CN203250022U - 基于阵列传感器的转子碰摩声发射源定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于阵列传感器的转子碰摩声发射源定位装置，包括阵列传感器单元、前置放大器、数据采集模块、数据处理模块和显示模块，阵列传感器单元包括均匀布置于同一平面上的多个声发射传感器，多个声发射传感器依次通过前置放大器、数据采集模块与数据处理模块的输入端相连，数据处理模块的输出端与显示模块相连，多个声发射传感器分别采集被检测转子的碰摩声发射信号并依次通过前置放大器、数据采集模块输入给数据处理模块，数据处理模块根据多个声发射传感器采集的碰摩声发射信号计算出转子碰摩声发射源的位置信息并通过显示模块输出。本实用新型具有定位精度高、使用方便快捷、结构简单、成本低廉的优点。

Description

基于阵列传感器的转子碰摩声发射源定位装置

技术领域

本实用新型涉及旋转机械检测领域，具体涉及一种基于阵列传感器的转子碰摩声发射源定位装置。

背景技术

旋转机械是最常用的一类机械设备，覆盖了电力、石油、化工、冶金、航空航天、机械制造等重要工程领域。而转静子的碰摩是旋转机械中最常发生也是最具破坏性的故障之一，国内汽轮机弯轴事故统计表明，其中86％是由转轴碰摩引起，转轴碰摩严重时还会引起轴系破坏事故，因此防止质量不平衡、转子与静止部件的弯曲、不对中、热膨胀造成的间隙不足而引起转静子的碰摩具有非常重要的意义。

声发射(AE)检测是一种动态无损检测方法，是材料或构件内部结构或缺陷处于运动变化的过程中靠自身发出的弹性波进行无损检测的，并具有频响范围宽、灵敏度高、信息量大、动态检测等特点。旋转机械的转子系统中动静件发生碰摩时会引起碰摩处动静件弹性应变而产生声发射，声发射蕴含了丰富的碰摩信息，且声发射信号幅值的大小与转子的振动状态无关，且信号不会受难以去除的不平衡、不对中等干扰因素和其他振动源的影响。现有技术的声源定位一般采用基于时差定位法(TDOA)，基于时差定位法TDOA需要非常精确的监测到波形最初到达的时间，但是波形在大型复杂的介质中传播会发生频散和波形畸变，通过一段距离后将很难精确的监测，因此传统源定位TDOA在大多数AE源定位显得无能为力。因此，如何利用声发射检测来对转子碰摩声发射源定位成为亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种定位精度高、使用方便快捷、结构简单、成本低廉的基于阵列传感器的转子碰摩声发射源定位装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于阵列传感器的转子碰摩声发射源定位装置，包括阵列传感器单元、前置放大器、数据采集模块、数据处理模块和显示模块，所述阵列传感器单元包括均匀布置于同一平面上的多个声发射传感器，所述多个声发射传感器依次通过前置放大器、数据采集模块与数据处理模块的输入端相连，所述数据处理模块的输出端与显示模块相连，所述多个声发射传感器分别采集被检测转子的碰摩声发射信号并依次通过前置放大器、数据采集模块输入给数据处理模块，所述数据处理模块根据多个声发射传感器采集的碰摩声发射信号计算出转子碰摩声发射源的位置信息并通过显示模块输出。

本实用新型具有下述优点：本实施例在使用时将多个声发射传感器安装在被检测动静转子系统的静子外壳上且保持多个声发射传感器之间均匀布置于同一平面上，当被检测动静转子系统中的静子和转子之间发生碰摩时，多个声发射传感器分别采集到转子的碰摩声发射信号并依次通过前置放大器、数据采集模块输入给数据处理模块，数据处理模块根据多个声发射传感器采集的碰摩声发射信号计算出转子碰摩声发射源的位置信息并通过显示模块输出，实现利用声发射信号对被检测转子的碰摩位置进行定位，从而能够方便根据检测结果对被检测动静转子系统中转子的质量不平衡、转子与静止部件的弯曲、不对中、热膨胀造成的间隙不足进行调试，具有定位精度高、使用方便快捷、结构简单、成本低廉的优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例的框架结构示意图。

