CN115114740B - 基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法与系统 - Google Patents

Abstract

公开了基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法与系统，方法中，转子叶片进行简谐振动并获得模态信息、振幅及节径；以转子叶片不振动作为理想到达时间基准，获取转子叶片实际到达时间；拟合实际叶端定时传感器产生的波形，基于脉冲持续时间和阈值确定实际模拟波形，在转子叶片实际到达时间上重构模拟波形；基于模拟波形获得脉冲波形；信号发生器将脉冲波形的数字脉冲信号转换成电压脉冲信号，导入到叶端定时硬件系统得到实际到达时间序列，实际到达时间序列与转子叶片实际到达时间对比，完成对叶端定时硬件系统的校核；基于实际到达时间序列获取转子叶片模态、节径和振幅，与转子叶片实际模态、节径和振幅对比，完成叶端定时软件系统的校核。

Description

基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法与系统

技术领域

本发明涉及旋转机械转子叶片非接触式测量技术领域，尤其涉及一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法与系统。

背景技术

旋转机械广泛应用于我们的工业生产之中，主要包括航空发动机、汽轮机、燃气轮机等，具有成本高、技术难点多的特点。在航空发动机故障分析调查中，叶片是影响发动机寿命和导致发动机机械失效的主要因素，据统计，由振动导致的故障和事故占航空发动机总故障的60％以上，其中叶片故障占振动故障的70％以上。传统的应变片(侵入式)测试方法虽然能够直观准确反映被测点的应变信息，但是其属于一种接触式测量，对安装、布线以及数据传输要求严苛，并且航空发动机叶片长期工作在高温、高压、高速、高负载环境下，应变片使用寿命难以保证，同时，该方法一个应变片只能测单个叶片，无法对整圈叶片进行有效测量。目前，非接触式测量方法受到越来越多的关注，该方法可以实现对整圈叶片进行测量，但是，真实旋转叶片振动信息仍然无法实现准确测量，并且传统应变片重构方法误差在20％左右，以及国内外各家叶端定时系统测试结果并不一致，所以难以对叶端定时软硬件系统进行校核，因此，本发明提供一种通过构造模拟脉冲波形的叶端定时系统校核方法，以提高叶片振动参数辨识的准确性。

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

针对现有技术中的不足，本发明的目的为既可以验证叶端定时硬件系统的准确性以及稳定性，也可以解决现有叶端定时软件系统校核中潜在的不确定测量问题，即能够实现对叶端定时软硬件系统的校核。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法包括：

第一步骤S1中，转子叶片进行简谐振动并获得模态信息、振幅及节径，基于所述模态信息确定转子叶片的振动频率、基于所述节径确定转子叶片的振动相位，再结合所述振幅确定各个转子叶片振动方程；

第二步骤S2中，根据叶端定时传感器安装角度，以转子叶片不振动时到达不同安装角度传感器的时间作为理想到达时间基准，以转子叶片振动偏移结合转速确定时间差序列，获取转子叶片振动时的实际到达时间序列；

第三步骤S3中，拟合实际叶端定时传感器测量产生的脉冲波形，通过所使用传感器测得实际波形中最小脉冲幅值的百分比，阈值取50％-95％，根据转子叶片叶厚、转速以及传感器测点半径确定脉冲持续时间，并与所述阈值对应的实际脉冲波形进行对比确定缩放比例，获得模拟脉冲波形，并在对应的实际到达时间上实现模拟波形重构；

第四步骤S4中，转子叶片的轴向振动以调幅的形式作用于实际脉冲波形，通过对无轴向振动脉冲信号调幅获得脉冲波形的数字信号；

第五步骤S5中，通过信号发生器将所述数字脉冲信号转换成电压脉冲信号，再导入到叶端定时硬件系统处理模块进行处理，其中，通过滤波器将信号轴向振动以及噪声滤除，然后通过比较器进行处理从而获取晶体管-晶体管逻辑电平信号，再通过计数器得到到达时间序列，与所述实际到达时间序列进行对比计算出时间误差，判定标准为5％的误差，完成对叶端定时硬件系统处理模块的校核；

