[发明专利]基于微波的动叶片叶尖间隙和振动参数融合测量装置

摘要

本发明涉及旋转动叶片非接触振动测量领域，为有效提高振动参数测量精度，实现叶尖间隙高精度测量，本发明采用的技术方案是，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。本发明主要应用于旋转动叶片非接触振动测量场合。

主权项

1.一种基于微波的动叶片叶尖间隙和振动参数融合测量装置，其特征是，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；单片机控制锁相环PLL提供稳定的发射信号和本振信号；在测量过程中，对锁相环PLL产生射频微波信号的频率进行扫描，通过自动增益控制电路AGC的功率检测功能确定微波传感器的最小驻波点频率，通过调整锁相环PLL频率使微波传感器工作在最小驻波点附近；发射信号经环形器后通过安装在机匣上的微波传感器向转子轴方向投射微波，同时接收由叶尖反射的信号；其中的一路回波信号与本振信号经混频器混频后依次经过低通滤波电路、高通滤波电路滤波后得到同相信号I，另一路回波信号与经90°移相器移相后的本振信号依次经过混频器混频、及低通滤波电路、高通滤波电路滤波后得到正交信号Q；另外传感器驱动模块将I和Q两路信号经乘法器平方及加法器相加后由自动增益控制电路AGC保持信号幅度不变，经比较器提取信号的幅值生成前后沿陡峭、光滑的定时强度信号；比较器采用双边沿联合检测的方法，同时采集定时脉冲两个边沿的定时值，取其平均值作为叶尖定时值，消除信号上升时间变化对定时参数测量的影响；两路正交解调信号通过A/D模拟数字信号转化器模数转换，由数据采集模块采样并利用现场可编程门阵列FPGA同时将叶尖定时时刻值和叶尖间隙位移值高速传输给上位机；其中，数据采集模块利用数字信号处理器DSP，采用反正切或DCM算法及相位解包裹方法，计算出相位并得到实时的叶尖间隙位移值；上位机实现多级转子测量数据的实时显示、存储，以及数据回显、数据分析、振动参数辨识；传感器驱动模块：用于驱动微波传感器，即一方面向微波传感器提供发射信号，另一方面对微波传感器的接收信号进行处理；其中，单片机MCU控制锁相环PLL产生射频微波信号，一路经环形器由微波传感器发射的信号由式1表示：其中，As为发射信号幅值，ωs为发射信号频率，为时间零点发射信号的初相位，以测量开始时刻作为时间零点，t为时间；另一路作为本振信号提供给混频器，由式2表示：其中，Ai为本振信号幅值，为时间零点本振信号的初相位，以测量开始时刻作为时间零点，t为时间；其中，单片机MCU控制锁相环PLL产生射频微波信号的频率进行扫描，通过自动增益控制电路的功率检测功能确定微波传感器的最小驻波点频率，通过调整锁相环频率使传感器工作在最小驻波点附近，提高系统信噪比；其中，环形器用于将微波信号单向环形传输，即一方面将锁相环PLL产生的微波发射信号传输给微波传感器，另一方面将微波传感器接收信号传输给混频器；微波传感器接收信号由式3表示：其中，前一项为叶尖反射信号，为传输路径上的累积相位，为叶尖间隙变化引起的相位差，是瞬变信号，A(t)为叶尖反射信号幅值，相对于微波载波频率而言是一个缓变信号；后一项为传感器端面反射信号，是缓变信号，Ar为端面反射信号幅值，令传感器正对叶片时接收信号的幅值为A0，此时有最小叶尖间隙d0；根据雷达方程，设雷达发射功率为Pt，雷达天线增益为Gt，Ae为天线有效面积，σ为目标的雷达散射截面积RCS，在不考虑路径损耗的情况下，在自由空间距离目标R的天线接收到的功率Pr为式4：由式3和式4可得，接收信号的幅值A(t)由式5表示：其中，d0为最小叶尖间隙，d(t)为叶尖间隙变化函数，σ0为传感器正对叶片时目标的雷达散射截面积RCS，A0为传感器正对叶片时接收信号的幅值；将式5代入式3，接收信号表示为式6：其中，移相器将锁相环PLL输出的一路本振信号进行90°移相，并与移相之前的本振信号一并传输给混频器；其中，混频器一方面将接收到的叶尖信号与本振信号混频，信号由式7表示：另一方面将接收到的叶尖信号与90°移相后的本振信号混频，信号由式8表示：其中，低通滤波电路滤除S_I和S_Q的高次载波信号，得到低频信号可由式9和式10表示：其中，高通滤波电路滤除S_I和S_Q缓慢变化的端面反射信号，得到两路正交信号可由式11和式12表示：其中，两路正交解调信号通过模数转换后由数据采集模块进行采集和传输；其中，由于两路信号正交，将I和Q两路信号平方后相加，可去除相位项，得到的叶尖定时信号等于反射信号强度的平方，由式13表示：令传感器正对叶片时接收信号的幅值为A0，此时有最小叶尖间隙d0，根据Friis雷达方程，接收信号的幅值由式14表示：因此解调得到的强度信号由式15表示：其中，利用自动增益控制电路AGC使在叶尖间隙变化时信号幅度保持不变，以减小间隙变化带来的定时误差，并可以防止弱信号定时失效；其中，采用双边沿联合检测方法，将通过自动增益控制电路AGC后的信号与参考电平比较得到定时脉冲，同时采集定时脉冲两个边沿的定时值，取其平均值作为叶尖定时值，以消除信号上升时间变化对定时参数测量的影响。