CN115290180A - 一种光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置及方法，装置包括光纤式叶尖定时传感器、信号调理模块、信号产生模块、光纤带宽测试模块、信号显示模块、电源模块、计算机；光纤带宽测试模块通过连接线与电源模块、信号产生模块、光纤式叶尖定时传感器的发射光纤、信号显示模块的通道A相连，产生光强调制信号耦合至发射光纤，信号显示模块的通道A测量光纤带宽测试模块的输出信号；光纤式叶尖定时传感器的探头端面前方放置有反射体；光纤式叶尖定时传感器的接收光纤与信号调理模块相连，信号调理模块将接收的反射光光强信号转化为电压信号；信号调理模块与信号显示模块的通道B相连，信号显示模块通道B测量信号调理模块输出信号。
Description
技术领域
本发明属于传感器性能测试领域，特别涉及一种光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置及方法。
背景技术
旋转叶片作为航空发动机、汽轮机、燃气轮机、烟气轮机、鼓风机等重大装备的核心做功元件，工作在高温、高速、高动应变、复杂介质等极端条件下，其工作状态直接决定装备运行安全和效率。目前叶片状态参数监测是预防叶片故障的最有效手段，但传统方法只能通过机匣、轴系振动间接检测叶片状态，难以实现旋转叶片状态参数的直接精确测量及整机条件下的全级叶片测量，更难以做到旋转叶片故障的快速、准确诊断。近年来，基于叶尖定时的叶片状态状态参数监测方法因其低介入、非接触、能实现旋转叶片状态参数的在线直接测量的优势，已成为旋转机械测试技术的研究热点。基于叶尖定时的叶片状态参数监测技术正在成为航空发动机、汽轮机等试验的标配，受到了欧美国家及我国的高度重视和大力发展。
根据叶尖定时传感器测量原理，叶尖扫过安装在机匣上的叶尖定时传感器时，传感器记录叶尖定时信号波形，通过时刻鉴别获取叶片到达时刻。然而，随着旋转叶片叶尖线速度增加，对传感器响应带宽提出了更高要求。传感器3dB带宽可由上升时间根据下式估计：fb≈0.35/τr。当叶尖线速度达到1000m/s时，在叶尖厚度1mm的情况下上升时间约为τr≈0.5ns，传感器3dB带宽需满足fb≥0.7MHz。在常用的光纤式、电容式、电涡流式、微波式叶尖定时传感器中，光纤式传感器能达到较高带宽，因此在叶尖定时领域取得广泛应用。然而，由于机械式模拟旋转实验台难以达到实际大型旋转机械转速频率，直接利用模拟转台难以测试光纤式叶尖定时传感器带宽。另外，旋转叶片在高速运行时存在振动，会对传感器带宽的定量测试产生影响。针对光纤式叶尖定时传感器，当前未有带宽的定量测试方法。研制一种频率可调、光强调制稳定的光纤带宽测试模块，模拟光纤式叶尖定时传感器发射光强变化，替代被测对象光源，实现对光纤式叶尖定时传感器带宽的测试，获取光纤式叶尖定时传感器带宽范围，是目前亟需解决的问题。
因此，研究光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置及方法，能够对传感器性能进行评判，满足不同旋转机械的应用需求，进一步指导光纤式叶尖定时传感器结构的设计与改进，具有突出的科学价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了弥补当前缺乏光纤式叶尖定时传感器测试方法的不足，提出一种光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置及方法。利用光纤带宽测试模块产生光强调制信号，通过信号产生模块改变光强调制频率，利用信号显示模块检测光纤式叶尖定时传感器在不同频率的响应，实现光纤式叶尖定时传感器的带宽测试。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置，包括光纤式叶尖定时传感器、信号调理模块、信号产生模块、光纤带宽测试模块、信号显示模块、电源模块、计算机；
光纤带宽测试模块通过连接线与电源模块、信号产生模块和信号显示模块的通道A相连，信号显示模块的通道A测量光纤带宽测试模块的输出信号；
光纤带宽测试模块与光纤式叶尖定时传感器的发射光纤相连，光纤带宽测试模块产生光强调制信号耦合至发射光纤；
光纤式叶尖定时传感器的探头端面前方放置有反射体；光纤式叶尖定时传感器的接收光纤与信号调理模块相连，信号调理模块将接收的反射光光强信号转化为电压信号；
信号调理模块与信号显示模块的通道B相连，信号显示模块通道B测量信号调理模块输出信号；
计算机用于记录数据。