第六步骤S6中，基于所述实际到达时间序列导入叶端定时软件系统计算模块进行分析，通过转子叶片振动位移计算以及转子叶片参数辨识，获取转子叶片模态、节径和振幅，与第一步骤获得的模态信息、振幅及节径进行对比计算误差，模态频率误差判定范围为0-5％，振幅误差判定范围为0-20％，完成对叶端定时软件系统计算模块的校核。

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第一步骤S1中，获取转子叶片在给定工况下的模态f、节径ND和振幅A，假设转子叶片振动满足简谐振动，获得第i号叶片的振动方程其中f_i为第i个叶片的模态，/>为第i个叶片的振动相位，应满足/>其中/>为叶片振动初始相位，N_b为转子叶片总数。

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第二步骤S2中，以叶片无振动条件下第i号叶片到达第j号传感器θ_j的时间作为理想到达时间其中n为转子转速即可得到/>其中N_s为传感器安装总数，结合该时间下i号叶片理论振动/>计算出该叶片的理论振动偏移量/>再除以该时间对应测点的线速度得到无振动理想到达时间与实际到达时间的差值/>其中R为叶端定时传感器测点半径，得到时间差序列/>将理想到达时间加上时间差便可以实际到达时间/>

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第三步骤S3中，拟合实际叶端定时传感器所产生的脉冲波形获得其函数曲线y′_pulse＝f(t)，通过所使用传感器测得实际波形中最小脉冲幅值A_{pulse_min}的百分比λ，取50％-95％的阈值A_threshold＝λA_{pulse_min}，并通过所述阈值A_threshold与实际到达时间点的一一对应关系确定曲线上升沿和下降沿阈值点位置处时间t_1，2，通过计算单个叶片经过传感器所需时间其中δ_b为叶片厚度，f_r为转子转频，R为测点转动半径，根据Δt′以及阈值选取确定拟合波形缩放比例/>按照波形缩放比例k缩放拟合函数曲线确定模拟脉冲波形y″_pulse＝y′_pulse(kt)＝f(kt)，在转子叶片实际到达时间点重构模拟脉冲信号得到无轴向振动条件下的模拟脉冲信号y_pulse。

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第四步骤S4中，转子叶片的轴向振动其中A₀为轴向振动恒定偏移量，A_a为轴向振动振幅，f_a为轴向振动频率，/>为轴向振动初始相位，基于轴向振动的模拟脉冲信号y′_analog＝y_a·y_pulse，再添加噪声得到最终的模拟脉冲信号y_analog＝y_analog+y_noise。

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第五步骤S5中，通过信号发生器将模拟的数字脉冲信号转换成电压脉冲信号y_elect，再导入到叶端定时硬件系统处理模块进行处理，通过滤波器将信号轴向振动以及噪声滤除，然后通过比较器进行处理从而获取晶体管-晶体管逻辑电平信号，再导入计数器得到到达时间序列t_calc，与所述实际到达时间序列t_real进行对比计算出时间误差判定标准为5％的误差，完成对叶端定时硬件系统处理模块的校核。

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第六步骤S6中，将所述到达时间序列t_calc导入叶端定时软件系统计算模块进行分析，通过转子叶片振动位移计算获得传感器所测得的叶片振动数据，再通过转子叶片参数辨识方法获取叶片模态f_calc、节径ND_calc和振幅A_calc，与实际的模态f、节径ND和振幅A进行对比计算误差，模态频率误差判定范围为0-5％，振幅误差判定范围为0-20％，完成对叶端定时软件系统计算模块的校核。

一种实施所述方法的非接触式测量的校核方法的系统包括；

到达时间计算模块，其包括基于转子叶片的数目、振动频率、节径、振幅以及传感器数目、安装位置以计算理想达到时间的理想到达时间计算模块、基于理想到达时间对应的叶片振动偏移结合转子转速以计算时间差/>的时间差计算模块和基于理想到达时间与时间差以计算实际到达时间t_real＝t_ideal+Δt_i的转子叶片实际到达时间计算模块；

