CN107655429A - 叶片振动位移的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转叶片振动测量技术领域，具体涉及了一种叶片振动位移的测量方法和装置。一种叶片振动位移的测量方法，包括：获取发动机转子的每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻；获取发动机转子每转起始点的时刻；根据任意一叶片的叶尖经过微波传感器的时刻和发动机转子每转起始点的时刻及发动机转子的转速计算得到发动机转子每转起始点的旋转弧长；根据发动机转子每转起始点的旋转弧长和发动机转子位于起始点时叶尖的平衡点位置与微波传感器之间的弧长计算叶片的振动位移。

Description

叶片振动位移的测量方法和装置

技术领域

本发明涉及旋转叶片振动测量技术领域，尤其涉及一种叶片振动位移的测量方法和装置。

背景技术

目前，对叶片振动参数测量的方法主要为非接触式测量方法。而在非接触式测量方法中，叶片振动位移的测量是叶片振动参数测量的基础。

现有技术中，非接触叶片振动测量方法主要包括电容法、激光法、光纤法和电涡流法等。当发动机处于正常工作状态时，发动机具有内部温度高、压力大、污染大、气流速度快、叶片转速快、叶片长度变化大、叶片形状不规则等特点。由于电容法具有不能耐高温、高速旋转响应速度不够快，以及要求叶尖间隙比较小等特点；激光法和光纤法具有不能耐高温、对叶片形状和表面特性等要求严格、抗污染能力差等特点；电涡流法具有不能耐高温，高速旋转响应速度慢，对叶片形状和间隙要求严格等特点，因此，上述叶片振动测量方法都会具有一定的误差，不能准确测量叶片振动位移。

发明内容

本发明实施例提供一种叶片振动位移的测量方法和装置，能够准确的测量叶片振动位移。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种叶片振动位移的测量方法，包括：获取发动机转子的每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻；获取发动机转子每转起始点的时刻；根据任意一叶片的叶尖经过微波传感器的时刻和发动机转子每转起始点的时刻及发动机转子的转速计算得到发动机转子每转起始点的旋转弧长；根据发动机转子每转起始点的旋转弧长和发动机转子位于起始点时叶尖的平衡点位置与微波传感器之间的弧长计算叶片的振动位移。

根据本发明的一个方面，叶片振动位移的测量方法还包括：利用微波传感器获取微波传感器发射并经由叶片反射的反射信号；直接接收微波传感器发射的微波信号作为参考信号；根据反射信号和参考信号计算每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻。

根据本发明的一个方面，叶片振动位移的测量方法还包括：根据参考信号和反射信号获取相位曲线和幅度曲线；根据相位曲线和幅度曲线分析每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻。

根据本发明的一个方面，叶片振动位移的测量方法还包括：将反射信号分别转化为低频反射信号和延时90°相位的低频反射信号；将参考信号转化为低频参考信号；将低频反射信号、低频参考信号和延时90°相位的低频反射信号输入微波信号解调***计算出相位曲线和幅度曲线。

根据本发明的一个方面，叶片振动位移的测量方法还包括：通过指示传感器采集发动机转子的每转起始点信号；根据发动机转子每转起始点信号计算发动机转子每转起始点的时刻。

根据本发明的一个方面，通过极大值法分别测量每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻和发动机转子每转起始点的时刻。

根据本发明的一个方面，发动机转子位于起始点时叶尖的平衡点位置与微波传感器之间的弧长通过标定方法或者直接测量得到。

根据本发明的另一个方面，提供了一种叶片振动位移的测量装置，包括：叶片叶尖经过时刻获取装置，被配置为获取发动机转子的每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻；起始时刻获取装置，被配置为获取发动机转子每转起始点的时刻；处理单元，能够根据叶片的叶尖经过微波传感器的时刻和发动机转子每转起始点的时刻计算得到发动机转子每转起始点的旋转弧长；并且，能够根据发动机转子每转起始点的旋转弧长和发动机转子位于起始点时叶尖的平衡点位置与微波传感器之间的弧长计算叶片的振动位移。

