[发明专利]基于APD阵列的叶片振动参数测量方法和装置

说明书

本方法涉及旋转动叶片非接触振动测量领域，为提出一种基于APD阵列的叶片振动参数测量方法，主要是为了提高叶尖定时精度及克服信号欠采样的问题。本发明，基于APD阵列的叶片振动参数测量方法和装置：光源发出的光经过光学系统投射到旋转叶片上，叶片通过光学系统成像到APD阵列上，随着某叶片周向位置的改变，叶片成像到不同的APD阵列单元上，进而产生多路多通道的定时脉冲记录叶片处于不同位置的具体时刻，结合转子转速计算获得叶片不同时刻的振动位移，利用速矢端迹法、双参数法、均布法实现叶片振动参数的辨识。本发明主要应用于叶片非接触振动测量场合。

技术领域

本方法涉及旋转动叶片非接触振动测量领域，特别是一种基于APD阵列的叶片振动参数测量方法。具体讲,涉及基于APD阵列及叶尖定时原理的叶片振动参数测量方法和装置。

背景技术

在航空发动机、燃气轮机、汽轮机、烟气轮机等大型旋转机械中，动叶片作为核心做功元件，其运行状态参数直接影响设备的工作性能及运行安全，高温下叶片振动参数的在线测量是保证设备工作性能和运行安全的关键。

目前，非接触旋转叶片叶尖定时测振技术是典型的非接触检测方法。叶尖定时原理如图1所示，叶尖定时传感器安装于机匣上，在定子上安装转速同步传感器，当叶片扫过叶尖定时传感器时测量电路产生脉冲信号记录叶片相对转速同步传感器的到达时间。根据测得的叶片到达时间与无振动情况下叶片理论上的到达时间进行比较，结合当前转速，即可获得叶片的振动位移。然后通过上位机程序和相关辨识算法即可计算得到叶片振动频率、幅值等振动参数。

一方面，由于叶尖传感器安装数量的限制，每支叶片旋转一周测量的振动数据有限，叶片的振动频率常常是转速的几十倍，因此，叶片振动位移的测量是一个极度欠采样过程，叶片振动参数辨识有一定难度。

另一方面，传感器的时间分辨率直接关乎叶尖定时测振系统精度。而雪崩光电二极管(APD)阵列由于精度高、抗干扰能力强已成为现在主流的光电探测器件之一。APD阵列探测器兼具单光子探测灵敏度和皮秒级时间分辨率两大特点。同时，由于APD阵列可具有多通道并行测量能力，其阵列中的每个单元都可以作为一路测量通道，可用于非接触旋转叶片叶尖定时测振系统，当叶片扫过传感器时，APD阵列可产生多路定时脉冲，用于叶片到达时间的高精度鉴别。

发明内容

为克服现有叶尖定时测振技术的不足，本发明旨在提出一种基于APD阵列的叶片振动参数测量方法，主要是为了提高叶尖定时精度及克服信号欠采样的问题。本发明采用的技术方案是，基于APD阵列的叶片振动参数测量装置，包括：发射子系统，接收子系统，控制与信号处理子系统；

进一步，发射子系统包括光源和光学系统，光源发出的光经过光学系统投射到旋转叶片上；

进一步，接收子系统包括多路光学系统和APD阵列，每个APD阵列又包含多个APD阵列单元，每个单元作为独立通道接收到光子时可产生电压信号，当叶片扫过传感器时，叶片通过光学系统成像到APD阵列上，随着某叶片周向位置的改变，叶片成像到不同的APD阵列单元上，进而产生多路多通道的定时脉冲记录叶片处于不同位置的具体时刻，设叶片数为n，叶片的旋转半径为R,当第i个叶片经过传感器时，位置相对于转速同步点的夹角为α_i，没有振动时夹角为α₀，转子转速为Ω；当转速同步信号到达后，叶片i经过叶尖定时传感器的时间为t_i,那么α_i＝Ω×t_i，进而求得振动位移：

y_i＝R(α_i-α₀)。

进一步，控制与信号处理子系统包括传感器驱动与信号处理电路和上位机，传感器驱动与信号处理电路将APD阵列产生的电压脉冲序列进行初步的放大和阈值处理，时刻鉴别，产生可供CPU处理的数字信号，进而通过上位机上内置的速矢端迹法、双参数法、均布法实现叶片振动参数的辨识。