波形拟合与重构模块，其包括基于叶端定时传感器测量的波形拟合模块、基于阈值和波形持续时间确定模拟波形函数的缩放模块、在对应实际到达时间处进行模拟波形重构的重构模块和基于轴向振动以及噪声获得模拟信号的调制模块；

硬件系统处理模块，其连接所述波形拟合与重构模块，硬件系统处理模块包括滤除信号低频轴向振动和噪声的滤波器、将模拟电压信号转换为晶体管-晶体管逻辑电平信号的比较器和将晶体管-晶体管逻辑电平信号转换为数字信号的计数器；

软件系统计算模块，其连接所述硬件系统处理模块，其包括基于计数器数值以及计数器机械周期将计数值转化为时间值的将数字信号转为实际到达时间序列的预处理模块、将实际到达时间序列转换为振动信号的转子叶片振动位移计算模块，以及实现辨识叶片振动参数的转子叶片参数辨识模块；

软硬件系统校核模块，其连接所述硬件系统处理模块和软件系统计算模块，其包括将硬件系统处理模块得到的数字信号与实际到达时间序列进行对比的硬件校核模块以及计算得到叶片振动参数与实际叶片振动参数进行对比的软件校核模块。

在上述技术方案中，本发明提供的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法与系统，具有以下有益效果：本发明通过设定转子叶片基本参数确定叶片的振动方程，设定叶端定时传感器的布局确定叶片无振动理想到达时间序列，根据各叶片的振动方程获取对应时间上的叶片振动偏移量，根据测点信息计算获得叶片振动所产生的时间差序列，利用叶端定时基本原理计算出叶片实际到达时间序列，再通过拟合实际传感器测量波形，根据阈值与实际到达时间以及叶片经过传感器时间确定模拟波形，并考虑轴向振动以及噪声获得最终的传感器模拟信号，再利用信号发生器将传模拟得到的数字信号转换为电压信号，经过叶端定时硬件处理系统，即通过滤波器滤除叶片轴向振动以及噪声成分，比较器获得标准的晶体管-晶体管逻辑电平信号，计数器获得数字信号，然后与实际到达时间序列进行对比，完成对硬件系统的校核，最后将硬件处理系统得到的数字信号导入到叶端定时软件系统进行参数辨识，并与实际设置参数进行对比，最终完成叶端定时软件系统的校验，提高了叶端定时软硬件系统的准确性，对转子叶片非接触式测量系统的应用具有重要意义。本发明提供的叶端定时软硬件校核方法简单思路清晰，能有效的对该系统进行校核，提高其准确性，该系统流程操作简便，易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

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为本发明一个实施例提供的基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的实施所述的基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法的系统的结构示意图；

图3(a)、图3(b)为本发明一个实施例提供的叶端定时模拟信号拟合与缩放结果图，其中图3(a)是拟合实际传感器测量脉冲波形所得到的拟合结果图，图3(b)是将拟合结果图根据叶片经过传感器时间进行缩放后的结果示意图；

图4(a)至图4(c)是叶端定时模拟器模拟波形信号图，其中图4(a)是不考虑轴向振动以及噪声的模拟脉冲信号图，图4(b)是考虑轴向振动不考虑噪声的模拟脉冲信号图，图4(c)是同时考虑轴向振动和噪声的模拟脉冲信号图；

图5(a)、图5(b)是叶端定时系统硬件处理结果图，其中图5(a)是将模拟器模拟脉冲信号滤波后的结果图，图5(b)是通过比较器将模拟器模拟信号转换位晶体管-晶体管逻辑电平信号后的结果图；

图6是通过叶端定时软件系统频率辨识结果图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进-步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法包括，

第一步骤S1中，转子叶片进行简谐振动并获得模态信息、振幅及节径，基于所述模态信息确定转子叶片的振动频率、节径确定转子叶片的振动相位，再结合其振幅确定各个转子叶片振动方程；

