一种叶片振动测量键相基准信号产生装置及方法与流程 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明属于旋转叶片振动参数非接触测量领域。具体地说，本发明涉及一种叶片振动测量键相基准信号产生方法，特别是一种利用锁相环实现旋转机械测试转速倍/分频的叶片振动测量键相基准信号产生装置与方法。背景技术：2.叶片作为航空发动机、燃气轮机、汽轮机、烟气轮机等大型旋转机械的核心做功部件，其健康状态直接影响旋转机械的工作效率和运行安全。高速旋转叶片在温度、气动等多种载荷作用下极易发生疲劳损伤，特别是当叶片发生共振时，振动幅度最为显著，其造成的高周疲劳损伤是叶片最主要失效形式，将导致叶片产生裂纹、断裂等故障，造成直接经济损失，甚至引发安全事故。动叶片振动参数在线测量能为旋转机械故障诊断及预测性维护提供重要数据支撑，是保证装备运行安全的关键。具有非接触、低介入、在线、高精度等特点的叶尖定时法是目前大型旋转机械动叶片振动参数工程测试的标配技术。传统上，该技术须借助转速同步传感器，当叶轮旋转一周时获得一个脉冲信号，其频率等于转速频率；该脉冲信号作为键相基准信号，为叶片振动测量提供时间基准。然而，转速同步传感器安装于转轴附近，与叶盘的轴向位置不同，转轴扭转、弯曲会改变时间基准的准确性，进而引入较大的叶尖定时误差；此外，在大型旋转机械内部的狭窄空间内，转速同步传感器安装困难、容易脱落、易受油污影响后失效，降低了叶片振动参数工程测试的可靠性和安全性。因此，研究无转速同步传感器条件下的叶片振动测量键相基准信号产生方法，具有重要工程意义。3.转子转速是另一个影响旋转机械工作效率和运行安全的重要状态参数，转速控制是旋转机械状态控制的具体体现，而转速测量是转速控制的前提。旋转机械常采用主动轮、从动轮等齿轮系传动的方式实现转子系统正常运转，转速测量传感器安装在主动轮转轴处，通过在该传感器正对的转轴上刻印凹槽或者安装带齿的音轮，获取测试转速信号。然而，受传动关系的影响，该测试转速信号与键相基准信号之间的频率存在差异，比值为小数；基于测试转速信号，实时在线地产生叶片振动测量键相基准信号，保证时间定位精度，是亟待突破的技术难题。技术实现要素：4.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种叶片振动测量键相基准信号产生装置及方法，本发明利用主动轮转轴的测试转速信号，采用基于锁相环的频率合成技术，通过信号频率倍/分频，实现叶片振动测量键相基准信号的产生，为旋转机械动叶片振动测量提供一种无转速同步传感器条件下的时间基准提取方案。5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：6.一种基于锁相技术的叶片振动测量键相基准信号产生装置，应用于旋转机械的轴系传动结构，所述轴系传动结构包括安装有主动轮的主动轮转轴、安装有从动轮的从动轮转轴，所述主动轮和从动轮相啮合，从动轮转轴上还安装有旋转叶片；所述主动轮转轴上设置有凹槽、条码或者音轮；所述信号产生装置包括控制器和依次相连的转速测量传感器、驱动及调理模块、电平转换模块、锁相倍频单元和小数分频单元，所述锁相倍频单元包括首尾依次相连的鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器；所述控制器与驱动及调理模块、小数分频单元和分频器连接；7.所述转速测量传感器安装在主动轮转轴处，转速测量传感器的探头正对主动轮转轴上的凹槽、条码或者音轮；所述转速测量传感器在驱动及调理模块的驱动下，随着发动机转速的变化，在转轴旋转一周时，输出与凹槽的数量、条码的数量或者音轮的齿数相同数量的测试转速信号；8.所述驱动及调理模块在控制器控制下驱动转速测量传感器工作，并且接收转速测量传感器产生的测试转速信号，先后经过驱动及调理模块内放大电路放大、滤波电路滤波，生成预处理后的电压信号传输到电平转换模块；9.电平转换模块接收预处理后的电压信号，采用阈值电平切割的方式进行电平转换，将预处理后的电压信号从模拟信号转化为数字信号，生成脉冲形式的数字电压信号传输到锁相倍频单元；10.锁相倍频单元中，鉴相器通过比较电平转换模块输出的数字电压信号与分频器输出的反馈信号之间的相位差，生成与相位差相关的脉冲形式的误差电压信号；环路滤波器采用低通滤波器类型，将误差电压信号处理成直流电压信号；压控振荡器在直流电压信号的控制下，生成脉冲形式的锁相倍频信号同时传输到小数分频单元和分频器；分频器在控制器控制下将锁相倍频信号分频，生成反馈信号传输到鉴相器；11.小数分频单元在控制器控制下对锁相倍频信号分频，生成脉冲形式的叶片振动测量键相基准信号。12.