CN111239432B - 基于叶端定时的叶片到达时间测量方法及其采集系统 - Google Patents

基于叶端定时的叶片到达时间测量方法及其采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法及采集系统，方法包括以下步骤：确定叶片振动所需的位移分辨率Δl，基于所需的位移分辨率Δl得到叶端定时采集的定时分辨率Δt，采集叶片到达时间数据，其中，当叶片对应的脉冲信号到来时，采集当前计数器数值，当转速脉冲到来时，记录当前计数器数值并清零计数器，将所采集的到达时间数据转化为叶片振动位移。

Description

基于叶端定时的叶片到达时间测量方法及其采集系统
技术领域
本发明属于叶片非接触测试技术领域，特别是一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法及其采集系统。
背景技术
航空发动机压气机转子叶片状态监测是航空发动机运行安全的重要保障。传统的叶片测试方法主要是应变片法，通过在叶片上粘贴应变片来获取叶片的振动状态，其由于需要引线、单个应变片只能监测一个叶片、影响叶片性能等因素而不适用于压气机转子叶片监测。叶端定时技术是一种非接触式叶片测试技术，其使用的传感器按照功能主要分为两类：转速传感器、叶端定时传感器，两者皆为光纤传感器。通过将叶端定时传感器安装沿周向布置在机匣上，激光沿径向射向转子，当叶片经过叶端定时传感器时，采集叶片的到达时间。当转轴标记经过转速传感器时采集转速标记到达时间。对到达时间进行处理便可获得叶片振动位移，通过对叶片振动位移进行分析以监测叶片振动状态。
叶端定时技术具有：单个传感器可同时监测所有叶片，非接触的测量方式不影响叶片本身状态等优点使得其在航空发动机转子叶片健康检测领域有巨大的应用前景。有效且准确地采集到达时间是叶端定时技术成功应用的先决条件，对于后续的分析处理至关重要。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法及其采集系统，本发明提高叶端定时数据采集的效率和稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法包括以下步骤：
第一步骤中，确定叶片振动所需的位移分辨率Δl，基于所需的位移分辨率Δl得到叶端定时采集的定时分辨率Δt，其中，
Figure BDA0002381578850000011
R是转子半径，fmax为转子的最高转速，
第二步骤中，采集叶片到达时间数据，其中，当叶片对应的脉冲信号到来时，采集当前计数器数值，当转速脉冲到来时，记录当前计数器数值并清零计数器，
第三步骤中，将所采集的到达时间数据转化为叶片振动位移，其中，叶片到达角度为
Figure BDA0002381578850000021
其中，θij为第i个叶片相对于第j个传感器的到达角度，tij为第i个叶片相对于第j个传感器的到达时间，T为相邻两个转速脉冲的到达时间间隔，当叶片不存在振动时测得叶片的期望到达角度，当叶片发生振动时测得叶片的实际到达角度，叶片位移为：
Figure BDA0002381578850000022
其中，dij为第j个传感器采集到的第i个叶片的位移，
Figure BDA0002381578850000023
为第i个叶片相对于第j个传感器的实际到达角度，
Figure BDA0002381578850000024
为第i个叶片相对于第j个传感器的期望到达角度。
所述的方法中，第二步骤中，通过高频温补型晶振产生高频时基信号以驱动计数器数值以高频增长。
所述的方法中，第二步骤中，计数器数值增长一个单位所需要的时间短于所述定时分辨率Δt。
所述的方法中，叶片为航空发动机压气机转子叶片。
所述的方法中，航空发动机压气机转子的最高转速为24000RPM，压气机转子半径0.4m，叶片振动的位移分辨率Δl为10μm，定时分辨率为10ns。
所述的方法中，计数器位数为32位，选取频率为100MHz的高频温补型晶振以满足10ns的定时分辨率。
根据本发明的另一方面，一种实施所述基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的采集系统包括，
叶端定时传感器，其布置于叶片的周向上，叶端定时传感器测量脉冲信号，
转速传感器，其测量转速脉冲，
计数器，其采集叶片到达时间数据，所述计数器连接所述叶端定时传感器和转速传感器，当叶片对应的脉冲信号到来时，采集当前计数器数值，当转速脉冲到来时，记录当前计数器数值并清零计数器，
处理单元，其连接所述计数器，所述处理单元基于所采集的到达时间数据生成叶片到达角度且基于所述叶片到达角度生成叶片振动位移。
所述的采集系统中，采集系统还包括用于存储叶片到达时间数据的数据缓存模块和用于将模拟信号转换成数字信号的定时信调模块，数字信号的定时信调模块连接所述计数器一端，所述数据缓存模块连接所述计数器另一端。
所述的采集系统中，采集系统还包括通讯接口，处理单元经由通讯接口连接所述数据缓冲模块。
所述的采集系统中，所述处理单元为上位机。
和现有技术相比，本发明可有效提升高精度叶端定时到达时间测量的效率及稳定性，便于数据后期分析处理。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的步骤示意图；