第二步骤S2中，根据叶端定时传感器安装角度，以转子叶片不振动时到达不同安装角度传感器的时间作为理想到达时间基准，以转子叶片振动偏移结合转速确定时间差序列，获取转子叶片振动时的实际到达时间序列；

第三步骤S3中，拟合实际叶端定时传感器测量产生的脉冲波形，通过所使用传感器测得实际波形中最小脉冲幅值的百分比，取50％-95％确定合适的阈值，根据转子叶片叶厚、转速以及传感器测点半径确定脉冲持续时间，并与该阈值对应的实际脉冲波形进行对比确定缩放比例，获得模拟脉冲波形，并在对应的实际到达时间上实现模拟波形重构；

第四步骤S4中，转子叶片的轴向振动以调幅的形式作用于实际脉冲波形，通过对上述无轴向振动脉冲信号调幅获得脉冲波形的数字信号；

第五步骤S5中，通过信号发生器将上述模拟的数字脉冲信号转换成电压脉冲信号，再导入到叶端定时硬件系统处理模块进行处理，即通过滤波器将信号轴向振动以及噪声滤除，然后通过比较器进行处理从而获取晶体管-晶体管逻辑电平信号，再通过计数器得到到达时间序列，与所述实际到达时间序列进行对比计算出时间误差，判定标准为5％的误差，完成对叶端定时硬件系统处理模块的校核；

第六步骤S6中，基于所述实际到达时间序列导入叶端定时软件系统计算模块进行分析，通过转子叶片振动位移计算以及转子叶片参数辨识，获取转子叶片模态、节径和振幅等信息，与实际参数信息进行对比计算误差，模态频率误差判定范围为0-5％，振幅误差判定范围为0-20％，完成对叶端定时软件系统计算模块的校核。

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第一步骤S1中，获取转子叶片在给定工况下的模态f、节径ND和振幅A，假设转子叶片振动满足简谐振动，则可以获得第i号叶片的振动方程其中f_i为第i个叶片的模态，/>为第l个叶片的振动相位，应满足/>其中/>为叶片振动初始相位，N_b为转子叶片总数；

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第二步骤S2中，以叶片无振动条件下第i号叶片到达第j号传感器θ_j的时间作为理想到达时间其中n为转子转速即可得到/>其中N_s为传感器安装总数，结合该时间下i号叶片理论振动/>即可计算出该叶片的理论振动偏移量/>再除以该时刻对应测点的线速度得到无振动理想到达时间与实际到达时间的差值/>其中R为叶端定时传感器测点半径，即得到时间差序列/>将理想到达时间加上时间差便可以实际到达时间/>

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第三步骤S3中，拟合实际叶端定时传感器所产生的脉冲波形获得其函数曲线y′_pulse＝f(t)，通过所使用传感器测得实际波形中最小脉冲幅值A_{pulse_min}的百分比λ，取50％-95％确定合适的阈值A_threshold＝λA_{pulse_min}，并通过该阈值A_threshold与实际到达时间点的一一对应关系确定曲线上升沿和下降沿阈值点位置处时间t_1，2，通过计算单个叶片经过传感器所需时间其中δ_b为叶片厚度，f_r为转子转频，R为测点转动半径，根据Δt′以及阈值选取确定拟合波形缩放比例/>按照波形缩放比例k缩放拟合函数曲线确定模拟脉冲波形y″_pulse＝y′_pulse(kt)＝f(kt)，在转子叶片实际到达时间点重构模拟脉冲信号得到无轴向振动条件下的模拟脉冲信号y_pulse。

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第四步骤S4中，转子叶片的轴向振动其中A₀为轴向振动恒定偏移量，A_a为轴向振动振幅，f_a为轴向振动频率，/>为轴向振动初始相位，基于轴向振动的模拟脉冲信号y′_analog＝y_a·y_pulse，再添加噪声得到最终的模拟脉冲信号y_analog＝y′_analog+y_noise。

