CN111174958B - 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 - 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

技术领域

本发明涉及一种应用于光学压敏涂料在旋转机械转子叶片表面进行全域的动态压力测量的实验方法，属于仪器仪表技术领域。本发明通过相位精确可调的相位锁定方法来实现转子叶片在不同相位的表面压力动态测量，使得光学压敏涂料能够精确测量旋转过程中叶片表面全域的压力变化过程。

背景技术

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，包括日常生活中的风扇、吸尘器到航空航天领域的压气机、透平、旋翼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。然而，对转子叶片表面全域压力的动态测量依然是叶轮机械设计和研制过程中的技术盲区。

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。该测量技术能够定量地获取模型表面全域、连续的压力分布。与目前国内传统的点阵式测量技术相比，光学压敏测量技术能够弥补压力探针布孔、压力传感器等对模型的破坏和对流场的干扰以及传统方法数据传输方式的复杂性，并且该测量技术大幅度提升测量范围，具有无接触、连续测量、试验成本相对低廉、节约时间等优势，已经受到广大实验工作者的青睐。近年来，随着快速响应光学压敏涂料(Fast PSP)的成功研制宣告着光学压敏测压技术实现从稳态测量到动态测量的飞跃。随着涂料响应频率的不断提升，测量技术的适用范围也越来越广，为叶轮机械的表面压力动态测量提供了有力的支撑。然而，虽然光学压敏涂料的发展速度极快，已经实现在发动机内部恶劣的流动条件下实现压力测量，但是承担光探测器功能的科学级CCD相机由于制作工艺的限制，拍摄帧率以及相应的曝光时间无法满足对高速旋转的叶轮机械进行实时采集。这一问题可以借助相位锁定法得以解决，目前国内采用的相位锁定法的光学压敏测量技术仅能实现某一固定位置的相位锁定而不能在测量过程中改变相位角来实现动态测量。

针对这一问题，发展出一套能够相位精确调节的相位锁定法是应用快响光学压敏涂料在旋转机械转子叶片表面压力动态测量的必经途径。本测量方法以及所搭建的测控系统能够使得：1.转子叶片精确的相位锁定，保证相机通过相位锁定法拍摄的图片高度重合；2.通过对锁相装置的控制，实现相位调节，获取不同相位下的压力分布。

发明内容

要解决的技术问题

鉴于叶轮机械转子表面全域动态压力测量一直是国内测试技术上的空白，同时现有的动态压力测控系统存在一系列弊端需要得到改进，因此本发明设计了一种结构简单、加工成本低、使用性强、抗干扰能力强的基于相位锁定法的转子叶片表面压力测量方法并实现相位精确可调以期获得压力的动态分布。

本发明主要解决的技术问题是：目前国内现有的相位锁定法仅能在转子某一固定相位行图像采集，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相位可调的相位锁定法。

技术方案

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，其特征在于包括编码器、编码器信号接收板卡、计算机、信号发生板卡、相机和激光光源，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信号接收板卡，编码器信号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相连并控制相机拍摄，相机正对叶盘法线方向且能够完整拍摄整个叶片，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。

一种采用基于相位锁定法的转子叶片表面全域动态压力测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：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：叶片旋转时编码器输出脉冲信号，由编码器信号接收板卡接收并传递给计算机，计算机接收脉冲信号并记录脉冲数量；

步骤4：设定相位触发阈值，当记录脉冲数量达到阈值后，计算机发出数字脉冲信号，控制信号发生板卡同步发出5V的TTL脉冲信号用于触发相机开启拍摄，拍摄后的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5：调节相位触发阈值，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6：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_ref为参考压力。

有益效果

本发明提出的一种基于相位调节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、通过编码器的方式对转子的相位信息进行采集，精度较高且易于控制和实现；

2、通过调节编码器的触发阈值实现相位角度的任意调节，相对于传统通过信号延迟的方式，更加准确；

3、该相位锁定和调节方法不仅结构简单、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为叶轮机械实验台示意图；

图2为相位信号接收与发生系统示意图。

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，编码器6、进气帽罩7，机匣8、电机轴9、相机10、光源11、三脚架12、机匣穿孔13，编码器信号线14，编码器信号接收板卡15，信号发生板卡16，计算机17，相机触发器接线 18。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

通过在叶轮机械的旋转轴上安装编码器，编码器发出的信号经计算机处理发送至相机使得相机在固定相位处触发并完成拍摄，再由计算机控制触发信号的相位参数改变转子相对相位并触发相机进行拍摄，从而获得不同相位下的动态压力分布。

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：计算机、编码器、编码器信号接收板卡、信号发生板卡、光学压敏涂料、CCD相机、相机触发器、紫外光源、转子、电机、机匣、三脚架，具体系统构成以及连接参见图1。其具体的连接方式是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。

所选用的编码器原理是旋转模型每旋转一固定角度φ就会发出脉冲信号，每转360°发出脉冲信号数量N＝360/φ，所以脉冲信号数量与模型旋转的角度(相位)是线性关系，编码器是依据实验电机轴的粗细和旋转的转速以及叶片通过频率(BPF)来确定合适的编码器型号，依据编码器型号选取相应的信号接收板卡和信号发生板卡。控制程序功能是记录脉冲数量n，根据角度计算公式

将脉冲信号数量转为模型旋转角度，每当

时将程序存储的脉冲数据清零以获得相位信息，以此通过改变相位触发阈值控制相机在任一相位开启拍摄。所选取的光学压敏涂料的幅频特性满足叶片通过频率的需求。所采用的相机为光学压敏涂料发出荧光所在波长量子效率较高的科学级CCD相机以保证非定常压力引起的光强波动能够予以分辨。所采用的激光光源的波长要求是光学敏感涂料激发光的波长、激光照射面积大、激光光强均匀性较好且激光功率要足够强以激发涂料。所选取的三脚架用于相机和光源的固定和调节。

