMS值之间的对应关系，有效提高基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量系统的准确性。
(2)搭建叶尖间隙测量系统
如图5所示，将传感器3安装于发动机机匣2上，传感器3的探头端面正对转子及旋转叶片1的轴心，传感器3通过信号传输电缆4与信号预处理模块5相连，信号预处理模块5通过电路连线与RMS转换模块6相连，RMS转换模块6通过连接线与信号采集模块7相连，信号采集模块7通过连接线与上位机8相连。
(3)完成旋转叶片叶尖间隙的实时测量
启动发动机，转子带动叶片1旋转扫过传感器3的探头，经过信号预处理模块5输出的叶尖间隙信号通过RMS转换模块6得到叶尖间隙信号的RMS值，该值作为结果由信号采集模块7采集上传至上位机8进行计算，代入前面得到的标定关系式d0＝f3(URMS)中，计算得出叶尖间隙值，完成对发动机旋转叶片叶尖间隙的实时测量。
进一步的，步骤(3)中的RMS值转换具体过程为：
①叶尖间隙信号首先输入至全波整流模块处理15，将输入的电压信号转换成电流信号输出，设输入到全波整流模块的电压为VIN，由全波整流模块15转换输出的电流为IIN；
②电流IIN输入到平方/除法器功能模块16中，在该模块中首先通过平方运算得到输入电流的平方，即IIN 2，后将该结果再除以镜像电流源模块18反馈输入的最终结果IOUT得到：
输出It通过低通滤波器模块17实现求平均值，得到最后输出结果：
经变换知输出信号有以下关系：
输出结果即为输入信号的RMS值：
IOUT＝IRMS；
③将由低通滤波器模块17输出的最终结果输入镜像电流源模块18，镜像电流源模块18提供两路信号输出；其中一路输出作为反馈电流参与前述平方/除法器功能模块中的运算，镜像电流源输出信号的大小为镜像电流源模块18的等量输入，即为IOUT；镜像电流源模块18另外一路输出亦为IOUT，输入到缓冲放大器模块19中，以提供低阻抗电压输出，相当于最开始全波整流模块15的逆向操作，将输入电流通过缓冲放大器模块19内部的单位增益电阻RL转化为输出电压VRMS；
VOUT＝RL×IOUT＝VRMS
经过上述过程最终得到叶尖间隙信号的RMS值。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量系统，包括传感器和位于发动机机匣内的转子和旋转叶片，其特征在于，还包括动态标定试验台及依次相连的信号预处理模块、RMS转换模块、信号采集模块和上位机；所述传感器通过信号传输电缆与信号预处理模块相连；所述动态标定试验台包括驱动电机、模拟转子、模拟叶片、支撑平台、传感器支架和高精度位移平台；所述模拟转子和高精度位移平台均设置于支撑平台的上表面；所述高精度位移平台上设置有传感器支架，传感器支架上可固定传感器，通过高精度位移平台的移动带动传感器支架和传感器靠近或远离模拟转子；所述模拟转子由驱动电机驱动，驱动电机通过联轴器与模拟转子连接；所述模拟转子的圆周上等间距的设置有用于夹持所述模拟叶片的卡槽，在卡槽上加装有模拟叶片；在预先标定时，将传感器固定在动态标定试验台的传感器支架上形成有动态标定系统；实际测量时，传感器固定在发动机机匣上。
2.根据权利要求1所述一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量系统，其特征在于，所述RMS转换模块内包括依次相连的全波整流模块、平方/除法器功能模块、低通滤波器模块、镜像电流源模块和缓冲放大器模块；镜像电流源模块与平方/除法器功能模块相连。
3.一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量方法，基于权利要求1所述的叶尖间隙测量系统，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用动态标定试验台，将传感器安装在动态标定试验台的传感器支架上，进行前期的动态标定，以获得叶尖间隙信号的RMS值与叶尖间隙值之间的对应关系和标定关系式；
(2)完成标定后，将传感器安装于发动机机匣上，传感器探头正对转子轴心，传感器探头端面与旋转叶片叶尖平行，然后依次连接信号预处理模块、RMS转换模块、信号采集模块和上位机，完成叶尖间隙测量系统的搭建；
(3)启动发动机，转子带动旋转叶片旋转扫过传感器探头，经过信号预处理模块输出的叶尖间隙信号通过RMS转换模块得到叶尖间隙信号的RMS值，得到的RMS值作为结果由信号采集模块采集上传至上位机进行计算，代入步骤(1)得到的标定关系式中，计算得出叶尖间隙值，完成对发动机旋转叶片叶尖间隙的实时测量。
4.根据权利要求3所述一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量方法，其特征在于，步骤(1)中的动态标定方法具体操作如下：
(101)确保传感器固定在动态标定试验台的传感器支架上，传感器探头正对模拟转子轴心，传感器探头端面与模拟叶片叶尖平行，然后依次连接信号预处理模块、RMS转换模块、信号采集模块和上位机，完成叶尖间隙动态标定系统的搭建；
(102)启动驱动电机，带动模拟转子和模拟叶片旋转并稳定在一定转速下，运行叶尖间隙动态标定系统，使用上位机实时监测记录通过RMS转换模块得到的叶尖间隙信号RMS值；
(103)移动高精度位移平台，带动传感器支架来回移动，改变叶尖间隙值，重复上述(102)的操作，得到不同叶尖间隙值下的叶尖间隙信号RMS值；
(104)通过上位机做出动态标定曲线图，确定叶尖间隙信号的RMS值与叶尖间隙值之间的对应关系，进一步推出叶尖间隙信号RMS值与叶尖间隙值的标定关系式。
5.根据权利要求3所述一种基于RMS的旋转叶片叶尖间隙测量方法，其特征在于，步骤(3)中的RMS值转换具体过程为：
(301)叶尖间隙信号首先输入至全波整流模块处理，将输入的电压信号转换成电流信号输出，设输入到全波整流模块的电压为VIN，由全波整流模块转换输出的电流为IIN；
(302)输出的电流IIN输入到平方/除法器功能模块中，在该模块中首先通过平方运算得到输入电流的平方，即IIN 2，后将该结果再除以镜像电流源模块反馈输入的最终结果IOUT得到：
输出It通过低通滤波器模块实现求平均值，得到最后输出结果：
经变换知输出信号有以下关系：
输出结果即为输入信号的RMS值：
IOUT＝IRMS；
(303)将由低通滤波器模块输出的最终结果输入镜像电流源模块，镜像电流源模块提供两路信号输出；其中一路输出作为反馈电流参与前述平方/除法器功能模块中的运算，镜像电流源输出信号的大小为镜像电流源模块的等量输入，即为IOUT；镜像电流源模块另外一路输出亦为IOUT，输入到缓冲放大器模块中，以提供低阻抗电压输出，相当于最开始全波整流模块的逆向操作，将输入电流通过缓冲放大器模块内部的单位增益电阻RL转化为输出电压VRMS；
VOUT＝RL×IOUT＝VRMS
经过上述过程最终得到叶尖间隙信号的RMS值。
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