CN116625625A - 一种精细化流场测试装置以及探针固有频率测试方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于叶轮机试验技术领域，特别涉及一种精细化流场测试装置以及探针固有频率测试方法，通过调节信号发生器的频率和幅值，对探针进行扫频声激励，解决了现有技术方案中敲击法漏频的问题，采用持续声激励和激光位移传感器拾振方法解决了现有技术中探针高阶固有频率识别和捕捉较差的问题，采用非接触法测量探针在安装位移机构时固有频率解决了现有技术中需要加工特定工装的问题，同时解决探针连接方式对探针固有频率影响的问题。
Description
技术领域
本申请属于叶轮机试验技术领域，特别涉及一种精细化流场测试装置以及探针固有频率测试方法。
背景技术
压气机精细化流场测量是压气机性能测试的重要内容，通过位移机构调节高精度稳/动态气动探针，获取压气机级间或出口总压、静压、Ma和气流角等气动特性参数。位移机构包括X轴(近似叶片通道周向)、Y轴(近似叶片通道径向)和沿探针杆轴线转动三个自由度分量，可以根据流场的流动特点以及测试位置的要求，对探针进行实时调节与控制。
由于压气机流场流动比较复杂，试验过程中激振频率带宽较大，当激振频率在探针固有频率附近时，探针振动会骤然增加，可能会引起探针失效，严重时损坏叶片，威胁试验安全。探针和位移机构连接形式的复杂性导致采用有限元法计算探针固有频率的误差较大，从而无法对探针强度进行准确评估。目前探针固有频率试验测试方法主要有两种：(一)采用锤击法激励探针，获取探针固有频率；(二)采用激振台对动态探针进行随机激励以及扫描激励，通过拾振装置获得探针的固有频率。目前现有技术对探针固有频率测试误差较大，并且无法评估探针在使用过程中位移机构对探针响应特性的影响，因此亟需发展一种精度高、易操作的压气机精细化流场测试装置探针固有频率测试方法。
现有技术方案一，精细化流场测试装置由探针和位移机构组成。在现有技术方案一中，探针表面安装传感器，采用力锤敲击探针，获取探针的固有频率。现有技术方案一缺点：锤击法测试结果会受到敲击技巧等主观因素的干扰，可能会出现漏频现象，测试结果重复性较差；锤击法测试固有频率时，探针高频处固有频率测试结果准确度和辨识度较低；位移机构与探针通过垫圈柔性连接，敲击法得到的固有频率可能是探针和位移机构组合系统的固有频率，无法准确识别探针的固有频率。
现有技术方案二：在此现有技术方案中，将待测结构放在激振台上进行随机激励以及扫描激励，通过激光位移传感器或其他类型传感器拾取探针固有频率特征。
现有技术方案二缺点：激振台对探针固有频率进行测试时需要根据探针的结构和尺寸加工配套工装，测试周期较长；探针与激振台为刚性连接，探针与位移机构通过垫圈柔性连接，连接方式差异会影响探针固有频率的测试结果，采用激振台对探针进行固有频率测试无法得到探针在使用过程中的响应特性。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种精细化流场测试装置，包括：
试验台；
安装在试验台上的用于改变探针伸出长度的位移机构；
通过固定架固定在试验台上的声学喇叭，声学喇叭的开口朝向探针；
用于测量探针震动的激光位移传感器；
连接激光位移传感器的信号功率放大器；
连接信号功率放大器的动态采集系统；动态采集系统连接并控制声学喇叭的输出频率。
优选的是，声学喇叭出口处连接有转接口，转接口包括逐渐收缩的收缩段以及连接在收缩段末端的平直段。
一种固有频率测试方法，采用所述的精细化流场测试装置进行试验，包括：
步骤S1：通过声学喇叭对初始激励位置为X0的探针输出自初始频率F0开始频率逐渐增大的噪声激励；
步骤S2：同时通过激光位移传感器采集频率逐渐增大的噪声激励下探针测点处的多个时域信号；
步骤S3：将激光位移传感器采集到的多个时域信号进行傅里叶变换，提取出频率成分的单频信息，并生成频域响应曲线，获得探针的固有频率响应特性；
步骤S4：通过位移机构改变探针的伸出长度，并重复步骤S1至步骤S3；获取探针不同伸出长度的固有频率响应特性。
优选的是，在使用激光位移传感器前通过动态采集系统对激光位移传感器进行标定。
优选的是，选用Bessel滤波器对所述时域信号进行滤波提纯处理，降低电子元件电流噪声的干扰。
优选的是，初始频率F0以及声学喇叭的最大频率包含探针的理论固有频率范围。
优选的是，声学喇叭的噪声激励为单频噪声，单频噪声的强度至少高于背景噪声强度20dB。
优选的是，激光位移传感器采集同一频率单频噪声下的探针的采集时间为30S。
本申请的优点包括：通过调节信号发生器的频率和幅值，对探针进行扫频声激励，解决了现有技术方案中敲击法漏频的问题，采用持续声激励和激光位移传感器拾振方法解决了现有技术中探针高阶固有频率识别和捕捉较差的问题，采用非接触法测量探针在安装位移机构时固有频率解决了现有技术中需要加工特定工装的问题，同时解决探针连接方式对探针固有频率影响的问题。
附图说明
图1是本申请一优选实施方式精细化流场测试装置示意图。
具体实施方式
为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。
此外，除非另有定义，本申请描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本申请描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系，而非暗示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变，因此不能理解为对本申请的限制。本申请描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语，仅用于描述目的，用以区分不同的组成部分，而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本申请描述中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语，不应理解为对数量的绝对限制，而应理解为存在至少一个。本申请描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。