根据本发明的另一个方面，叶片叶尖经过时刻获取装置包括：微波传感器，被配置为发射微波信号并且接收发动机转子的叶片反射的反射信号；微波信号解调***，被配置为直接接收微波传感器发射的微波信号并作为参考信号，采集反射信号，并且根据参考信号和反射信号获取相位曲线和幅度曲线，和，解调信号源，被配置为微波信号解调***提供解调信号。

根据本发明的另一个方面，微波信号解调***包括：第一下变频器，用于将反射信号处理为低频反射信号；移相器，用于将低频反射信号延时90°相位得到延时90°相位的低频反射信号；第二下变频器，用于将参考信号处理为低频参考信号；I/Q解调器，用于根据低频反射信号、低频参考信号和延时90°相位的低频反射信号计算出相位曲线和幅度曲线。

根据本发明的另一个方面，起始时刻获取装置包括：起始机构，起始机构固定于发动机转子上作为其转动起始点；指示传感器，用于通过采集起始机构的信号获取发动机转子的每转起始点信号。

采用根据本发明实施例的叶片振动位移的测量方法和装置，根据叶片经过微波传感器的时刻和发动机转子每转起始点的时刻计算得到叶片的实际旋转弧长，然后根据实际旋转弧长和叶片的平衡点位置旋转弧长计算叶片的振动位移。由于本发明的实施例将每转起始点的时刻作为绝对参考点，因此可以解决现有技术不能准确测量叶片振动位移的问题。并且由于测试装置无需与发动机转子接触，因此能够在发动机正常工作的条件下实时地对叶片的振动位移进行准确的测试，不受发动机内部的复杂环境以及叶片形状、叶片表面特性、叶片高速旋转等带来的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所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。

图1是示出根据本发明的一个实施例的测量方法的流程图；

图2是示出根据本发明的一个实施例的测量方法采集到的信号波形图；

图3是示出将图2中所示的微波传感器信号去掉波形的直流偏置后的信号波形图；

图4是示出根据本发明的一个实施例的传感器的安装结构示意图；

图5是示出图4所示的实施例的发动机转子旋转时的示意图；

图6是示出根据本发明的一个实施例的测量装置的结构示意图；

图7是示出图6所示的实施例中的微波信号解调***的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了根据本发明的一个实施例的测量方法的流程图。图2是示出根据本发明的一个实施例的测量方法采集到的信号波形图如图1所示实施例的一种叶片振动位移的测量方法，包括：

S1、获取发动机转子的每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻，并且根据接收到的微波信号准确提取发动机转子在旋转状态下的叶片的叶尖的位置信息；

S2、获取发动机转子每转起始点的时刻，根据每转起始点的时刻可以过得相邻两转的起始点时刻的差值即图2中所示的T，T也为发动机转子每转一周的时间。发动机转子每转起始点的时刻作为绝对参考点；根据发动机转子每转起始点的时刻和发动机转子的该转中第一个经过微波传感器的叶片的叶尖经过微波传感器的时刻，可以获得发动机转子的该转中第一个经过微波传感器的叶片转动时间即图2中所示的t1；

S3、根据任意一叶片的叶尖经过微波传感器的时刻和发动机转子每转起始点的时刻及发动机转子的转速计算得到发动机转子每转起始点的旋转弧长；

S4、根据发动机转子每转起始点的旋转弧长和发动机转子位于起始点时叶尖的平衡点位置与微波传感器之间的弧长计算叶片的振动位移。转子位于起始点时叶尖平衡点位置与微波传感器之间的弧长即为指示传感器正对转子起始点的时候，叶尖平衡点位置与微波传感器之间的弧长，此旋转弧长为固定弧长，不会随着叶片的振动而改变。

根据本发明的实施例，步骤S1获取发动机转子的每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻的方法包括：

S11、利用微波传感器获取微波传感器发射并经由叶片反射的反射信号；

S12、直接接收微波传感器发射的微波信号作为参考信号；

S13、根据反射信号和参考信号计算每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻。

具体地，计算每个叶片经过微波传感器的时刻的方法为，先根据参考信号和反射信号获取相位曲线和幅度曲线，然后再根据相位曲线和幅度曲线分析每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻。

