基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法及系统

技术领域

本发明涉及旋转机械的叶片健康监测技术领域，具体地，涉及一种基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法及系统。

背景技术

旋转叶片是大型旋转机械的核心做功部件，其自身的健康状态直接影响到整个系统的工作状态、效率和安装性能。因此，叶片的健康监测对于异常识别和故障预警具有重要意义。

叶片与机匣内壁之间的叶尖间隙测量方法和叶片振动监测的叶尖定时技术在叶片健康监测领域得到了广泛的关注。目前常用的叶尖间隙测量和叶尖定时方法有电容法、涡流法、光纤法和微波法。其中，电容法的耐热性好，传感器的制作成本低；涡流法传感器的体积小，测量精度高；光纤法传感器的性能稳定，并且具有非常高的测量精度；微波法由于其优良的环境适用性、对油污杂质干扰不敏感、动态响应良好等优点而得到了广泛关注。

但是，目前微波叶尖间隙和叶尖定时测量的研究较少，并且缺少使用单个微波传感器实现叶尖间隙和叶尖定时同时测量的方法。因此，如何系统地建立叶尖间隙和叶尖定时的微波测量方法并实现使用单个微波传感器的同时测量迫在眉睫；对于提高微波法在叶片健康监测领域的实用性、降低测量系统的复杂度具有重要意义。

现有的电容法无法适用于高速旋转的工况，涡流法的带宽不满足高频采样的要求，光纤法无法在高温高压油污的恶劣工况下稳定工作，且其价格昂贵；现有的微波法能够在恶劣工况下工作并且叶尖间隙测量和叶尖定时的可行性已经分别被验证，但是依旧缺少使用单个微波传感器同时测量叶尖间隙和叶尖定时的技术。

在公开号为CN107101600A的中国专利文献中，公开了一种基于微波的动叶片叶尖间隙和振动参数融合测量装置，包括：微波传感器，传感器驱动模块，传感器驱动模块包括环形器、锁相环PLL、移相器、混频器、低通滤波电路、高通滤波电路、单片机MCU、乘法器、加法器、自动增益控制电路AGC、比较器、A/D模拟数字信号转化器；数据采集模块，数据采集模块包括现场可编程门阵列FPGA、数字信号处理器DSP，上位机。但该专利文献主要是针对高温高速高污染的机械运行环境下动叶片叶尖间隙和振动参数同时测量的缺点，依旧无法使用单个微波传感器同时测量叶尖间隙和叶尖定时。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法及系统。

