CN111076852B - 基于光电传感器的转子叶片表面动态压力光学测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位锁定法的转子叶片表面全域动态压力测量装置及方法，编码器外壳固定于电机外壳使其保持静止，编码器内轴与电机轴固定使得转子旋转时编码器接收到相同的旋转信息。编码器输出信号经机匣孔连接至编码器接收板卡，编码器接收板卡与计算机相连再连接信号发生板卡，信号发生板卡与相机触发器相连并控制相机拍摄，激光光源固定于涂有光学压敏涂料的被测叶片前端并对准。依据光学压敏涂料测压原理的S‑V公式I_ref/I＝A P/P_ref+B，通过测量实时光强I、参考光强I_ref和参考压力P_ref，来获得实时压力P。

Description

基于光电传感器的转子叶片表面动态压力光学测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于光电传感器的转子叶片表面动态压力光学测量方法，属于仪器仪表技术领域。本发明通过相位精确可调来实现转子叶片在不同相位的表面动态压力的光学测量，从而获得旋转过程中转子叶片表面压力动态变化的测量。

背景技术

高速旋转的叶轮机械是一种使能量转换与传递的动力机械。其应用广泛，包括日常生活中的电风扇、通风机、风力机等到航空航天领域的压气机、涡轮(透平)、直升机旋翼、涡桨、等均属于叶轮机械范畴，是动力装置研制的核心部件之一。压力是转子叶片表面重要的气动参数，其分布反映了诸多流场细节。它不仅体现了叶片表面与其通道内的气体相互作用，还是流动气动负荷的表征，也是气动设计的重要指标参数。当叶轮机械处于高速旋转时，叶片的绝对位置随时间不断变化，作用在转子表面的气动载荷瞬息万变，这使得动力装置安全性的预测和控制带来了很大的难度。因此，对转子叶片表面压力的动态测量一直是叶轮机械设计和研制关注的焦点。

基于计算机视觉与图像处理技术的光学压敏涂料测量技术(Pressure SensitivePaint，PSP)是非接触式流动显示技术的重要突破，由于采用了光学测量的原理，具有定量地获取模型表面全域、连续的压力分布、非侵入等优点，是一种新型表面压力测量方法，也为转子叶片表面压力的测量提供了新的可能。

相位锁定法是常用于叶轮机械气动参数动态测量的方法，即对转子某个相位的锁定，通过转速、旋转时间以及相位之间的关系实现转子动态参数的实时测量，从而建立某个空间位置处的气动参数随转子旋转时间(或转子相位)之间的变化关系，如叶轮机械机匣表面压力测量、叶轮机械静子内的热线风速仪测量等。然而，相位锁定法通常应用于叶轮机械静止部件参数的测量，无法用于转子部件气动参数的测量；其次，转速的波动会影响动态参数与转子旋转时间(或转子相位)之间对应关系，从而引起较大时序测量误差；第三，在常规的相位锁定法中，其他相位的锁定通常通过时间延迟来确定，转速的波动则会影响相位的准确度；最后，相位锁定法在光学压敏测量技术的应用中，当锁定的相位改变时，由转子与光源和图像采集设备存在相对位移，会影响光强向压力转换的准确度。

针对转子表面动态压力光学测量的需要，本发明提出一种基于相位精确调节的转子表面压力光学测量方法，通过该方法可以实现：1.通过相位锁定，完成转子某个相位下的叶片表面压力的瞬态采集；2.通过相位调节，完成转子表面压力的时序测量即动态压力测量。

发明内容

要解决的技术问题

鉴于对叶轮机械转子表面动态压力测量需要的迫切性以及转子表面动态测压的存在问题，本发明设计了一种结构简单、抗干扰的基于光电传感器的转子叶片表面动态压力的光学测量方法，不仅可进行转子某个相位下的叶片表面压力的瞬态采集，而且可实现转子表面压力的时序测量即动态压力测量，可以解决目前转子表面压力测量存在技术限制。