进一步的，所述光纤带宽测试模块由半导体激光驱动器和半导体激光器组成，所述半导体激光驱动器上设有信号输入接口、测试输出接口和电源输入接口，所述光纤带宽测试模块通过所述信号输入接口与信号产生模块连接，通过测试输出接口与信号显示模块连接，通过电源输入接口与电源模块连接。
进一步的，所述半导体激光器与光纤式叶尖定时传感器的发射光纤连接，半导体激光器上设置有FC接口、ST接口、SC接口、LC接口、PC接口、APC接口其中的一种或几种。
进一步的，所述光纤带宽测试模块根据信号产生模块输入信号，通过电源模块驱动功率放大芯片和电路实现功率放大，对光纤带宽测试模块内的半导体激光器产生的光强进行幅度调制，并驱动半导体激光器工作；光纤带宽测试模块带宽大于光纤式叶尖定时传感器带宽。
进一步的，光纤式叶尖定时传感器内通过Y型连接器将接收光纤和发射光纤聚合为光纤束；反射体位于光纤式叶尖定时传感器的光纤束探头端面的量程范围内，光纤束探头端面正对反射体的反射面，光纤束和反射体分别通过叶尖定时传感器工装夹具和反射体工装夹具夹持，保证带宽测试过程中夹持稳定。
本发明还提供一种基于所述光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置进行带宽测试的方法，利用光纤带宽测试模块产生的光强调制信号，通过改变光强调制频率，检测光纤式叶尖定时传感器在不同频率的响应，具体如下：
S1.搭建光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置；
S2.开启信号调理模块、光纤带宽测试模块，调整信号调理模块增益参数为1倍；
S3.开启电源模块、信号产生模块和信号显示模块；调整信号产生模块峰峰值，观察信号显示模块的通道B，保证信号显示模块的通道B信号不饱和；
S4.设置信号产生模块输出波形为正弦波，从0开始增大信号产生模块输出频率，观察信号显示模块通道A和通道B信号波形；记录信号幅值最大时信号产生模块对应的输出频率为光纤式叶尖定时传感器中心频率fc，记录此时信号显示模块通道B的峰峰值A；
S5.减小信号产生模块输出频率，观察信号显示模块通道B峰峰值，记录信号显示模块通道B峰峰值下降为0.707A时的频率为光纤式叶尖定时传感器带宽下限值f1；
S6.将信号产生模块输出频率调回fc，增大信号产生模块输出频率，观察信号显示模块通道B峰峰值，记录信号显示模块通道B峰峰值下降为0.707A时的频率为光纤式叶尖定时传感器带宽上限值f2；
S7.根据步骤S5和步骤S6获取的带宽下限值和上限值，得到光纤式叶尖定时传感器的带宽范围为[f1,f2]，计算带宽值fb＝f2-f1。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)通过本发明装置和方法，能有效获取光纤式叶尖定时传感器带宽，克服了利用机械式模拟转台难以测试光纤式叶尖定时传感器带宽的限制，解决了目前无有效光纤式叶尖定时传感器带宽测试的问题。
(2)通过本发明提供的光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置和方法，可有效提高对光纤式叶尖定时传感器工作性能的评估能力，实现在现场使用环境下的实时测试。
(3)本发明的光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置结构简单，测试方法步骤简洁。光纤带宽测试模块规格小，大大降低了测试难度，仅使用以信号发生器为例的信号产生模块、示波器为例的信号显示模块等简单仪器即可实现光纤式叶尖定时传感器带宽测试。
(4)本发明的光纤式叶尖定时传感器带宽装置和方法具有普适性。使用了光纤带宽测试模块测试光纤式叶尖定时传感器带宽的方法，可通过调整所述光纤带宽测试模块结构，适合各类光纤式叶尖定时传感器。
附图说明
图1为光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置框图。
图2为光纤带宽测试模块框图。
图3为光纤式叶尖定时传感器及反射体装夹示意图。
图4为光纤式叶尖定时传感器带宽测试方法流程图。
图5为光纤式叶尖定时传感器3dB带宽示意图。