根据本发明提供的一种基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法，包括：

步骤S1：采集正交基带信号，提取幅值分量和相位分量；

步骤S2：校准并传输基带信号；

步骤S3：接收基带信号，根据幅值分量和相位分量，提取叶尖定时值和叶尖间隙值。

优选的，所述步骤S1中，根据I/Q采集正交基带信号，且：

式中，I(t)，Q(t)为基带信号，A(t)为幅值分量，

优选的，所述步骤S3包括以下子步骤：

步骤S3.1：根据幅值分量获取叶尖到达时刻，估算叶片的振动位移及转速；

步骤S3.2：基于相位分量，提取叶片正对微波传感器时刻的叶尖间隙值。

优选的，所述步骤S3.1包括以下子步骤：

步骤S3.1.1：对幅值分量进行峰值搜索，提取峰值时刻；

步骤S3.1.2：截取峰值时刻附近的幅值分量和相位分量；

步骤S3.1.3：对截取的幅值分量进行平滑滤波和峰型拟合，提取叶尖的实际到达时刻t

式中，Φ(n,b)为第b个叶片在第n圈的累积角度；Φ(n,1)为第一个叶片的参考累积角度，且为0；

步骤S3.1.4：拟合叶片累积角度Φ(n,b)和叶尖实际到达时刻t

式中，f

通过直线拟合方法生成叶片的理论到达时刻t

式中，

步骤S3.1.5：根据直线拟合的结果和生成的叶片理论到达时刻，估计叶片的转速和振动位移；

式中，x(n,b)为第b个叶片在第n圈的振动位移，v

优选的，所述步骤S3.2包括以下子步骤：

步骤S3.2.1：对截取的相位分量进行平滑滤波和峰型拟合，提取峰值；

步骤S3.2.2：根据相位分量及其峰值，计算该区间的叶尖间隙值，并提取叶片正对微波传感器时刻的叶尖间隙值；

式中，d(t)，

优选的，所述基带信号经校准正交不平衡、直流偏移和固定误差后进行传输。

根据本发明提供的一种基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量系统，包括：

基带信号采集模块：采集正交基带信号，提取幅值分量和相位分量；

基带信号校准模块：校准并传输基带信号；

叶尖间隙和叶尖定时的参数提取模块：接收基带信号，根据幅值分量和相位分量，提取叶尖定时值和叶尖间隙值。

优选的，所述基带信号采集模块中，根据I/Q采集正交基带信号，且：

式中，I(t)，Q(t)为基带信号，A(t)为幅值分量，

优选的，所述叶尖间隙和叶尖定时的参数提取模块包括以下子模块：

叶尖定时参数提取模块：根据幅值分量获取叶尖到达时刻，估算叶片的振动位移及转速；

叶尖间隙参数提取模块：基于相位分量，提取叶片正对微波传感器时刻的叶尖间隙值。

优选的，所述叶尖定时参数提取模块包括以下子模块：

叶尖定时参数提取子模块M1：对幅值分量进行峰值搜索，提取峰值时刻；

叶尖定时参数提取子模块M2：截取峰值时刻附近的幅值分量和相位分量；

叶尖定时参数提取子模块M3：对截取的幅值分量进行平滑滤波和峰型拟合，提取叶尖的实际到达时刻t

式中，Φ(n,b)为第b个叶片在第n圈的累积角度；Φ(n,1)为第一个叶片的参考累积角度，且为0；

叶尖定时参数提取子模块M4：拟合叶片累积角度Φ(n,b)和叶尖实际到达时刻t

式中，f

通过直线拟合方法生成叶片的理论到达时刻t

式中，

叶尖定时参数提取子模块M5：根据直线拟合的结果和生成的叶片理论到达时刻，估计叶片的转速和振动位移；

式中，x(n,b)为第b个叶片在第n圈的振动位移，v

优选的，所述叶尖间隙参数提取模块包括以下子模块：

叶尖间隙参数提取子模块N1：对截取的相位分量进行平滑滤波和峰型拟合，提取峰值；

叶尖间隙参数提取子模块N2：根据相位分量及其峰值，计算该区间的叶尖间隙值，并提取叶片正对微波传感器时刻的叶尖间隙值；

式中，d(t)，

优选的，所述基带信号经校准正交不平衡、直流偏移和固定误差后进行传输。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明解决了现有的微波法在叶尖间隙和叶尖定时测量技术中，无法使用单个微波传感器同时测量叶尖间隙和叶尖定时的难题，并建立了完整的测量理论方法和测量系统，提高了测量系统的实用性，降低了复杂度。

2、本发明基于基带信号的幅值分量和相位分量受叶片到微波传感器之间距离调制的原理，实现了分别利用同一基带信号的幅值分量进行叶尖定时、相位分量进行叶尖间隙测量，能够高效的采集并分析数据，节约了成本，增加了可靠性。

3、本发明能够广泛地应用于旋转机械的叶片健康监测技术领域中，为获取叶片的相关数据提供了一种新的途径。

本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的方法流程图。

图2为本发明提供的系统示意图。

图3为本发明实施例中的信号波形、幅值分量和相位分量示意图。

图4为本发明实施例中叶尖定时方法估计的叶片的转速示意图。

图5为本发明实施例中叶尖定时方法估计的叶片的振动位移示意图。

图6为本发明实施例中提取的12个叶片里每个叶片正对微波传感器时的叶尖间隙值示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，一种基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法，包括：