现有的相位锁定法与光学压敏测量技术结合存在一个相位信号的触发和其他相位触发的不准确、相位调节时图像采集器与被测模型存在相对位移等问题。本发明突破锁相位置固定这一限制，实现了叶轮机械旋转过程中触发信号相位可调的功能。

技术方案

一种基于光电传感器的转子叶片表面动态压力光学测量装置，其特征在于包括图像采集器控制器、图像采集器、光源、光电传感器、旋转位移机构动臂、旋转位移机构支撑杆、旋转位移机构底座、锁紧机构、圆形角度盘、光电传感器供电模块、计算机和反光片；反光片粘附于进气帽罩表面，旋转位移机构底座平行于地面，旋转位移机构支撑杆一端与旋转位移机构底座固定，旋转位移机构支撑杆垂直于旋转位移机构底座，圆形角度盘圆心与旋转位移机构动臂、旋转位移机构支撑杆一端采用螺栓锁紧，螺栓松开时旋转位移机构动臂可沿圆形角度盘周向改变角度，由旋转位移机构动臂，旋转位移机构支撑杆，旋转位移机构底座，锁紧机构，圆形角度盘组成的旋转位移机构固定于进气帽罩前端，调节旋转位移机构位置使圆形角度盘圆心位置在电机轴延长线上，光电传感器、图像采集器和激发光源固定于旋转位移机构动臂一端，光电传感器由传感器供电模块供电并对信号整形，供电模块连接图像采集器控制器，图像采集器控制器连接图像采集器和计算机。

一种基于光电传感器的转子叶片表面动态压力光学测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：调节旋转位移机构，使得图像采集器光源对准涂有光学压敏涂料的叶片，调节反光片位置使得光电传感器对准反光片，在叶片静止时关闭光源拍摄一张图片作为暗背景图像；

步骤2：叶片静止时在大气压P_ref环境下叶片表面压力分布为均匀分布，开启光源拍摄一张图片并减去暗背景图像作为参考图像I_ref；

步骤3：叶片旋转时，光电传感器每扫过反光片时发送相位信号，经传感器供电模块整形，将信号发送至图像采集器控制器，以控制图像采集器拍摄图像，减去暗背景图像以获得实时光强I，为减小测量误差，在相同相位多次采集并取平均值；

步骤4：调节旋转位移机构动臂，读取圆形角度盘角度，拍摄不同相位的光学压敏图像并减去暗背景图像以获得不同相位的I；

步骤5：依据光学压敏涂料测压原理的S-V公式，计算不同相位下的转子叶片面全域的动态压力信息：

I_ref/I＝A P/P_ref+B

其中，A与B为常数且校准可得，I和I_ref分别为实时光强和参考光强，P和P_ref分别为实时压力和参考压力。

有益效果

本发明提出的一种基于光电传感器的转子叶片表面动态压力光学测量装置及方法，有益效果如下：

1、通过光电传感器作为相位锁定设备相比于传统编码器的方式，不需要对试验件进行加工，无需对电机进行预处理，既节约成本又不干扰被测物体；

2、通过自行设计的旋转位移机构能够通过物理调节实现测量相位的变化，偏置角度通过刻度盘实时可见，角度调节任意，相对于传统通过信号延迟的方式，更加准确；

3、图像采集器、光源和锁相装置三者的位置固定，所拍得的不同相位的转子叶片在图像采集器上的位置不变、光照角度和强度一致，有效的减小了测量误差；

4、该旋转机构不仅结构简单、便于加工、抗干扰能力强，而且可以有效降低实验成本。

附图说明

图1为转子实验台及测量系统示意图；

图2为旋转位移机构及系统连接示意图。

对于图中标号的说明：动叶1，静叶2，电机支架3，电机4，尾椎5，电机轴6, 进气帽罩7，机匣8，图像采集器控制器9，图像采集器10，光源11，光电传感器12，旋转位移机构动臂13，旋转位移机构支撑杆14，旋转位移机构底座15，锁紧机构16，圆形角度盘17，光电传感器供电模块18，计算机19，反光片20。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