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第五步骤S5中，通过信号发生器将上述模拟的数字脉冲信号转换成电压脉冲信号y_elect，再导入到叶端定时硬件系统处理模块进行处理，通过滤波器将信号轴向振动以及噪声滤除，然后通过比较器进行处理从而获取晶体管-晶体管逻辑电平信号，再导入计数器得到到达时间序列t_calc，与所述实际到达时间序列t_real进行对比计算出时间误差判定标准为5％的误差，完成对叶端定时硬件系统处理模块的校核；

所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法中，第六步骤S6中，将所述到达时间序列t_calc导入叶端定时软件系统计算模块进行分析，通过转子叶片振动位移计算获得传感器所测得的叶片振动数据，再通过转子叶片参数辨识方法获取叶片模态f_calc、节径ND_calc和振幅A_calc，与实际的模态f、节径ND和振幅A进行对比计算误差，模态频率误差判定范围为0-5％，振幅误差判定范围为0-20％，完成对叶端定时软件系统计算模块的校核。

本发明方法中，假设转子叶片振动满足简谐振动，利用其模态信息确定叶片振动频率，利用其节径确定各叶片相位，再通过其振幅确定各个叶片振动方程；根据叶端定时原理以及传感器安装角度，以旋转叶片不振动作为理想到达时间基准，结合叶片简谐振动计算得到的时间差得到叶片实际到达时间；通过拟合实际叶端定时传感器产生波形，考虑叶片经过时间和阈值选取确定模拟波形，在对应的实际到达时间上实现模拟波形重构；考虑转子叶片存在的低频轴向振动会以调幅的形式作用于模拟波形以及噪声的影响，计算得到更加接近实际的脉冲波形；通过信号发生器将数字信号转换成电压信号，并导入叶端定时硬件处理系统，通过滤波器将叶片轴向振动以及噪声滤除，通过比较器获取晶体管-晶体管逻辑电平信号，通过计数器实现信号定时，并于实际到达时间序列对比，完成硬件系统校核；最后导入叶端定时软件系统进行分析，获取叶片模态、节径和振幅等信息，并与实际数值进行对比，完成对软件系统的校核。

波形拟合与重构模块，其包括基于叶端定时传感器测量的波形拟合模块，即根据波形的特征选用合适的拟合方法，例如，选用最小二乘多项式拟合方法拟合其波形曲线；以及基于阈值和波形持续时间确定模拟波形函数的缩放模块，即通过阈值与实际到达时间点的一一对应关系确定函数曲线上升沿阈值点位置，通过计算单个转子叶片经过传感器所需时间以及阈值确定拟合波形缩放比例k；以及在对应实际到达时间处进行模拟波形重构的重构模块，基于轴向振动以及噪声获得模拟信号的调制模块，即转子叶片的轴向振动基于轴向振动的模拟脉冲信号y′_analog＝y_a·y_pulse，再添加噪声得到最终的模拟脉冲信号y_analog＝y′_analog+y_noise；

硬件系统处理模块，其连接所述波形拟合与重构模块，硬件系统处理模块包括滤除信号低频轴向振动和噪声的滤波器、将模拟电压信号转换为晶体管-晶体管逻辑电平信号的比较器和将晶体管-晶体管逻辑电平信号转换为数字信号的计数器；

软件系统计算模块，其连接所述硬件系统处理模块，包含软件系统计算模块将数字信号转为实际到达时间序列的预处理模块，即基于计数器数值以及计数器机械周期将计数值转化为时间值；以及将其转换为振动信号的转子叶片振动位移计算模块，即将实际到达时间序列与理想到达时间序列相减得到时间差序列，基于传感器测点半径以及转子转速得到叶片振动位移；以及实现辨识叶片振动参数的转子叶片参数辨识模块，采用叶端定时参数辨识方法辨识转子叶片振动参数，如周向傅里叶方法、单自由度法、正交匹配追踪方法等；

软硬件系统校核模块，其连接所述硬件系统处理模块和软件系统计算模块，其包括硬件校核模块，将硬件系统处理模块得到的数字信号与实际到达时间序列进行对比，按照相关指标进行系统校核；以及软件校核模块，将软件系统计算模块计算得到叶片振动参数与实际叶片振动参数进行对比，按照相关指标进行系统校核。