首先根据采集的正交基带信号I/Q，提取幅值分量和相位分量。本实施例对具有12个矩形叶片的风扇进行了测量并使用激光传感器进行对比。微波收发器与目标风扇距离2mm，参照图3(a)所示，采集I/Q基带信号。

式中，I(t)，Q(t)为基带信号，A(t)为幅值分量，

参照图3(b)和图3(c)所示，之后对信号的正交不平衡和直流偏移进行校准。

接下来根据信号的幅值分量提取叶尖到达时刻，并利用直线拟合法估计叶片的转速和叶片的振动位移，以实现叶尖定时测量。

具体操作如下：

参照图3(d)和图3(e)所示，先对幅值分量进行峰值搜索，提取峰值时刻；然后截取峰值时刻附近的幅值分量和相位分量。对截取的幅值分量进行平滑滤波和峰型拟合，提取叶尖的实际到达时刻t

式中，Φ(n,b)为第b个叶片在第n圈的累积角度。Φ(n,1)是第一个叶片的参考累积角度，且一般为0。

拟合叶片累积角度Φ(n,b)和叶尖实际到达时刻t

式中，f

由于叶片的振动位移引起的累积角度变化很小，因此点(Φ(n,b),t

式中，

参照图4所示，接着根据直线拟合的结果和生成的叶片理论到达时刻，估计叶片的转速和振动位移：

式中，x(n,b)为第b个叶片在第n圈的振动位移，v

参照图3(f)所示，最后根据上述操作中截取的叶尖对应的相位分量，提取叶片正对微波传感器时刻的叶尖间隙值。

具体操作如下：

先对截取的相位分量平滑滤波和峰型拟合，提取峰值，再利用相位分量及其峰值，计算该区间的叶尖间隙值，并提取叶片正对微波传感器时刻的叶尖间隙值；

式中，d(t)，

参照图5和图6所示，在不同位置测量下微波传感器和激光传感器测量的间隙值和振动位移的均值和方差大致相同。本实施例证明了微波传感器同时测量叶尖间隙和叶尖定时的可行性。

本发明解决了现有的微波法在叶尖间隙和叶尖定时测量技术中，无法使用单个微波传感器同时测量叶尖间隙和叶尖定时的难题，实现了分别利用同一基带信号的幅值分量进行叶尖定时、相位分量进行叶尖间隙测量，并建立了完整的测量理论方法和测量系统，提高了测量系统的实用性，降低了复杂度。

本发明还提供一种基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量系统，所述基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量系统可以通过执行所述基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量方法理解为所述基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量系统的优选实施方式。

具体的，参照图2所示，一种基于微波的叶尖间隙和叶尖定时同时测量系统，包括：

基带信号采集模块：由微波收发器，数据采集单元和控制器组成。

首先，微波收发器向旋转叶片发射电磁波并接收回波信号，输出I/Q两路正交的基带信号用于叶尖间隙和叶尖定时测量。然后数据采集单元将微波收发器输出的基带信号采集并传输给后续的基带信号校准模块和参数提取模块。而控制器则用于控制微波收发器的信号发射和接收、数据采集单元对基带信号的采集和传输。

基带信号校准模块：由信号校准处理器组成。该处理器对上述采集到的基带信号的正交不平衡、直流偏移和固定误差进行校准，并将校准后的基带信号传输给参数提取模块。

叶尖间隙和叶尖定时的参数提取模块：由参数提取处理器组成。该处理器提取校准后基带信号中对应叶尖部分的幅值分量，根据峰值位置提取叶片实际到达时刻，利用直线拟合法估计叶片转速和振动位移；提取基带信号中叶尖部分的相位分量，通过相位解调和峰值拟合提取叶片正对微波传感器时刻的叶尖间隙值。

参照图5和图6所示，在不同位置测量下微波传感器和激光传感器测量的间隙值和振动位移的均值和方差大致相同，证明了微波传感器同时测量叶尖间隙和叶尖定时的可行性。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。