在转子帽罩粘附反光片，转子叶盘前固定旋转位移机构，将光电传感器、图像采集器和光学压敏涂料激发光源固定于旋转机构动臂一端，光电传感器发出的信号作为触发信号发送至光学压敏测量所需的图像采集器，如图像采集器或光电倍增管等，并完成光学压敏图像的采集；再根据实验方案，手动调节动臂与垂直支撑杆的角度，实现另一转子相位下的信号触发，从而另一相位下的光学压敏图像采集；如此重复，可以通过多个相位参数的调节，获得多个转子相位下的光学压敏图像；通过压敏漆的S-V 曲线，可获得转子表面压力在多个相位下的压力分布即时间序列上的动态压力变化。

本发明搭建了一套叶片表面全域动态压力测量系统，其主要组成包括：反光片、光电传感器、动臂、支撑杆、圆形角度盘、锁紧机构、光学压敏涂料、图像采集器、触发器、光源、进气帽罩、转子、电机、机匣等，具体系统构成以及连接参见图1和 2。其具体的连接方式是：电机固定于机匣中心线，转子轴与电机轴锁紧，进气帽罩固定于转子叶盘，反光片粘附于进气帽罩表面，旋转位移机构固定于进气帽罩前端，光电传感器、图像采集器和激发光源固定于旋转位移机构动臂一端，圆形角度盘圆心与支撑杆和动臂一端锁紧，光电传感器连接传感器供电模块，供电模块连接图像采集器控制器，图像采集器控制器连接图像采集器和计算机。依据光学压敏涂料测压原理的 S-V公式I_ref/I＝A P/P_ref+B，其中A与B为常数且校准可得，I和I_ref分别为实时光强和参考光强，P和P_ref分别为实时压力和参考压力；故需对其余四个参数进行测量。

本发明所提出的基于光电传感器的转子叶片表面动态压力光学测量方法包含了相位锁定与调节系统和转子叶片表面全域压力测量系统。相位锁定与调节系统包含反光片、光电传感器、光电传感器供电模块、旋转位移机构动臂、旋转位移机构支撑杆、旋转位移机构底座、锁紧机构、圆形角度盘等。所述转子叶片表面全域压力测量系统包含光学压敏涂料、图像采集器、图像采集器控制器、光源、转子、电机、机匣、计算机等。

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全域动态压力测量方法的实施过程具体如下：

1.转子表面压力光学测量系统的安装：

1)预先在所需要测量的转子叶片上喷涂快速响应光学压敏涂料。

2)将反光片贴附于进气帽罩表面，旋转位移机构放置于叶盘前端，将光电传感器、光源和图像采集器固定在动臂上，并使三者光路垂直于圆形角度盘所在平面。

3)图像采集器控制器与光电传感器经光电传感器供电模块连接，图像采集器处于外部触发状态随时接收触发信号并完成拍摄。

2.某转子相位下转子表面瞬态压力的光学测量：

1)叶轮机械未启动时，调节支撑杆高度使圆形刻度盘圆心高度与转子轴高度相同；

2)调整旋转位移机构角度使得动臂与支撑杆所在平面与叶盘所在平面平行以保证不同相位下光源、被测叶片及图像采集器没有相对位移；

3)叶片静止时拍摄一张图片作为参考图像用于后期图像处理；

4)叶轮机械启动后，当转速稳定时，通过计算机控制开启测量系统；

5)在固定相位下发出触发信号，图像采集器进行该相位下光学压敏图像的采集。

3.其他转子相位下转子表面瞬态压力的光学测量：

1)将转子叶片的角栅距根据实验需要进行划分；

2)通过手动改变动臂位置，调节光电传感器触发相位为试验方案所需相位；

3)在该相位下触发图像采集器，进行该相位下的光学压敏图像采集；

4)重复上述2)～3)步，获得多个相位下转子表面光学压敏图像；

5)根据光学压敏涂料的S-V曲线，将所得到不同相位下的光学压敏图像转换为压力分布；

通过相位精确可调来实现转子叶片在不同相位的表面动态压力的光学测量，从而获得旋转过程中转子叶片表面压力动态变化的测量。系统包括相位锁定与调节系统和转子叶片表面全域压力测量系统。相位锁定与调节系统包含反光片、光电传感器、光电传感器供电模块、旋转位移机构动臂、旋转位移机构支撑杆、旋转位移机构底座、锁紧机构、圆形角度盘等。所述转子叶片表面全域压力测量系统包含光学压敏涂料、图像采集器、图像采集器控制器、光源、转子、电机、机匣、计算机。