附图标记：1-光纤式叶尖定时传感器，2-信号调理模块，3-信号产生模块，4-光纤带宽测试模块，5-信号显示模块，6-电源模块，7-计算机，8-反射体，9-光纤束，10-Y型连接器，11-接收光纤，12-发射光纤，13-ST接口，14-BNC接口，15-香蕉头接口，16-半导体激光器，17-信号输入接口，18-半导体激光驱动器，19-测试输出接口，20-电源输入接口，21-叶尖定时传感器工装夹具，22-反射体工装夹具。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置，如图1所示，其中包括光纤式叶尖定时传感器1、信号调理模块2、信号产生模块3、光纤带宽测试模块4、信号显示模块5、电源模块6和计算机7。其中，信号调理模块2包括放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、偏置电路等，信号产生模块3具体可以为信号发生器、可调直接数字合成器、可调压控振荡器、任意波形发生器等，信号显示模块5具体可以为示波器、频谱分析仪、波形记录仪等，电源模块6具体可以为线性电源、开关电源、干电池等。
其中，光纤带宽测试模块结构如图2所示，光纤带宽测试模块4由半导体激光驱动器18和半导体激光器16组成，半导体激光驱动器18上设有信号输入接口17、测试输出接口19和电源输入接口20。
具体的，光纤带宽测试模块4连接信号产生模块3、电源模块6、光纤式叶尖定时传感器1和信号显示模块5。光纤带宽测试模块4通过香蕉头接口15及香蕉头连接线与电源模块6相连，通过BNC接口14及BNC连接线与信号产生模块3相连，通过BNC接口14及BNC连接线与信号显示模块5的通道A相连。光纤式叶尖定时传感器1的发射光纤12通过ST接口13连接光纤带宽测试模块4内的半导体激光器16，接收光纤11通过ST接口13连接信号调理模块2。信号调理模块2通过BNC接口14及BNC连接线连接信号显示模块5通道B。
光纤式叶尖定时传感器1内通过Y型连接器10将接收光纤11和发射光纤12聚合为光纤束9；反射体8位于光纤束9探头端面的1.5mm处，光纤束9探头端面正对反射体的反射面，见图3，光纤束9和反射体8分别通过叶尖定时传感器工装夹具21和反射体工装夹具22夹持，保证带宽测试过程中夹持稳定。其中反射体8材料为不锈钢。
基于前述光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置进行带宽测试的方法，见图4，具体如下：
(1)首先，打开信号调理模块电源，调整信号调理模块增益为1倍。
(2)打开电源模块、信号产生模块和信号显示模块开关。调整电源模块输出电压为5V，信号产生模块输出信号峰峰值为100mV，频率为1kHz。
(3)观察信号显示模块通道A和通道B信号波形，观测信号显示模块通道B信号未饱和。若信号显示模块通道B信号饱和，需增大反射体距光纤式叶尖定时传感器探头端面距离，保证信号不饱和。
(4)观察信号显示模块通道A和通道B频率均为1kHz，若频率显示异常，需检测连接线是否正确，光纤式叶尖定时传感器是否工作正常等。
(5)从0开始增大信号产生模块输出频率，当输出频率范围为0～1kHz时，按10Hz步长增加；当输出频率范围为1kHz～1MHz时，按10kHz步长增加；当输出频率范围大于1MHz时，按1MHz步长增加。
(6)记录信号幅值最大时信号产生模块对应的输出频率，即光纤式叶尖定时传感器中心频率fc＝3000000Hz，记录此时信号显示模块通道B的峰峰值A＝2000mV，输出频率应精确到1Hz，信号显示模块通道B峰峰值应精确至1mV。
(7)减小信号产生模块输出频率，观察信号显示模块通道B峰峰值，使用计算机记录信号显示模块通道B峰峰值下降为0.707A≈1414mV时，信号产生模块输出频率为光纤式叶尖定时传感器带宽下限值，输出频率应精确至1Hz，如f1＝2Hz。
(8)将信号产生模块输出频率调回3000000Hz，增大信号产生模块输出频率，观察信号显示模块通道B峰峰值，使用计算机记录信号显示模块通道B峰峰值下降为0.707A≈1414mV时，信号产生模块的输出频率为光纤式叶尖定时传感器带宽上限值，输出频率应精确至1Hz，如f2＝17000000Hz。
(9)得到光纤式叶尖定时传感器带宽范围为[f1,f2]＝[2Hz,17000000Hz]。使用计算机计算3dB带宽值，计算结果应精确至1Hz，如fb＝f2-f1＝16999998Hz，如图5所示。
最后需要指出的是：以上实例仅用以说明本发明的计算过程，而非对其限制。尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实例所记载的计算过程进行修改，或者对其中部分参数进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应计算方法的本质脱离本发明计算方法的精神和范围。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置，其特征在于，包括光纤式叶尖定时传感器(1)、信号调理模块(2)、信号产生模块(3)、光纤带宽测试模块(4)、信号显示模块(5)、电源模块(6)、计算机(7)；