图2是根据本发明一个实施例的基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的流程示意图；
图3是根据本发明一个实施例的基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的传感器布置示意图；
图4是根据本发明一个实施例的基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的叶端定时信号示意图，其中，T为相邻两转速脉冲的时间间隔，te为叶片的期望到达时间，ta为叶片的实际到达时间；
图5是根据本发明一个实施例的基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的叶端定时数据采集流程示意图，其中虚线所框部分为叶端定时数据采集系统；
图6是根据本发明一个实施例的基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的计数器数值增长规律图；
图7是根据本发明一个实施例的基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的单个叶片的到达时间转换为位移后的时域图；
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图7更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的方法的步骤示意图，如图1所示，基于叶端定时的叶片到达时间测量方法包括以下步骤：
第一步骤S1中，确定叶片振动所需的位移分辨率Δl，基于所需的位移分辨率Δl得到叶端定时采集的定时分辨率Δt，其中，
Figure BDA0002381578850000041
R是转子半径，fmax为转子的最高转速，
第二步骤S2中，采集叶片到达时间数据，其中，当叶片对应的脉冲信号到来时，采集当前计数器数值，当转速脉冲到来时，记录当前计数器数值并清零计数器，
第三步骤S3中，将所采集的到达时间数据转化为叶片振动位移，其中，叶片到达角度为
Figure BDA0002381578850000051
其中，θij为第i个叶片相对于第j个传感器的到达角度，tij为第i个叶片相对于第j个传感器的到达时间，T为相邻两个转速脉冲的到达时间间隔，当叶片不存在振动时测得叶片的期望到达角度，当叶片发生振动时测得叶片的实际到达角度，叶片位移为：
Figure BDA0002381578850000052
其中，dij为第j个传感器采集到的第i个叶片的位移，
Figure BDA0002381578850000053
为第i个叶片相对于第j个传感器的实际到达角度，
Figure BDA0002381578850000054
为第i个叶片相对于第j个传感器的期望到达角度。
所述的方法的优选实施方式中，第二步骤S2中，通过高频温补型晶振产生高频时基信号以驱动计数器数值以高频增长。
所述的方法的优选实施方式中，第二步骤S2中，计数器数值增长一个单位所需要的时间短于所述定时分辨率Δt。
所述的方法的优选实施方式中，叶片为航空发动机压气机转子叶片。
所述的方法的优选实施方式中，航空发动机压气机转子的最高转速为24000RPM，压气机转子半径0.4m，叶片振动的位移分辨率Δl为10μm，定时分辨率为10ns。
所述的方法的优选实施方式中，计数器位数为32位，选取频率为100MHz的高频温补型晶振以满足10ns的定时分辨率。
为了进一步理解本发明，在一个实施例中，如图2所示，一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法包括以下步骤：
第一步骤S1中，根据航空发动机压气机叶片振动状态，提出对叶片振动的位移分辨率要求，并基于压气机转子运行参数，建立位移分辨率与定时分辨率之间的转化关系：
Figure BDA0002381578850000055
其中Δt为叶端定时采集系统的定时分辨率，Δl为叶片振动的位移分辨率，R是压气机转子半径，fmax为压气机转子的最高转速。在航空发动机压气机转子的最高转速和判断叶片振动状态所需要的位移分辨率已知的情况下，通过求解上述表达式，可以得到对叶端定时采集系统的定时分辨率要求；
第二步骤S2中，基于定时分辨率要求，分析了传统采样策略的不合理性.假定航空发动机压气机转子最高转速为24000RPM，即400Hz；压气机转子半径0.4m；叶片振动的位移分辨率要求为10μm；利用第一步骤中的公式计算可得，定时分辨率要求为10ns。在该采样间隔下，采用传统AD转换的采样策略会造成无法承受的数据存取代价以及存储空间消耗；
第三步骤S3中，通过分析叶端定时位移信号采集的特性，首先提出基于高频计数器的到达时间测量原理及硬件实现思路：通过高频温补型晶振(TCXO)产生高频时基信号，驱动计数器数值以高频增长，其数值增长1所需要的时间短于叶端定时数据采集系统的定时分辨率要求；在压气机转子叶片对应的脉冲信号到来时，记录当前计数器数值，在转速脉冲到来时，记录当前计数器数值并清零计数器。该到达时间测量原理及硬件实现思路有两大优点：1只在叶片脉冲或转速脉冲到来时采集，数据存取代价小，存储空间消耗少；2利用转速信号对计数器进行清零操作，使得各圈数据相互不产生影响，便于后续分析处理；