进一步的，所述转速测量传感器采用磁电式传感器、霍尔传感器或光电式传感器，产生的脉冲信号是电压信号或电流信号。13.进一步的，所述锁相倍频单元采用模拟锁相环或数字锁相环，鉴相器采用乘法器或时序电路类型。14.进一步的，所述小数分频单元采用一个或多若干个分频器实现分频功能。15.一种基于所述信号产生装置获取叶片振动测量键相基准信号的方法，包括：16.s1、启动信号产生装置后，驱动及调理模块在控制器控制下驱动转速测量传感器工作，传感器产生测试转速信号，信号的重复频率为fs，并且fs＝m·fr，其中m为转速测量传感器探头正对的主动轮转轴上的凹槽的数量、条码的数量或者音轮的齿数，fr为主动轮转轴的转速；17.s2、测试转速信号先后经过驱动及调理模块的放大、滤波及电平转换模块的电平转换，生成脉冲形式的数字电压信号，该数字电压信号在锁相倍频单元内实现频率倍频，生成锁相倍频信号，锁相倍频信号的重复频率为fp，并且fp＝m1·m·fr，其中m1为主动轮齿数；18.s3、锁相倍频信号在小数分频单元内实现频率分频，生成叶片振动测量键相基准信号，叶片振动测量键相基准信号的重复频率为fo，并且fo＝m1/m2·fr，其中m2为从动轮齿数。19.进一步的，当m1和m2·m的最大公约数为n时，步骤s2中锁相倍频单元的倍频数采用m1/n，由控制器配置分频器实现；步骤s3中小数分频单元的分频数采用m2·m/n，由控制器配置小数分频单元实现。20.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：21.1.克服传统的叶片振动测量键相基准提取方法难以满足工程测试的准确性、可靠性和安全性的缺点，避免转速同步传感器安装困难、容易脱落、易受油污影响后失效以及时间基准精度易受转轴扭转、弯曲影响等问题，本发明提供的无转速同步传感器条件下的键相基准提取方案，利用主动轮转轴的测试转速信号，无需转速同步传感器的安装、调试，实现工程环境下可靠、安全的键相基准提取。22.2.本发明利用大型旋转机械工程测试中通常会监控的转轴转速信号作为键相基准提取依据，为无转速同步传感器条件下的键相基准提取提供了一种新的装置和方法，该方法没有借助基于叶尖定时的叶片振动测量脉冲信号，避免了从叶片振动测量脉冲信号直接提取键相基准会因为叶片振动引入键相误差的问题，保证装置及方法在叶片共振转速区域的键相信号提取精度。23.3.测试转速信号频率的倍/分频是利用锁相技术，先后经过锁相倍频单元的倍频和小数分频单元的分频实现的；本发明提供的基于锁相技术的叶片振动测量键相基准信号产生装置及方法，利用了锁相技术的合成频率稳定度高、相位噪声水平低、频率建立时间短的优势，通过鉴相器的相位比较和分频器的信号反馈，能抑制原始的测试转速信号与产生的键相基准信号之间的相位误差，实现高时间定位精度的叶片振动测量键相基准提取。24.4.解决了叶片振动测量键相基准提取过程中的小数倍/分频问题，根据传感器探头正对的转轴上凹槽的数量、条码的数量或者音轮的齿数，主动轮齿数及从动轮齿数，获取小数倍/分频的最大公约数，合理设置锁相倍频单元的倍频数及小数分频单元的分频数，缩小了倍频环节及分频环节需要处理的信号频率范围，降低了小数倍/分频难度，实现灵活精确地倍频和分频。附图说明25.图1是本发明的基于锁相技术的叶片振动测量键相基准信号产生装置的结构示意图。26.图2是大型旋转机械的轴系传动结构及转速测量传感器安装位置示意图。27.附图标记：1-转速测量传感器，2-驱动及调理模块，3-电平转换模块，4-锁相倍频单元，5-小数分频单元，6-控制器，7-鉴相器，8-环路滤波器，9-压控振荡器，10-分频器，11-发动机机匣，12-叶尖定时传感器，13-旋转叶片，14-从动轮，15-从动轮转轴，16-主动轮，17-主动轮转轴，18-转轴凹槽。具体实施方式28.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。29.实施例130.本实施例提供一种基于锁相技术的叶片振动测量键相基准信号产生装置，应用于旋转机械的轴系传动结构，见图2，轴系传动结构安装在发动机机匣11内，轴系传动结构包括安装有主动轮16的主动轮转轴17、安装有从动轮14的从动轮转轴15，主动轮16和从动轮14相啮合，从动轮转轴15上还安装有旋转叶片13，发动机机匣11上安装有叶尖定时传感器12；主动轮转轴上设置有凹槽、条码或者音轮，其中凹槽和条码可通过刻印方式设置在主动轮转轴上，音轮通过固定连接安装在主动轮转轴上。31.见图1所示，信号产生装置包括控制器6和依次相连的转速测量传感器1、驱动及调理模块2、电平转换模块3、锁相倍频单元4和小数分频单元5，锁相倍频单元4包括首尾依次相连的鉴相器7、环路滤波器8、压控振荡器9和分频器10；控制器6与驱动及调理模块2、小数分频单元5和分频器10连接；32.