CN111060143A - 基于扫频干涉的转子轴向距离、转速、倾角同步测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于扫频干涉的转子轴向距离、转速、倾角同步测量方法，属于激光测量领域。该方法包括以下步骤：(1)在转子轴向沿转轴轴心对称安装传感器PR1和PR2；(2)获得干涉测量信号；(3)进行多参数解算。本发明提出一种用于转子多参数测量的全光纤传感测量系统，该系统可扩展能力强，通过增加相同光路，可以实现面上多点精密测量；本发明提出一种用于同时测量转子轴向距离、转速、面倾角的全新测量方法，该方法具备集成化测试功能，具有较高的通用性。

Description

基于扫频干涉的转子轴向距离、转速、倾角同步测量方法

技术领域

本发明属于激光测量领域，涉及基于扫频干涉的转子轴向距离、转速、倾角同步测量方法。

背景技术

在以燃气轮机为代表的包含转子的系统中，研究、分析转动状态下转子轴向距离、转速以及倾角对系统运行状态造成的影响，对提升复杂系统设计水平、完善设备制造体系具有重要意义。要实现轴向距离、转速以及倾角的同步测量，往往需要采用多种测量系统协同工作，这不仅会增加测量成本，而且多种传感器难以同时安装在诸如燃气轮机这样空间狭小的结构内。因此，在单测量系统上实现多参数的同步测量，对于如燃气轮机这类需要测量大规模集成参数的场合具有重要意义。

为实现转子轴向距离、转速以及倾角参数的同步测量，西安交通大学提出了一种类似的用于转子的多参数集成测量方法(一种转子轴向位移、转速及倾斜角度的径向集成测量方法。公开号：CN106595728A)。该方法首先需要在待测转子外围固定特殊反射规律条码，然后在转子径向布置多个光电探测器，通过各测点脉冲宽度比率比以及相对相位关系确定上述三个参数。该方法作为一种径向测量方法，对于不同的测试目标，需借助不同尺寸的特殊反射规律条码来满足位移与倾角测量范围的要求。

本发明提出一了种基于扫频干涉原理的转子轴向距离、转速以及倾角的同步测量方法，该方法无需在被测目标表面粘附任何物体，更具简便性和通用性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于扫频干涉的转子轴向距离、转速、倾角同步测量方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于扫频干涉的转子轴向距离、转速、倾角同步测量方法，该方法包括以下步骤：

将传感器PR1与传感器PR2对称安装在转子轴线两侧，线性调频激光器输出的调频激光经过耦合器CP分为两路；

其中一束光经由环形器CR1到达传感器PR1，另一束光经由环形器CR2到达传感器PR2；

到达传感器PR1的激光，部分在传感器端面发生发射，部分透射后在转子表面发生发射并再次进入传感器PR1，两束反射光再次经由环形器CR1，到达光电探测器D1；

另一测量光路中也形成两束反射光，在经由环形器CR2后，到达探测器D2；

光束在探测器D1与D2完成光电转换；

转换后的电信号进入双通道同步数据采集系统完成数据采样；

采样后的测量信号送入数据处理模块，进行转子轴向距离、转速以及面倾角的解算。

可选的，在所述方法中，由于转子在实际安装时总存在一定的倾角θ，根据几何关系知，传感器PR1、PR2距转子反射点的实际距离L₁和L₂分别表示为：

L_i(t)＝L₀+R tanθcos[ωt+(i-1)π]，(i＝1,2) (1)

其中L₀为初始距离，R为传感器安装半径，ω为转子转速。当转子旋转时，由于面倾角的存在，距离L₁和L₂在轴向随时间发生改变，距离在轴向的变化速度分别为

根据扫频干涉原理与光学多普勒理论，探测器D1与探测器D2处的扫频干涉信号I₁和I₂建模为：

其中A为信号振幅，B为激光器扫频带宽，T为激光器扫频周期。

根据公式(3)知，在任意时刻，两个干涉信号会引入符号相反、大小相等的多普勒频移，可采用动态干涉信号的频率估计值

和

计算转子的轴向距离，计算公式为：

此外，分析公式(3)知，干涉信号的频率变化量为：

对于扫频干涉测量系统，由于激光器扫频周期小于转子转动周期，即T<T_rotor＝2π/ω，式 (5)可做如下近似

其中f_avg为扫频频率均值；式(5)说明，干涉信号频率的变化存在周期性，其变化频率即为转子的转速，其具体计算公式为：

f_s为采样频率，max、index表示求取谱峰值与确定谱峰值索引。

可选的，所述转子转速恒定时，光学多普勒频率偏移量是转子反射面倾角θ的函数，即干涉信号频率变化的振幅与倾角相关；

面倾角大小根据正、负多普勒频偏所夹区间的大小Δf进行计算，利用计算公式(8)估计出转子的面倾角：

使用扫频激光器获得的动态干涉信号借助公式(4)、(6)、(7)分别测量转子的轴向距离，转速以及转子面倾角。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出一种用于转子多参数测量的全光纤传感测量系统，该系统可扩展能力强，通过增加相同光路，可以实现面多点精密测量；