根据本发明的实施例，获取相位曲线和幅度曲线的方法包括：将反射信号与解调信号下变频成低频反射信号，然后经过延时90°相位得到延时90°相位的低频反射信号；将参考信号与解调信号下变频成低频参考信号；将低频反射信号、低频参考信号和延时90°相位的低频反射信号输入微波信号解调***计算出所述相位曲线和幅度曲线。

根据本发明的实施例，可以采用分析微波信号解调后相位曲线和幅度曲线的方式识别叶片信息，即采用分析低频反射信号、低频参考信号和延时90°的低频反射信号的方式。

当采用微波信号的幅度方式识别叶片时，当叶片经过微波传感器时，微波传感器接收到的反射能量比较大，在幅度信号波形上形成一个波峰。采用微波信号的相位方式识别叶片时，当叶片经过微波传感器时，微波传感器接收到的信号相位变大或变小，在信号波形上形成一个波峰或波谷。其中，可以软件自动识别叶片达到微波传感器时处于信号的波峰还是波谷。具体做法是：先计算整段数据的平均值、最大值和最小值。如果最大值和平均值的偏差大于最小值和平均值的偏差，则叶片达到微波传感器时处于信号的波峰。反之，则叶片达到微波传感器时处于信号的波谷。

根据本发明的实施例，步骤S2获取发动机转子每转起始点的时刻的方法包括：

S21、通过指示传感器采集发动机转子的每转起始点信号；

S22、根据发动机转子每转起始点信号计算发动机转子每转起始点的时刻。

根据本发明的实施例，可以通过极大值法计算所述微波传感器的时刻。在一个实施例中，当识别到叶片的叶尖经过微波传感器处于信号的波峰时，可以采用极大值法测量每个叶片经过微波传感器所处的时刻。具体做法是：先按一定的比例系数，以整段波形的最大值乘以比例系数得到波形的阈值，然后查找信号大于阈值的每一小段波形的极大值的点，极大值点对应的时刻即为叶片到达微波传感器的时刻。例如，先把整段波形中的每个点同时减去整段波形的平均值，即去掉波形的直流偏置，得到图3所示的波形。计算整段波形的最大值v1.取一定的比例系数k，一般取0.8.把最大值v1乘以比例系数k得到阈值v2。截取波形上数值大于阈值v2的每一小段波形，计算每一小段波形的极大值时刻分别为t1～t4.每个时刻t1～t4即为每个叶片到达微波传感器的时刻。在另一个实施例中，当识别到叶片达到微波传感器时处于信号的波谷时，需先将整条波形曲线取反变成波峰信号，再以上述的叶片到达微波传感器处于信号的波峰时的计算方法计算出每个叶片达到微波传感器所处的时刻。

同理地，计算经过指示传感器的发动机转子每转起始点的时刻也可以采用上述的极大值法进行测量。

根据本发明的实施例，步骤S3中实际旋转弧长的计算方式具体为，先根据指示传感器采集的发动机转子当前转起始点时刻和发动机转子下一转起始点时刻，并计算出发动机转子当前转的转动时长。根据发动机转子的当前转的转动时长计算发动机转子当前转的转动频率。再根据叶片直径计算旋转过程中叶尖旋转周长，并且结合当前转的转动时间计算叶片旋转的线速度。然后根据发动机转子每转起始点的时刻及叶片达到微波传感器所处的时刻计算处某一叶片的转动时长，再根据叶片旋转的线速度计算叶片平衡点扫过的弧长。

根据本发明的实施例，步骤S4中的发动机转子位于起始点时叶尖的平衡点位置与微波传感器之间的弧长旋转弧长可通过标定方法或者直接测量得到。

图4是示出根据本发明的一个实施例的传感器的安装结构示意图。如图4所示的实施例中，在发动机转子6上设置由起始机构作为其起始点，图中采用一销钉2作为起始机构。指示传感器3设置于发动机转子6附近，指示传感器3的发送、接收微波信号的方向穿过发动机转子6的转轴设置，且销钉2正对指示传感器3设置。微波传感器4安装于发动机机匣5上，并且正对发动机转子6的叶片1设置。图5是示出图4所示的实施例的发动机转子旋转时的示意图。