所述的测量方法为：1.将反光片贴附于进气帽罩表面，旋转位移机构放置于叶盘前端将光电传感器、光源和图像采集器固定在旋转位移机构动臂上，并使三者光路垂直于圆形角度盘所在平面；2.调节支撑杆高度使圆形刻度盘圆心高度与转子轴高度相同，调整旋转位移机构角度使得动臂与支撑杆所在平面与叶盘所在平面平行；3.依据试验方案所需相位调节动臂角度，并在该相位下触发图像采集器完成光学压敏图像采集；4.重复步骤3获得所需的全部相位下的光学压敏图像，根据光学压敏涂料校准曲线将光强转化为压力。

Claims (2)

1.一种基于光电传感器的转子叶片表面动态压力光学测量装置，其特征在于包括图像采集器控制器(9)、图像采集器(10)、光源(11)、光电传感器(12)、旋转位移机构动臂(13)、旋转位移机构支撑杆(14)、旋转位移机构底座(15)、锁紧机构(16)、圆形角度盘(17)、光电传感器供电模块(18)、计算机(19)和反光片(20)；反光片(20)粘附于进气帽罩表面，旋转位移机构底座(15)平行于地面，旋转位移机构支撑杆(14)一端与旋转位移机构底座(15)固定，旋转位移机构支撑杆(14)垂直于旋转位移机构底座(15)，圆形角度盘(17)圆心与旋转位移机构动臂(13)、旋转位移机构支撑杆(14)一端采用螺栓锁紧，螺栓松开时旋转位移机构动臂(13)可沿圆形角度盘(17)周向改变角度，由旋转位移机构动臂(13)，旋转位移机构支撑杆(14)，旋转位移机构底座(15)，锁紧机构(16)，圆形角度盘(17)组成的旋转位移机构固定于进气帽罩前端，调节旋转位移机构位置使圆形角度盘(17)圆心位置在电机轴(6)延长线上，光电传感器(12)、图像采集器(10)和光源(11)固定于旋转位移机构动臂(13)一端，光电传感器(12)由光电传感器供电模块(18)供电并对信号整形，光电传感器供电模块(18)连接图像采集器控制器(9)，图像采集器控制器(9)连接图像采集器(10)和计算机(19)。

2.一种采用权利要求1所述的装置实现的基于光电传感器的转子叶片表面动态压力光学测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：调节旋转位移机构，使得图像采集器(10)光源(11)对准涂有光学压敏涂料的叶片，调节反光片(20)位置使得光电传感器(12)对准反光片(20)，在叶片静止时关闭光源(11)拍摄一张图片作为暗背景图像；

步骤2：叶片静止时在大气压P_ref环境下叶片表面压力分布为均匀分布，开启光源(11)拍摄一张图片并减去暗背景图像作为参考图像I_ref；

步骤3：叶片旋转时，光电传感器(12)每扫过反光片(20)时发送相位信号，经光电传感器供电模块(18)整形，将信号发送至图像采集器控制器(9)，以控制图像采集器(10)拍摄图像，减去暗背景图像以获得实时光强I，为减小测量误差，在相同相位多次采集并取平均值；

步骤4：调节旋转位移机构动臂(13)，读取圆形角度盘(17)角度，拍摄不同相位的光学压敏图像并减去暗背景图像以获得不同相位的I；

步骤5：依据光学压敏涂料测压原理的S-V公式，计算不同相位下的转子叶片面全域的动态压力信息：

I_ref/I＝AP/P_ref+B

其中，A与B为常数且校准可得，I和I_ref分别为实时光强和参考光强，P和P_ref分别为实时压力和参考压力。

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