2.本发明提出一种用于同时测量转子轴向距离、转速、面倾角的全新测量方法，该方法具备集成化测试功能，具有较高的通用性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明原理图；

图2为本发明流程图；

图3为位移测量值；图3(a)为根据距离测量值得到的位移测量值；图3(b)转速实验测量值；图3(c)分别为面倾角实验测量值。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

(1)方法原理概述

本方法具体实施过程如下。

如图1所示，将传感器PR1与传感器PR2对称安装在转子轴线两侧，线性调频激光器输出的调频激光经过耦合器CP分为两路；其中一束光经由环形器CR1到达传感器PR1，另一束光经由环形器CR2到达传感器PR2；到达传感器PR1的激光，部分在传感器端面发生发射，部分透射后在转子表面发生发射并再次进入传感器PR1，两束反射光再次经由环形器CR1，到达光电探测器D1；同理，另一测量光路中也会形成两束反射光，在经由环形器CR2后，到达探测器D2；光束在探测器D1与D2完成光电转换；转换后的电信号进入双通道同步数据采集系统完成数据采样；采样后的测量信号送入数据处理模块，进行转子轴向距离、转速以及面倾角的解算。

如图1所示，由于转子在安装时存在一定的倾角θ，根据几何关系可知，传感器PR1、PR2 距转子反射点的实际距离L₁和L₂可分别表示为：

L_i(t)＝L₀+R tanθcos[ωt+(i-1)π]，(i＝1,2) (1)

其中L₀为初始距离，R为传感器安装半径，ω为转子转速。当转子旋转时，由于面倾角的存在，距离L₁和L₂在轴向随时间发生改变，距离在轴向的变化速度可分别表示为

根据扫频干涉原理与光学多普勒理论，探测器D1与探测器D2处的扫频干涉信号I₁和I₂可建模为：

其中A为信号振幅，B为激光器扫频带宽，T为激光器扫频周期。

根据公式(3)可知，在任意时刻，两个干涉信号会引入符号相反、大小相等的多普勒频移，因此，可以采用动态干涉信号的频率估计值

和

计算转子的轴向距离，计算公式为：

此外，分析公式(3)可知，干涉信号的频率变化量可表示为:

对于扫频干涉测量系统，由于扫频激光器扫频周期小于转子转动周期，即T<T_rotor＝2π/ω，上式可近似为

其中f_avg为扫频频率均值。上式说明，干涉信号频率的变化存在周期性，其变化频率即为转子的转速，其具体计算公式为：

f_s为采样频率(对动态干涉信号的时频谱采样频率)，max、index表示求取谱峰值与确定谱峰值索引。

进一步分析可知，转子转速恒定时，光学多普勒频率偏移量是转子反射面倾角θ的函数，即干涉信号频率变化的振幅与倾角相关。且由公式(1)与公式(3)可知，当转子旋转至cos[ωt+(i-1)π]＝0角度时，线速度引起的多普勒频偏最大，此时sin[ωt+(i-1)π]＝±1。因此，面倾角大小可根据正、负多普勒频偏所夹区间的大小Δf进行计算，利用计算公式(8)可计算出转子的面倾角：

通过上述分析可知，使用扫频激光器获得的动态干涉信号可以借助公式(4)、(6)、(7) 分别测量转子的轴向距离，转速以及转子面倾角。

因此，本方法不借助任何黏附于待测目标表面的辅助结构或物体，且对转子无特殊要求，具有通用性；而且本发明采用光纤传感器，对例如燃气轮机等极端狭小环境下的转子参数测量具有很好的适应性。

(2)方法实施步骤

本方法具体实施步骤如下：

(1)在转子轴向沿转轴轴心对称安装传感器PR1和PR2；

(2)获得干涉测量信号

(3)按照图2所示流程进行多参数解算

下面对图2所示解算过程做一说明。

A.获取测量得到的双通道数据；

B.将所得数据按通道分开，分别为传感器PR1对应的干涉信号1，以及传感器PR2对应的干涉信号2；

C.对信号1，信号2分别实时FFT变换，得到FFT谱1、FFT谱2(FFT变换的信号长度为一个扫频周期T对应的信号长度)；

D.根据FFT谱1计算传感器PR1的测量距离L_1fake，根据FFT谱2计算传感器PR2的测量距离L_2fake；

E.计算L_1fake与L_2fake的均值，可以得到公式(4)所示的第一个测量参数：距离；

F.步骤D中，一个FFT谱1(2)对应一个最大峰值，本步骤中需将N个最大峰值按时间轴串联，组成新的信号，并对该信号再次实施频谱变换，得到转速频谱1以及转速频谱2，此时