发动机转子6的起始点到达指示传感器3时的位置关系如图4所示。此时，销钉2经过指示传感器3，指示传感器3的信号波形上产生一个波峰电压信号。叶片1的叶尖的旋转弧长，即叶片1的叶尖的平衡点7位置和微波传感器4之间的弧长记为d1，此弧长d1为固定值并且不会随着叶片1振动而变化。

发动机转子6沿顺时针方向旋转，使叶片1到达微波传感器4所在位置时的位置关系如图5所示。此时，发动机转子6起始点旋转的角度对应的弧长记为d2，此弧长d2即为叶片1的平衡点7扫过的弧长。用发动机转子6的直径计算出发动机转子6外周的周长，根据发动机转子6每转的时间T计算出发动机转子6的线速度，利用该线速度与叶片经过微波传感器的时间t1即可计算出弧长d2。

叶片1的振动位移为叶片1的叶尖当前位置与叶片1的平衡点7之间的位移Δd＝d2-d1。当叶片1的振动位移变化时，叶片1的平衡点7扫过的弧长d2会随着叶片1的振动位移变化而变化。

根据本发明的实施例，弧长d1可根据标定方法或者直接测量得到。其中，标定方法具体做法是：在发动机低速旋转下，叶片1不会产生振动，即叶片1始终处于平衡点7的位置，因此上面计算的所示的弧长d1和d2相等。按照正常方法测试叶片1旋转下扫过的弧长d2，因此也就标定出弧长d1。

图6是示出根据本发明的一个实施例的测量装置的结构示意图。图6中所示实施例的叶片振动位移的测量装置，包括叶片叶尖经过时刻获取装置、起始时刻获取装置和处理单元。

叶片叶尖经过时刻获取装置被配置为获取发动机转子的每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻。起始时刻获取装置被配置为获取发动机转子每转起始点的时刻。处理单元能够根据叶片的叶尖经过微波传感器的时刻和发动机转子每转起始点的时刻计算得到发动机转子每转起始点的旋转弧长；并且，能够根据发动机转子每转起始点的旋转弧长和发动机转子位于起始点时叶尖的平衡点位置与微波传感器之间的弧长计算叶片的振动位移。

根据本发明的实施例，叶片叶尖经过时刻获取装置包括微波传感器、微波信号解调***和调节信号源，其中，微波传感器被配置为发射微波信号并且接收发动机转子的叶片反射的反射信号，微波信号解调***被配置为直接接收微波传感器发射的微波信号并作为参考信号、采集反射信号，并且根据参考信号和反射信号获取相位曲线和幅度曲线，解调信号源被配置为微波信号解调***提供解调信号。

根据本发明的实施例，起始时刻获取装置包括起始机构和指示传感器，其中起始机构固定于发动机转子上作为其转动起始点，指示传感器用于通过采集起始机构的信号获取发动机转子的每转起始点信号。

图7是示出图6所示的实施例中的微波信号调解***的结构示意图。根据图7所示的实施例，微波信号解调***包括第一下变频器、移相器、第二下变频器和I/Q解调器，其中，第一下变频器用于将反射信号处理为低频反射信号，移相器用于将低频反射信号延时90°相位得到延时90°相位的低频反射信号，第二下变频器，用于将参考信号处理为低频参考信号，I/Q解调器用于根据低频反射信号、低频参考信号和延时90°相位的低频反射信号计算出相位曲线和幅度曲线。综上所述，本发明所述的实施例能在发动机正常工作条件下实时准确测试叶片振动位移，并且不受发动机内部复杂环境及叶片形状、叶片表面特性、高速旋转等方面的影响。由于采用非接触式的测量方法，因此还能对发动机转子的各级叶片进行测量。另外，由于本发明的实施例采用波峰法获得各个需测量的时刻，因此能快速、准确识别叶片的反射信号和指示传感器的起始点信号。同时，本发明的实施例采用IQ解调微波信号的方法，能快速、稳定地解调出叶片信号的相位曲线和幅度曲线，从而对叶片的振动位移进行快速、准确的测量。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种叶片振动位移的测量方法，包括：