本申请通过调节信号发生器的频率和幅值，对探针进行扫频声激励，解决了现有技术方案中敲击法漏频的问题，采用持续声激励和激光位移传感器拾振方法解决了现有技术中探针高阶固有频率识别和捕捉较差的问题，采用非接触法测量探针在安装位移机构时固有频率解决了现有技术中需要加工特定工装的问题，同时解决探针连接方式对探针固有频率影响的问题。
具体如图1所示，一种精细化流场测试装置，测试装置由声激励装置、响应采集装置和固定台架组成。声激励装置由声学喇叭、功率放大器、信号发生器组成，响应采集装置由激光位移传感器、动态采集系统和数据分析软件组成。具体包括：试验台；安装在试验台上的用于改变探针4伸出长度的位移机构5；通过固定架3固定在试验台上的声学喇叭1，声学喇叭1的开口朝向探针4；用于测量探针4震动的激光位移传感器6；连接激光位移传感器6的信号功率放大器7；连接信号功率放大器7的动态采集系统8；动态采集系统8连接并控制声学喇叭1的输出频率；声学喇叭1出口处连接有转接口2，转接口2包括逐渐收缩的收缩段以及连接在收缩段末端的平直段。
其中，根据声学喇叭1的尺寸设计转接口2，转接口2包括收缩段和平直段，平直段直径需根据喇叭发音段尺寸以及扫描频率进行设计，尽量满足激励声源为平面波，减少噪声在转接段管道内反射和损失。
首先可以通过测试系统以及根据探针固有频率强度计算结果，选取噪声激励的初始频率，尽可能保证噪声激励扫描频率范围包络探针固有频率范围，根据高声强喇叭调节功率放大器参数，获取适当强度的单频噪声，单频噪声的强度需高于背景噪声强度20dB以上。
步骤1调整激光位移传感器与探针相对位置，采用动态采集系统对激光位移传感器进行标定。
步骤2调节噪声激励的初始频率F0、幅值P以及探针的初始激励位置X0，调节稳定后对探针位移进行采集，采集时间设定为30S，连续增加噪声激励的频率，对探针X0位置进行噪声激励，并采集探针测点处的时域特性。
步骤3将激光位移传感器采集到的时域信号进行傅里叶变换，选用Bessel滤波器对信号进行滤波提纯处理，降低电子元件电流噪声对拾振信号的干扰。
步骤4在混频信息中提取出所关心的频率成分的单频信息包括频率和幅值，生成频域响应曲线，获得动态探针的固有频率。
步骤5通过位移机构调节探针在使用过程中的激励位置，依次对探针进行噪声激励，重复步骤1至步骤4，获取探针不同位置固有频率响应特性。
步骤6分析整理采集数据，得到安装位移机构时探针在近似真实工作环境下的固有频率特性。
本申请的有益效果：
采用声激励装置对探针进行扫频激励，能够对探针固有频率进行识别，识别结果不受敲击技巧影响，能够客观得到探针固有频率，无漏频的风险，并且无需加工配套工装装置，本应用相对于现有技术，具有明显的有益效果。
采用声激励装置对探针进行扫频激励，能够提高动态探针的高频固有频率识别的准确度和辨识度。
声激励法对探针激励，能够有效识别安装位移机构时探针的固有频率，能够考虑探针位移机构对探针响应特性的影响，得到结果更具有工程应用价值。
声激励法对探针固有频率进行测试时，能够对探针不同扫描激励位置进行声激励，从而获得探针在动态测试过程中固有频率特征。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种精细化流场测试装置，其特征在于，包括：
试验台；
安装在试验台上的用于改变探针(4)伸出长度的位移机构(5)；
通过固定架(3)固定在试验台上的声学喇叭(1)，声学喇叭(1)的开口朝向探针(4)；
用于测量探针(4)震动的激光位移传感器(6)；
连接激光位移传感器(6)的信号功率放大器(7)；
连接信号功率放大器(7)的动态采集系统(8)；动态采集系统(8)连接并控制声学喇叭(1)的输出频率。
2.如权利要求1所述的精细化流场测试装置，其特征在于，声学喇叭(1)出口处连接有转接口(2)，转接口(2)包括逐渐收缩的收缩段以及连接在收缩段末端的平直段。
3.一种固有频率测试方法，采用如权利要求1-2所述的任意一项所述的精细化流场测试装置进行试验，其特征在于，包括：
步骤S1：通过声学喇叭(1)对初始激励位置为X0的探针(4)输出自初始频率F0开始频率逐渐增大的噪声激励；
步骤S2：同时通过激光位移传感器(6)采集频率逐渐增大的噪声激励下探针(4)测点处的多个时域信号；
步骤S3：将激光位移传感器(6)采集到的多个时域信号进行傅里叶变换，提取出频率成分的单频信息，并生成频域响应曲线，获得探针(5)的固有频率响应特性；
步骤S4：通过位移机构(5)改变探针(5)的伸出长度，并重复步骤S1至步骤S3；获取探针(5)不同伸出长度的固有频率响应特性。
4.如权利要求3所述的固有频率测试方法，其特征在于，在使用激光位移传感器(6)前通过动态采集系统(8)对激光位移传感器(6)进行标定。
5.如权利要求3所述的固有频率测试方法，其特征在于，选用Bessel滤波器对所述时域信号进行滤波提纯处理，降低电子元件电流噪声的干扰。
6.如权利要求3所述的固有频率测试方法，其特征在于，初始频率F0以及声学喇叭(1)的最大频率包含探针(4)的理论固有频率范围。
7.如权利要求3所述的固有频率测试方法，其特征在于，声学喇叭(1)的噪声激励为单频噪声，单频噪声的强度至少高于背景噪声强度20dB。
8.如权利要求3所述的固有频率测试方法，其特征在于，激光位移传感器(6)采集同一频率单频噪声下的探针(5)的采集时间为30S。
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