进一步理解本发明，下面结合附图1至图6及具体实施例对本发明作进一步描述，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而本发明的应用对象不局限下述示例。

图1是本发明一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法的流程图，通过设定转子叶片基本参数确定叶片的振动方程，设定叶端定时传感器的布局确定叶片无振动理想到达时间序列，根据各叶片的振动方程获取对应时间上的叶片振动偏移量，根据测点信息计算获得叶片振动所产生的时间差序列，利用叶端定时基本原理计算出叶片实际到达时间序列，再通过拟合实际传感器测量波形，根据阈值与实际到达时间以及叶片经过传感器时间确定模拟波形，再利用信号发生器将传模拟得到的数字信号转换为电压信号，经过叶端定时硬件处理系统，即通过滤波器滤除叶片轴向振动以及噪声成分，比较器获得标准的晶体管-晶体管逻辑电平信号，计数器获得数字信号，然后与实际到达时间序列进行对比，完成对硬件系统的校核，最后将硬件处理系统得到的数字信号导入到叶端定时软件系统进行参数辨识，并与实际设置参数进行对比，最终完成叶端定时软件系统的校验，提高了叶端定时软硬件系统的准确性。图2是一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法的系统的结构示意图。方法具体步骤如下：

1)利用分析软件确定转子叶片在给定工况下的信息，假设如下：模态f＝80Hz、节径ND＝1和振幅A＝5mm，假设转子叶片振动满足简谐振动，则可以获得第i号叶片的振动方程其中/>为叶片振动相位，应满足/>其中N_b＝8为转子叶片总数，则第i号叶片的振动方程可以表示成/>

2)假设传感器安装角度θ＝[23，56，78，123，234]以叶片无振动条件下第1号叶片到达每个传感器的时间作为理想到达时间t_ideal＝[1.277778 3.111111 4.3333336.833333 13.000000]×10-³，以此时该叶片理论振动幅值除以该时刻对应的转速n＝3000RPM作为时间差Δt＝[0.025783 0.032883 0.015055 -0.032005 0.033632]×10^-3，将理想到达时间加上时间差便可以实际到达时间t_real＝t_ideal+Δt＝[1.298996 3.1464784.362409 6.823167 13.008797]×10^-3。

3)通过拟合真实脉冲波形获得其函数曲线，假设为高斯函数见图3(a)，并考虑为上升沿触发，通过所使用传感器测得实际波形中最小脉冲幅值A_{pulse_min}＝11的百分比λ＝90.91％确定合适的阈值Y₀＝λA_{pulse_min}＝0.9091*11＝10，并通过该阈值Y₀与实际到达时间点的对应关系确定曲线上升沿和下降沿阈值点位置/>通过计算单个叶片经过传感器所需时间，简化为/>δ_b为叶片厚度δ_b＝10mm，f_r为转子转频f_r＝50RPM，R为测点转动半径R＝450mm，根据Δt′以及阈值选取确定拟合波形缩放比例/>从而按照比例将拟合曲线缩放确定模拟脉冲波形/>见图3(b)，在实际到达时间点重构模拟脉冲信号，从而确定无轴向振动条件下的模拟脉冲信号y_pulse，见图4(a)。

4)假设转子存在低频f_a＝5Hz的轴向振动y_a＝1+0.2×sin(10πt)，轴向振动对周向传感器测得信号起到调幅作用，所以可以得到考虑轴向振动的模拟脉冲信号y′_analog＝y_a·y_pulse＝(1+0.2×sin(10πt))·y_pulse，见图4(b)，最后在添加噪声得到最终的模拟脉冲信号y_analog＝y′_analog+y_noise＝(1+0.2×sin(10πt))·y_pulse+y_noise，见图4(c)。

5)利用信号发生器将模拟的数字信号转换成电压信号，导入叶端定时硬件处理系统，即利用滤波器将信号低频调幅成分和噪声成分滤除，结果见图5(a)，选取阈值h₀＝Y₀＝10，利用比较器将信号转化为晶体管-晶体管逻辑电平信号，结果见图5(b)，利用计数器获得到达时间序列t_calc＝[1.301013 3.147137 4.364097 6.825914 13.009698]×10^-3，并与实际到达时间序列t_real进行对比，计算得到两者之间时间差产生的振幅偏差为，误差满足5％的要求，即可校验该硬件处理系统是符合要求的。