获取发动机转子的每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻；

获取所述发动机转子每转起始点的时刻；

根据任意一所述叶片的叶尖经过所述微波传感器的时刻和所述发动机转子每转起始点的时刻及所述发动机转子的转速计算得到所述发动机转子每转起始点的旋转弧长；

根据所述发动机转子每转起始点的旋转弧长和所述发动机转子位于起始点时所述叶尖的平衡点位置与所述微波传感器之间的弧长计算所述叶片的振动位移。

2.根据权利要求1所述的叶片振动位移的测量方法，还包括：

利用所述微波传感器获取所述微波传感器发射并经由所述叶片反射的反射信号；

直接接收所述微波传感器发射的微波信号作为参考信号；

根据所述反射信号和参考信号计算每个所述叶片的叶尖经过所述微波传感器的时刻。

3.根据权利要求2所述的叶片振动位移的测量方法，还包括：

根据所述参考信号和反射信号获取相位曲线和幅度曲线；

根据所述相位曲线和幅度曲线分析每个所述叶片的叶尖经过所述微波传感器的时刻。

4.根据权利要求3所述的叶片振动位移的测量方法，还包括：

将所述反射信号分别转化为低频反射信号和延时90°相位的低频反射信号；

将所述参考信号转化为低频参考信号；

将所述低频反射信号、低频参考信号和延时90°相位的低频反射信号输入微波信号解调***计算出所述相位曲线和幅度曲线。

5.根据权利要求1所述的叶片振动位移的测量方法，还包括：

通过指示传感器采集所述发动机转子的每转起始点信号；

根据所述发动机转子每转起始点信号计算所述发动机转子每转起始点的时刻。

6.根据权利要求1所述的叶片振动位移的测量方法，其中，通过极大值法分别测量所述每个叶片的叶尖经过所述微波传感器的时刻和所述发动机转子每转起始点的时刻。

7.根据权利要求1所述的叶片振动位移的测量方法，其中，所述发动机转子位于起始点时所述叶尖的平衡点位置与所述微波传感器之间的弧长通过标定方法或者直接测量得到。

8.一种叶片振动位移的测量装置，包括：

叶片叶尖经过时刻获取装置，被配置为获取发动机转子的每个叶片的叶尖经过微波传感器的时刻；

起始时刻获取装置，被配置为获取所述发动机转子每转起始点的时刻；

处理单元，能够根据所述叶片的叶尖经过所述微波传感器的时刻和所述发动机转子每转起始点的时刻计算得到所述发动机转子每转起始点的旋转弧长；并且，能够根据所述发动机转子每转起始点的旋转弧长和所述发动机转子位于起始点时所述叶尖的平衡点位置与所述微波传感器之间的弧长计算所述叶片的振动位移。

9.根据权利要求8所述的叶片振动位移的测量装置，其中，所述叶片叶尖经过时刻获取装置包括：

微波传感器，被配置为发射微波信号并且接收所述发动机转子的叶片反射的反射信号；

微波信号解调***，被配置为直接接收微波传感器发射的微波信号并作为参考信号，采集所述反射信号，并且根据所述参考信号和反射信号获取相位曲线和幅度曲线，和，

解调信号源，被配置为所述微波信号解调***提供解调信号。

10.根据权利要求9所述的叶片振动位移的测量装置，其中，所述微波信号解调***包括：

第一下变频器，用于将所述反射信号处理为低频反射信号；

移相器，用于将所述低频反射信号延时90°相位得到延时90°相位的低频反射信号；

第二下变频器，用于将所述参考信号处理为低频参考信号；

I/Q解调器，用于根据所述低频反射信号、低频参考信号和延时90°相位的低频反射信号计算出相位曲线和幅度曲线。

11.根据权利要求8所述的叶片振动位移的测量装置，其中，所述起始时刻获取装置包括：

起始机构，所述起始机构固定于所述发动机转子上作为其转动起始点；

指示传感器，用于通过采集所述起始机构的信号获取所述发动机转子的每转起始点信号。