第四步骤S4中，将所采到达时间数据转化为叶片振动位移。假定叶片在低转速无激励状态下不存在振动，此时测得叶片的期望到达角度；在叶片高转速状态下或叶片受到激励时，叶片发生振动，此时测得叶片的实际到达角度。叶片到达角度计算公式如下：
Figure BDA0002381578850000061
其中θij为第i个叶片相对于第j个传感器的到达角度，tij为第i个叶片相对于第j个传感器的到达时间，T为相邻两个转速脉的到达时间间隔。按照下式得到叶片位移。
Figure BDA0002381578850000062
其中，dij为第j个传感器采集到的第i个叶片的位移，
Figure BDA0002381578850000071
为第i个叶片相对于第j个传感器的实际到达角度，
Figure BDA0002381578850000072
为第i个叶片相对于第j个传感器的期望到达角度。
本发明所述的方法的优选实施方式中，第一步骤中，根据航空发动机压气机叶片振动状态，提出对叶片振动的位移分辨率要求，并根据压气机转子运行参数将位移分辨率要求转化为对叶端定时采集系统的定时分辨率要求。
本发明所述的方法的优选实施方式中，第二步骤中，基于定时分辨率要求，分析了传统采样策略应用于叶端定时数据采集的不合理性：数据存取代价大，存储空间消耗多。
本发明所述的方法的优选实施方式中，第三步骤中，阐述了基于高频计数器的到达时间测量原理及硬件实现思路，并分析了其两大优点：1)数据存取代价小，存储空间消耗少；2)各圈数据相互不产生影响，便于后续分析处理。
本发明所述的方法的优选实施方式中，第四步骤中，假定叶片在低转速无激励状态下不发生振动，通过比较期望到达时间和实际到达时间求取叶片振动位移
为了进一步说明本发明的方法，图3是根据本发明一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的传感器布置示意图，如图3所示，通过将叶端定时传感器安装沿周向布置在机匣上，激光沿径向射向转子，当叶片经过叶端定时传感器时，反射光强突然增大又突然恢复原样，从而使得光电转换模块产生一个脉冲信号。转速脉冲的产生原理和叶片脉冲相似，其来源于转轴标记经过转速传感器时产生的光强变化。图4是根据本发明一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的叶端定时信号示意图，其中，T为相邻两转速脉冲的时间间隔，te为叶片的期望到达时间，ta为叶片的实际到达时间；结合转速脉冲间隔T，期望到达时间和实际到达时间可转化为期望到达角度和实际到达角度，综合转子半径信息，实现对位移的计算。图5是根据本发明一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的叶端定时数据采集流程示意图，其中虚线所框部分为叶端定时数据采集系统。图6是根据本发明一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的计数器数值增长规律图，从图中可以看出本方法采用的转速清零策略，每过一转计数器数值归零一次。图7是根据本发明一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的单个叶片的到达时间转换为位移后的时域图。如图所示，验证了本方法对叶端定时中叶片位移测量的有效性。
在本发明的一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的优选实施例中，第一步骤S1中：根据航空发动机压气机叶片振动状态，提出对叶片振动的位移分辨率要求，并基于压气机转子运行参数，建立位移分辨率与定时分辨率之间的转化关系：
Figure BDA0002381578850000081
在本发明的一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的优选实施例中，第二步骤S2中：通过假定航空发动机压气机转子最高转速为24000RPM；压气机转子半径0.4m；叶片振动的位移分辨率要求为10μm；利用第一步骤中的公式计算并取整后得到定时分辨率要求为10ns。
在本发明的一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的优选实施例中，第三步骤S3中：选取的高频温补型晶振频率为100MHz，满足10ns的定时分辨率，并选取32位计数器。
在本发明的一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的优选实施例中，第四步骤S4中：实验转频为100Hz，对叶片施加0.1Mpa的气体激励，传感器数目为5，传感器布置角度为：80°，110°，140°，170°，200°。