6)最后将硬件处理系统得到的到达时间序列导入到叶端定时软件系统，通过参数辨识方法处理，可以辨识出振幅A_calc＝4.821109mm，与真实叶片振动幅值对比误差为A_error＝3.57782％，满足10％的幅值误差要求，频率结果如图6所示，可知观测频率f_calc＝129.7Hz以及节径ND＝1，根据节径和固有频率与观测频率f_calc的关系可以计算得出叶片的固有频率与真实叶片振动频率对比误差为0.375％，满足5％误差要求，即可校验该软件计算系统符合要求。

最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请-部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法，其特征在于，其包括以下步骤：

第一步骤S1中，转子叶片进行简谐振动并获得模态信息、振幅及节径，基于所述模态信息确定转子叶片的振动频率、基于所述节径确定转子叶片的振动相位，再结合所述振幅确定各个转子叶片振动方程；

第二步骤S2中，根据叶端定时传感器安装角度，以转子叶片不振动时到达不同安装角度传感器的时间作为理想到达时间基准，以转子叶片振动偏移结合转速确定时间差序列，获取转子叶片振动时的实际到达时间序列；

第三步骤S3中，拟合实际叶端定时传感器测量产生的脉冲波形，通过所使用传感器测得实际波形中最小脉冲幅值的百分比，阈值取50％-95％，根据转子叶片叶厚、转速以及传感器测点半径确定脉冲持续时间，并与所述阈值对应的实际脉冲波形进行对比确定缩放比例，获得模拟脉冲波形，并在对应的实际到达时间上实现模拟波形重构；

第四步骤S4中，转子叶片的轴向振动以调幅的形式作用于实际脉冲波形，通过对无轴向振动脉冲信号调幅获得脉冲波形的数字信号；

第五步骤S5中，通过信号发生器将所述数字脉冲信号转换成电压脉冲信号，再导入到硬件系统处理模块进行处理，其中，通过滤波器将信号轴向振动以及噪声滤除，然后通过比较器进行处理从而获取晶体管-晶体管逻辑电平信号，再通过计数器得到到达时间序列，与所述实际到达时间序列进行对比计算出时间误差，判定标准为5％的误差，完成对叶端定时硬件系统处理模块的校核；

第六步骤S6中，基于所述实际到达时间序列导入叶端定时软件系统计算模块进行分析，通过转子叶片振动位移计算以及转子叶片参数辨识，获取转子叶片模态、节径和振幅，与第一步骤获得的模态信息、振幅及节径进行对比计算误差，模态频率误差判定范围为0-5％，振幅误差判定范围为0-20％，完成对叶端定时软件系统计算模块的校核。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法，其特征在于，优选的，第一步骤S1中，获取转子叶片在给定工况下的模态f、节径ND和振幅A，假设转子叶片振动满足简谐振动，获得第i号叶片的振动方程其中f_i为第i个叶片的模态，/>为第i个叶片的振动相位，应满足/>其中/>为叶片振动初始相位，N_b为转子叶片总数。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法，其特征在于，第二步骤S2中，以叶片无振动条件下第i号叶片到达第j号传感器θ_j的时间作为理想到达时间其中n为转子转速，即可得到/>其中N_s为传感器安装总数，结合该时间下i号叶片理论振动/>计算出该叶片的理论振动偏移量/>再除以该时间对应测点的线速度得到无振动理想到达时间与实际到达时间的差值/>其中R为叶端定时传感器测点半径，得到时间差序列/>将理想到达时间加上时间差便可以实际到达时间/>