光纤带宽测试模块(4)通过连接线与电源模块(6)、信号产生模块(3)和信号显示模块(5)的通道A相连，信号显示模块(5)的通道A测量光纤带宽测试模块(4)的输出信号；
光纤带宽测试模块(4)与光纤式叶尖定时传感器(1)的发射光纤(12)相连，光纤带宽测试模块(4)产生光强调制信号耦合至发射光纤(12)；
光纤式叶尖定时传感器(1)的探头端面前方放置有反射体(8)；光纤式叶尖定时传感器(1)的接收光纤(11)与信号调理模块(2)相连，信号调理模块(2)将接收的反射光光强信号转化为电压信号；
信号调理模块(2)与信号显示模块(5)的通道B相连，信号显示模块(5)通道B测量信号调理模块(2)输出信号；
计算机(7)用于记录数据。
2.根据权利要求1所述一种光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置，其特征在于，所述光纤带宽测试模块(4)由半导体激光驱动器(18)和半导体激光器(16)组成，所述半导体激光驱动器(18)上设有信号输入接口(17)、测试输出接口(19)和电源输入接口(20)，所述光纤带宽测试模块(4)通过所述信号输入接口(17)与信号产生模块(3)连接，通过测试输出接口(19)与信号显示模块(5)连接，通过电源输入接口(20)与电源模块(6)连接。
3.根据权利要求2所述一种光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置，其特征在于，所述半导体激光器(16)与光纤式叶尖定时传感器(1)的发射光纤(12)连接，半导体激光器(16)上设置有FC接口、ST接口、SC接口、LC接口、PC接口、APC接口其中的一种或几种。
4.根据权利要求1或2所述一种光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置，其特征在于，所述光纤带宽测试模块(4)根据信号产生模块(3)输入信号，通过电源模块(6)驱动功率放大芯片和电路实现功率放大，对光纤带宽测试模块(4)内的半导体激光器产生的光强进行幅度调制，并驱动半导体激光器工作；光纤带宽测试模块(4)带宽大于光纤式叶尖定时传感器(1)带宽。
5.根据权利要求1所述一种光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置，其特征在于，光纤式叶尖定时传感器(1)内通过Y型连接器(10)将接收光纤(11)和发射光纤(12)聚合为光纤束(9)；反射体(8)位于光纤式叶尖定时传感器(1)的光纤束(9)探头端面的量程范围内，光纤束(9)探头端面正对反射体(8)的反射面，光纤束(9)和反射体(8)分别通过叶尖定时传感器工装夹具(21)和反射体工装夹具(22)夹持，保证带宽测试过程中夹持稳定。
6.一种基于权利要求1所述光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置进行带宽测试的方法，其特征在于，利用光纤带宽测试模块(4)产生的光强调制信号，通过改变光强调制频率，检测光纤式叶尖定时传感器(1)在不同频率的响应，具体如下：
S1.搭建光纤式叶尖定时传感器带宽测试装置；
S2.开启信号调理模块(2)、光纤带宽测试模块(4)，调整信号调理模块(2)增益参数为1倍；
S3.开启电源模块(6)、信号产生模块(3)和信号显示模块(5)；调整信号产生模块(3)峰峰值，观察信号显示模块(5)的通道B，保证信号显示模块(5)的通道B信号不饱和；
S4.设置信号产生模块(3)输出波形为正弦波，从0开始增大信号产生模块(3)输出频率，观察信号显示模块(5)通道A和通道B信号波形；记录信号幅值最大时信号产生模块(3)对应的输出频率为光纤式叶尖定时传感器(4)中心频率fc，记录此时信号显示模块(5)通道B的峰峰值A；
S5.减小信号产生模块(3)输出频率，观察信号显示模块(5)通道B峰峰值，记录信号显示模块(5)通道B峰峰值下降为0.707A时的频率为光纤式叶尖定时传感器(1)带宽下限值f1；
S6.将信号产生模块(3)输出频率调回fc，增大信号产生模块(3)输出频率，观察信号显示模块(5)通道B峰峰值，记录信号显示模块(5)通道B峰峰值下降为0.707A时的频率为光纤式叶尖定时传感器(1)带宽上限值f2；
S7.根据步骤S5和步骤S6获取的带宽下限值和上限值，得到光纤式叶尖定时传感器的带宽范围为[f1,f2]，计算带宽值fb＝f2-f1。
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