转速测量传感器1安装在主动轮转轴17处，其探头正对转轴凹槽18、条码或者安装的音轮；所述转速测量传感器1在驱动及调理模块2的驱动下，随着发动机转速的变化，在转轴旋转一周时，输出与转轴凹槽18的数量、条码的数量或者音轮的齿数相同数量的测试转速信号。33.驱动及调理模块2在控制器6控制下驱动转速测量传感器1工作，并且接收转速测量传感器1产生的测试转速信号，先后经过放大电路放大、滤波电路滤波，生成预处理后的电压信号传输到电平转换模块3。34.电平转换模块3接收预处理后的电压信号，采用阈值电平切割的方式进行电平转换，将信号从模拟信号转化为数字信号，生成脉冲形式的数字电压信号传输到锁相倍频单元4。35.锁相倍频单元4中，鉴相器7通过比较电平转换模块3输出的数字电压信号与分频器10输出的反馈信号之间的相位差，生成与相位差相关的脉冲形式的误差电压信号；环路滤波器8采用低通滤波器类型，将误差电压信号处理成直流电压信号；压控振荡器9在直流电压信号的控制下，生成脉冲形式的锁相倍频信号同时传输到小数分频单元5和分频器10；分频器10在控制器控制下将锁相倍频信号分频，生成反馈信号传输到鉴相器7。36.小数分频单元5在控制器6控制下对锁相倍频信号分频，生成脉冲形式的叶片振动测量键相基准信号。37.进一步的，上述实施例中：38.转速测量传感器1可以选用磁电式传感器、霍尔传感器或光电式传感器类型，产生的脉冲信号是电压信号或电流信号，脉冲信号的形式可以是单极性脉冲或双极性脉冲；电平转换模块3可以选用固定阈值电平切割的方式，将模拟电压信号转化为ttl电平的数字信号；锁相倍频单元4采用模拟锁相环或数字锁相环类型，鉴相器7采用乘法器或时序电路类型；环路滤波器8起到抑制相位噪声和杂散噪声的作用，可以选用无源滤波器或者有源滤波器；小数分频单元5采用一个或多个分频器实现分频功能；控制器6可选用stm32系列单片机。39.具体的，结合上述实施例提供的信号产生装置，基于锁相技术的叶片振动测量键相基准信号产生方法的具体内容如下：40.s1、启动信号产生装置后，驱动及调理模块2在控制器6控制下驱动转速测量传感器1工作，转速测量传感器1产生测试转速信号，信号的重复频率为fs，并且fs＝m·fr，其中m为传感器探头正对的转轴凹槽18的数量、条码的数量或者音轮的齿数，fr为主动轮转轴17的转速；41.s2、测试转速信号先后经过驱动及调理模块2的放大、滤波及电平转换模块3的电平转换，生成脉冲形式的数字电压信号，该信号在锁相倍频单元4内实现频率倍频，生成锁相倍频信号，信号的重复频率为fp，并且fp＝m1·m·fr，其中m1为主动轮16的齿数；42.s3、锁相倍频信号在小数分频单元5内实现频率分频，生成叶片振动测量键相基准信号，信号的重复频率为fo，并且fo＝m1/m2·fr，其中m2为从动轮14的齿数；43.具体的，当m1和m2·m的最大公约数为n时，步骤s2中锁相倍频单元4的倍频数采用m1/n，由控制器6配置分频器10实现；步骤s3中小数分频单元5的分频数采用m2·m/n，由控制器6配置小数分频单元5实现。例如，当m＝36、m1＝50、m2＝80时，n＝10，控制器6通过配置分频器10，设置锁相倍频单元4的倍频数为m1/n＝5；控制器6通过配置小数分频单元5，设置小数分频单元5的分频数为m2·m/n＝288。44.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。









图片声明：本站部分配图来自人工智能系统AI生成,觅知网授权图片,PxHere摄影无版权图库。本站只作为美观性配图使用,无任何非法侵犯第三方意图,一切解释权归图片著作权方,本站不承担任何责任。如有恶意碰瓷者,必当奉陪到底严惩不贷!




内容声明：本文中引用的各种信息及资料（包括但不限于文字、数据、图表及超链接等）均来源于该信息及资料的相关主体（包括但不限于公司、媒体、协会等机构）的官方网站或公开发表的信息。部分内容参考包括:(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供参考使用,不准确地方联系删除处理！本站为非盈利性质站点,发布内容不收取任何费用也不接任何广告!




免责声明：我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本文部分文字与图片资源来自于网络，部分文章是来自自研大数据AI进行生成,内容摘自(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!