4.根据权利要求3所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法，其特征在于，第三步骤S3中，拟合实际叶端定时传感器所产生的脉冲波形获得其函数曲线y′_pulse＝f(t)，通过所使用传感器测得实际波形中最小脉冲幅值A_{pulse_min}的百分比λ，取50％-95％的阈值A_threshold＝λA_{pulse_min}，并通过所述阈值A_threshold与实际到达时间点的一一对应关系确定曲线上升沿和下降沿阈值点位置处时间t_1，2，通过计算单个叶片经过传感器所需时间其中δ_b为叶片厚度，f_r为转子转频，R为测点转动半径，根据Δt′以及阈值选取确定拟合波形缩放比例/>按照波形缩放比例k缩放拟合函数曲线确定模拟脉冲波形y″_pulse＝y′_pulse(kt)＝f(kt)，在所述转子叶片实际到达时间点重构模拟脉冲信号得到无轴向振动条件下的模拟脉冲信号y_pulse。

5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法，其特征在于，第四步骤S4中，转子叶片的轴向振动其中A₀为轴向振动恒定偏移量，A_a为轴向振动振幅，f_a为轴向振动频率，/>为轴向振动初始相位，基于轴向振动的模拟脉冲信号y′_analog＝y_a·y_pulse，再添加噪声得到最终的模拟脉冲信号y_analog＝y′_analog+y_noise。

6.根据权利要求1所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法，其特征在于，第五步骤S5中，通过信号发生器将模拟数字脉冲信号转换成电压脉冲信号y_elect，再导入到硬件系统处理模块进行处理，通过滤波器将信号轴向振动以及噪声滤除，然后通过比较器进行处理从而获取晶体管-晶体管逻辑电平信号，再导入计数器得到到达时间序列t_calc，与所述实际到达时间序列t_real进行对比计算出时间误差判定标准为5％的误差，完成对叶端定时硬件系统处理模块的校核。

7.根据权利要求6所述的一种基于脉冲序列生成的非接触式测量的校核方法，其特征在于，第六步骤S6中，将所述到达时间序列t_calc导入叶端定时软件系统计算模块进行分析，通过转子叶片振动位移计算获得传感器所测得的叶片振动数据，再通过转子叶片参数辨识方法获取叶片模态f_calc、节径ND_calc和振幅A_calc，与实际的模态f、节径ND和振幅A进行对比计算误差，模态频率误差判定范围为0-5％，振幅误差判定范围为0-20％，完成对叶端定时软件系统计算模块的校核。

8.一种实施权利要求1-7中任一项所述方法的非接触式测量的校核方法的系统，其特征在于，其包括，

到达时间计算模块，其包括基于转子叶片的数目、振动频率、节径、振幅以及传感器数目、安装位置以计算理想达到时间的理想到达时间计算模块、基于理想到达时间对应的叶片振动偏移结合转子转速以计算时间差/>的时间差计算模块和基于理想到达时间与时间差以计算实际到达时间t_real＝t_ideal+Δt_i的转子叶片实际到达时间计算模块；

波形拟合与重构模块，其包括基于叶端定时传感器测量的波形拟合模块、基于阈值和波形持续时间确定模拟波形函数的缩放模块、在对应实际到达时间处进行模拟波形重构的重构模块和基于轴向振动以及噪声获得模拟信号的调制模块；

硬件系统处理模块，其连接所述波形拟合与重构模块，硬件系统处理模块包括滤除信号低频轴向振动和噪声的滤波器、将模拟电压信号转换为晶体管-晶体管逻辑电平信号的比较器和将晶体管-晶体管逻辑电平信号转换为数字信号的计数器；

软件系统计算模块，其连接所述硬件系统处理模块，其包括基于计数器数值以及计数器机械周期将计数值转化为时间值的将数字信号转为实际到达时间序列的预处理模块、将实际到达时间序列转换为振动信号的转子叶片振动位移计算模块，以及实现辨识叶片振动参数的转子叶片参数辨识模块；

软硬件系统校核模块，其连接所述硬件系统处理模块和软件系统计算模块，其包括将硬件系统处理模块得到的数字信号与实际到达时间序列进行对比的硬件校核模块以及计算得到叶片振动参数与实际叶片振动参数进行对比的软件校核模块。