本发明所提供的基于相位锁定法的转子叶片表面全域动态压力测量系统包含了相位信号接收与发生系统和转子叶片表面全域压力测量系统。相位信号接收与发生系统包含计算机、编码器、编码器信号接收板卡、信号发生板卡以及相应的控制软件等。所述转子叶片表面全域压力测量系统包含光学压敏涂料、CCD相机、相机触发器、紫外光源、转子、电机、机匣、三脚架等。

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.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，保证涂料喷涂均匀性并且尽可能薄以保证对流场的干扰可以忽略。

2.叶轮机械未启动时，将科学级CCD相机和激光光源固定在三脚架上，调节三脚架高度和三维角度，根据合理的光路布局使得相机正对叶片法线方向且能够完整拍摄整个叶片，激光光源均匀照射整个叶片。

3.叶片静止时关闭光源拍摄一张图片用于后期去图像暗背景处理。

4.叶片静止时打开光源拍摄一张图片作为参考图像。

5.将编码器内轴套在转子电机轴上并锁紧以保证内轴与电机轴没有相对位移；将编码器外壳固定于电机外壳上且保证两个轴同心以免转动时电机轴破坏编码器。

6.将编码器所在截面位置的机匣打孔，将编码器输出线穿过孔与编码器信号接收板卡通过排线连接，其作用是为编码器提供工作电压并接收编码器输出的电信号。打孔位置要避开叶轮机械关键结构以免对结构和流场造成破坏。

7.将编码器信号接收板卡与计算机连接。信号接收板卡实时接收编码器发出的脉冲信号，由计算机通过LabWindows软件编译的控制程序用于记录脉冲数量并显示。

8.计算机安装信号发生板卡，控制程序发出数字输出信号后，信号发生板卡发出5伏的TTL电平信号。

9.相机触发器与信号发生板卡连接，相机处于外部触发状态，预先设定曝光时间、增益参数，实时接收信号发生板卡发出触发信号并完成拍摄。

10.叶轮机械启动后，当转速稳定时，通过计算机控制开始测量。

11.当控制程序记录的脉冲信号达到相位触发阈值后发出触发信号控制相机拍摄，为减小测量误差，在相同相位多次采集并取平均值。

12.改变控制程序相位触发阈值并发出触发信号，即在不同相位触发相机进行拍摄。

13.将开启光源拍摄的全部图像减去暗背景图像，并将处理后的不同相位的图像与参考图像做比。将所得处理后的图像进行时间重构，依据光学压敏涂料测压原理便可获得转子叶片表面全域的动态压力信息。

本发明通过相位精确可调的相位锁定方法来实现转子叶片在不同相位的表面压力动态测量，从而在叶轮机械旋转过程中记录每个相位处的叶片相位信息及光强分布，使得光学压敏涂料能够精确测量旋转过程中叶片表面全域的压力变化过程。

将编码器内轴套在转子电机轴上并锁紧以保证内轴与电机轴没有相对位移；将编码器外壳固定于电机外壳上且保证两个轴同心以免转动时电机轴破坏编码器。将编码器所在截面位置的机匣打孔，将编码器输出线穿过孔与编码器信号接收板卡通过排线连接，其作用是为编码器提供工作电压并接收编码器输出的电信号。将编码器信号接收板卡与计算机连接。根据编码器信号特点，在计算机上通过LabWindows软件编译精确控制程序使得每接收这一数量的信号向信号发生板卡发出输出信号。计算机安装信号发生板卡，当计算机发出输出信号后，信号发生板卡发出TTL电平信号以触发相机。

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，保证涂料喷涂均匀性并且尽可能薄以保证对流场的干扰可以忽略。叶轮机械未启动时，将科学级CCD 相机和激光光源固定在三脚架上，调节三脚架高度和三维角度使激光和相机同时对准涂有涂料的叶片。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。依据转速的不同调节相机曝光时间。当转速稳定时，通过计算机控制开始测量。延迟编码器信号，依据所测叶片特征更改相位角进行触发拍摄。将相同相位拍摄的图像进行图像叠加以减少相机本身的噪声提高信噪比，并将处理后不同相位的图像与先前拍摄的参考图像做比。根据光学压敏涂料测压原理便可获得转子叶片表面全域的动态压力信息。

Claims (2)

1.一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，其特征在于包括编码器(6)、编码器信号接收板卡(15)、计算机(17)、信号发生板卡(16)、相机(10)和激光光源(11)，编码器(6)外壳固定于电机外壳使其保持静止，编码器(6)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(6)输出信号经机匣孔连接至编码器信号接收板卡(15)，编码器信号接收板卡(15)与计算机(17)相连再连接信号发生板卡(16)，信号发生板卡(16)与相机(10)相连并控制相机拍摄，相机(10)正对叶盘法线方向且能够完整拍摄整个叶片，激光光源(11)固定于涂有光学压敏涂料的被测叶片前端并对准。

2.一种采用权利要求1所述的装置实现的基于相位锁定法的转子叶片表面全域动态压力测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：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：叶片旋转时编码器(6)输出脉冲信号，由编码器信号接收板卡(15)接收并传递给计算机(17)，计算机(17)接收脉冲信号并记录脉冲数量；

步骤4：设定相位触发阈值，当记录脉冲数量达到阈值后，计算机(17)发出数字脉冲信号，控制信号发生板卡(16)同步发出5V的TTL脉冲信号用于触发相机(10)开启拍摄，拍摄后的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5：调节相位触发阈值，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6：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_ref为参考压力。

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