图2为本实用新型实施例中声发射传感器的布置结构示意图。

图3为本实用新型实施例中的数据处理模块进行谱峰搜索得到的空间谱图示意图。

图例说明：1、阵列传感器单元；11、声发射传感器；2、前置放大器；3、数据采集模块；4、数据处理模块；5、显示模块。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于阵列传感器的转子碰摩声发射源定位装置包括阵列传感器单元1、前置放大器2、数据采集模块3、数据处理模块4和显示模块5，阵列传感器单元1包括均匀布置于同一平面上的多个声发射传感器11，多个声发射传感器11依次通过前置放大器2、数据采集模块3与数据处理模块4的输入端相连，数据处理模块4的输出端与显示模块5相连，多个声发射传感器11分别采集被检测转子的碰摩声发射信号并依次通过前置放大器2、数据采集模块3输入给数据处理模块4，数据处理模块4根据多个声发射传感器11采集的碰摩声发射信号计算出转子碰摩声发射源的位置信息并通过显示模块5输出。本实施例在使用时，将多个声发射传感器11安装布置在被检测动静转子系统的静子外壳上，且保持多个声发射传感器11之间沿着直线均匀布置，当被检测动静转子系统的静子和转子之间发生碰摩时，多个声发射传感器11分别采集被检测转子的碰摩声发射信号并依次通过前置放大器2、数据采集模块3输入给数据处理模块4，数据处理模块4根据多个声发射传感器11采集的碰摩声发射信号计算出转子碰摩声发射源的位置信息并通过显示模块5输出，实现利用声发射信号对被检测转子的碰摩位置进行定位，从而能够方便根据检测结果对转子系统的质量不平衡、动件与静止部件的弯曲、不对中、热膨胀造成的间隙不足进行调试，具有定位精度高、使用方便快捷、结构简单、成本低廉的优点。

本实施例中，声发射传感器11采用设备型号为北京声华公司生产的SR150M型的声发射传感器，前置放大器2采用声华公司生产的与SR150M传感器相匹配的PAI型前置放大器，数据采集模块3采用NI公司生产的PCI-6110型数据采集卡实现；数据处理模块4采用计算机实现，显示模块5则采用显示器实现，此外，也可以根据需要将数据处理模块4采用嵌入式平台实现，显示模块5则采用包括液晶屏在内的其它形式的显示模块实现。

本实施例中，数据处理模块4根据多个声发射传感器11采集的碰摩声发射信号计算出转子碰摩声发射源的位置信息的详细步骤如下：

1)获取多个声发射传感器11采集的碰摩声发射信号。

2)建立声发射信号传播模型。

2.1)如图2所示，本实施例中阵列传感器单元1的多个声发射传感器11均匀布置于同一直线上(此外也可以根据需要采用其它的形式排列，只需要保证多个声发射传感器11均匀布置于同一个平面上即可)。其中d为相邻声发射传感器11之间的距离，i为声发射传感器11的序号，r_i为序号为i的声发射传感器11到碰摩声发射源的距离，θ_k为第k个声发射源到到阵列传感器单元1的波达角。因此，由N个平面空间信号源入射到M个声发射传感器11组成的直线均匀阵列中，其输入信号数学模型可以表示为式(1)所示。

$x_i\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i(r_{\mathrm{ki}},{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ki}})S_k\left(t\right)+n_i\left(t\right)---\left(1\right)$

式(1)中，x_i(t)为第i个阵元(即声发射传感器11)接收的信号，a_i(r_ki，θ_ki)为第i个阵元相对于第k个信号源的位置函数，其中r_ki为第k个声发射源与第i个阵元的距离，θ_ki为第k个声发射源到第i阵元的波达角，S_k(t)为第k个声发射源信号，n_i(t)为第i个传感器各种噪声的总和；其中，i＝1，2，…，M。

式(1)可转换为如式(2)所示的矢量形式。

X(t)＝A(r，θ)S(t)+N(t)    (2)