在一个实施例中，如图5所示为根据本发明一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的叶端定时数据采集流程示意图，其中包含了基于本发明所述原理的叶端定时数据采集系统，该数据采集系统与上位机和下位机衔接紧密，实现了叶端定时数据采集流程的完整性。图6是根据本发明一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的计数器数值增长规律图，在选取32位计数器的基础上，转频为100Hz时不存在计数器溢出现象，图7是根据本发明一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的单个叶片的到达时间转换为位移后的时域图，可以看出本发明所提及的测量原理和系统能够有效准确采集叶片到达时间，为叶片振动位移的计算提供前提。因此验证了本发明所提方法的正确性。
如图5所示，在一个实施例中，一种实施所述基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的采集系统包括，
叶端定时传感器，其布置于叶片的周向上，叶端定时传感器测量脉冲信号，转速传感器，其测量转速脉冲，
计数器，其采集叶片到达时间数据，所述计数器连接所述叶端定时传感器和转速传感器，当叶片对应的脉冲信号到来时，采集当前计数器数值，当转速脉冲到来时，记录当前计数器数值并清零计数器，
处理单元，其连接所述计数器，所述处理单元基于所采集的到达时间数据生成叶片到达角度且基于所述叶片到达角度生成叶片振动位移。
所述的采集系统的优选实施例中，采集系统还包括用于存储叶片到达时间数据的数据缓存模块和用于将模拟信号转换成数字信号的定时信调模块，数字信号的定时信调模块连接所述计数器一端，所述数据缓存模块连接所述计数器另一端。
所述的采集系统的优选实施例中，采集系统还包括通讯接口，处理单元经由通讯接口连接所述数据缓冲模块。
所述的采集系统的优选实施例中，所述处理单元为上位机。
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)

1.一种基于叶端定时的叶片到达时间测量方法，所述方法包括以下步骤：
第一步骤(S1)中，确定叶片振动所需的位移分辨率Δl，基于所需的位移分辨率Δl得到叶端定时采集的定时分辨率Δt，其中，
Figure FDA0002990322190000011
R是转子半径，fmax为转子的最高转速，
第二步骤(S2)中，采集叶片到达时间数据，其中，当叶片对应的脉冲信号到来时，采集当前计数器数值，当转速脉冲到来时，记录当前计数器数值并清零计数器，计数器数值增长一个单位所需要的时间短于所述定时分辨率Δt，
第三步骤(S3)中，将所采集的到达时间数据转化为叶片振动位移，其中，叶片到达角度为
Figure FDA0002990322190000012
其中，θij为第i个叶片相对于第j个传感器的到达角度，tij为第i个叶片相对于第j个传感器的到达时间，T为相邻两个转速脉冲的到达时间间隔，当叶片不存在振动时测得叶片的期望到达角度，当叶片发生振动时测得叶片的实际到达角度，叶片位移为：
Figure FDA0002990322190000013
其中，dij为第j个传感器采集到的第i个叶片的位移，
Figure FDA0002990322190000014
为第i个叶片相对于第j个传感器的实际到达角度，
Figure FDA0002990322190000015
为第i个叶片相对于第j个传感器的期望到达角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤(S2)中，通过高频温补型晶振产生高频时基信号以驱动计数器数值以高频增长。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，叶片为航空发动机压气机转子叶片。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，航空发动机压气机转子的最高转速fmax为24000RPM，转子半径R为0.4m，叶片振动所需的位移分辨率Δl为10μm，定时分辨率为10ns。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，计数器位数为32位，选取频率为100MHz的高频温补型晶振以满足10ns的定时分辨率。
6.一种实施如权利要求1-5任一项所述基于叶端定时的叶片到达时间测量方法的采集系统，其包括，
叶端定时传感器，其布置于叶片的周向上，叶端定时传感器测量脉冲信号，
转速传感器，其测量转速脉冲，
计数器，其采集叶片到达时间数据，所述计数器连接所述叶端定时传感器和转速传感器，当叶片对应的脉冲信号到来时，采集当前计数器数值，当转速脉冲到来时，记录当前计数器数值并清零计数器，
处理单元，其连接所述计数器，所述处理单元基于所采集的到达时间数据生成叶片到达角度且基于所述叶片到达角度生成叶片振动位移。
7.根据权利要求6所述的采集系统，其中，采集系统还包括用于存储叶片到达时间数据的数据缓存模块和用于将模拟信号转换成数字信号的定时信调模块，数字信号的定时信调模块连接所述计数器一端，所述数据缓存模块连接所述计数器另一端。
8.根据权利要求7所述的采集系统，其中，采集系统还包括通讯接口，处理单元经由通讯接口连接所述数据缓冲模块。
9.根据权利要求6所述的采集系统，其中，所述处理单元为上位机。
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