其中

是由步骤C求出的第n个频率；

G.根据公式(10)，计算第二个测量参数：转速；

H.由G步得到的转子转速计算转子的转动周期

I.接着在一个(或多个)旋转周期内，由动态干涉信号的频谱确定多普勒频移范围Δf，并采用公式(7)计算第三个测量参数：倾角。

使用本发明测试效果实例：

搭建如图1所示测量系统，设置激光器调频频率2.056kHz；同时将15600r/min(转动频率260Hz)的转子固定于电控位移台，令位移台沿转子旋转轴运动，且单次位移量为20μm。

图3(a)为转子距离测量结果，其中位移为0时，传感器与反射面之间的初始距离为4674.2μm；图3(b)为转子转速测量结果，在位移台轴向移位的过程中，转子转速保持不变，等于15600r/min(260Hz)，测量结果(实线所示)与真实值(虚线所示，由霍尔传感器测量得到)一致；由于转子面倾角与与位移无关，因此，在位移台轴向移位的过程中，转自面倾角θ应保持不变，如图3(c)所示。

实验结果表明，采用本发明所述测量方法，可以实现转子轴向距离、转速、面倾角的多参数同步测量，证明本法方法具备可行性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.基于扫频干涉的转子轴向距离、转速、倾角同步测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

将传感器PR1与传感器PR2对称安装在转子轴线两侧，线性调频激光器输出的调频激光经过耦合器CP分为两路；

其中一束光经由环形器CR1到达传感器PR1，另一束光经由环形器CR2到达传感器PR2；

到达传感器PR1的激光，部分在传感器端面发生发射，部分透射后在转子表面发生发射并再次进入传感器PR1，两束反射光再次经由环形器CR1，到达光电探测器D1；

另一测量光路中也形成两束反射光，在经由环形器CR2后，到达探测器D2；

光束在探测器D1与D2完成光电转换；

转换后的电信号进入双通道同步数据采集系统完成数据采样；

采样后的测量信号送入数据处理模块，进行转子轴向距离、转速以及面倾角的解算。

2.根据权利要求1所述的基于扫频干涉的转子轴向距离、转速、倾角同步测量方法，其特征在于：在所述方法中，由于转子在实际安装时总存在一定的倾角θ，根据几何关系知，传感器PR1、PR2距转子反射点的实际距离L₁和L₂分别为：

L_i(t)＝L₀+Rtanθcos[ωt+(i-1)π]，(i＝1,2) (1)

其中L₀为初始距离，R为传感器安装半径，ω为转子转速；当转子旋转时，由于面倾角的存在，会使距离L₁和L₂在轴向随时间发生改变，距离在轴向的变化速度分别为

根据扫频干涉原理与光学多普勒理论，探测器D1与探测器D2处的扫频干涉信号I₁和I₂建模为：

其中A为信号振幅，B为激光器扫频带宽，T为激光器扫频周期；

根据公式(3)知，在任意时刻，两个干涉信号会引入符号相反、大小相等的多普勒频移，可采用动态干涉信号的频率估计值

和

计算转子的轴向距离，计算公式为：

此外，分析公式(3)知，干涉信号的频率变化量为：

对于扫频干涉测量系统，由于激光器扫频周期小于转子转动周期，即T<T_rotor＝2π/ω，式(5)可做如下近似

其中f_avg为扫频频率均值；式(5)说明，干涉信号频率的变化存在周期性，其变化频率即为转子的转速，其具体计算公式为：

f_s为采样频率，max、index表示求取谱峰值与确定谱峰值索引。

3.根据权利要求1所述的基于扫频干涉的转子轴向距离、转速、倾角同步测量方法，其特征在于：所述转子转速恒定时，光学多普勒频率偏移量是转子反射面倾角θ的函数，即干涉信号频率变化的振幅与倾角相关；

面倾角大小根据正、负多普勒频偏所夹区间的大小Δf进行计算，利用计算公式(8)估计出转子的面倾角：

使用扫频激光器获得的动态干涉信号借助公式(4)、(6)、(7)分别测量转子的轴向距离，转速以及转子面倾角。

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