式(2)中，X(t)为N*1维声发射传感器11的声发射信号数据，其中A(r，θ)为阵列的M*N维流型矩阵，S(t)为空间信号N*1维矢量，N(t)为阵列M*1维噪声矢量。A(r，θ)的表达式为 $A(r,\mathrm{\θ})\left[\begin{array}{cccc}\stackrel{\‾}{a}\left(\begin{array}{cc}{r}_1& {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right)& \stackrel{\‾}{a}\left(\begin{array}{cc}{r}_2& {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)& \·\·\·& \stackrel{\‾}{a}\left(\begin{array}{cc}{r}_N& {\mathrm{\θ}}_N\end{array}\right)\end{array}\right],$ 其中 $\stackrel{\‾}{a}=\left(\begin{array}{cc}{r}_i& {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right)$ 的表达式为 $\stackrel{\‾}{a}\left(\begin{array}{cc}{r}_i& {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right)={\left[\begin{array}{cccc}{a}_1\left(\begin{array}{cc}{r}_i& {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right)& a_2\left(\begin{array}{cc}{r}_i& {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right)& \·\·\·& a_M\left(\begin{array}{cc}{r}_i& {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right)\end{array}\right]}^T.$

2.2)第k个信号源到达第i个阵元的位置函数可以表示为式(3)所示。

$a_i(r_k,{\mathrm{\θ}}_k)=\frac{r_{\mathrm{ki}}}{r_k}\exp (-j{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ik}})---\left(3\right)$

式(3)中，r_ki，r_k为第k个信号源分别到达第i个阵元和参考阵元(第1个阵元)的距离，j为单位虚数，τ_ik为波程差。

2.3)根据直线均匀阵列近场模型，式(3)中的τ_ik可以由方位角θ_k(第k个声发射源到参考阵元的波达角)和距离r_k两个参数来表示，如式(4)所示。

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ik}}=\frac{2\mathrm{\πf}(\sqrt{r_k^2+{\left(\mathrm{id}\right)}^2-{2r}_k\mathrm{id}\cos {\mathrm{\θ}}_k}-r_k)}{c}---\left(4\right)$

式(4)中，f为信号频率，i为阵元序号，d为阵列间距，c为波速。

3)利用近场MUSIC法确定声发射源的位置。

3.1)根据多个声发射传感器11采集的碰摩声发射信号，得到数据协方差矩阵R如式(5)所示。

$R=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{XX}}^H---\left(5\right)$

式(5)中，i为阵元序号，L为快拍数，X为阵列接收数据，X^H为X的复共轭转置。

3.2)对数据协方差矩阵R进行特征值分解。

3.3)由于协方差矩阵大特征值对应于信号源数，而其他小特征值相等等于噪声功率，因此需要根据数据协方差矩阵R进行特征值分解得到的特征值进行信号源数的判断，从而确定信号子空间Us与噪声子空间Un，数据协方差矩阵R特征分解得到信号特征矢量矩阵和噪声矢量矩阵分别对应信号子空间Us和噪声子空间Un。

3.4)根据信号参数的范围对式(6)进行谱峰搜索。

$P_{\mathrm{MUSIC}}=\frac{1}{a^H(r,\mathrm{\θ})U_N{U}_N^{H}a(r,\mathrm{\θ})}---\left(6\right)$

式(6)中，a(r，θ)为搜索的方位函数，a^H(r，θ)为搜索的方位函数的复共轭转置，U_N为噪声子空间，

为U_N的复共轭转置。

3.5)单信号源的谱峰搜索得到的空间谱图如图3所示，最终在空间谱图中找出极大值点所对应的坐标就是该声发射源的位置。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于阵列传感器的转子碰摩声发射源定位装置，其特征在于：包括阵列传感器单元(1)、前置放大器(2)、数据采集模块(3)、数据处理模块(4)和显示模块(5)，所述阵列传感器单元(1)包括均匀布置于同一平面上的多个声发射传感器(11)，所述多个声发射传感器(11)依次通过前置放大器(2)、数据采集模块(3)与数据处理模块(4)的输入端相连，所述数据处理模块(4)的输出端与显示模块(5)相连，所述多个声发射传感器(11)分别采集被检测转子的碰摩声发射信号并依次通过前置放大器(2)、数据采集模块(3)输入给数据处理模块(4)，所述数据处理模块(4)根据多个声发射传感器(11)采集的碰摩声发射信号计算出转子碰摩声发射源的位置信息并通过显示模块(5)输出。

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