（测试计量技术及仪器专业论文）测振用叶尖定时传感器的设计.pdf

q i 文摘要 中文摘要 叶尖定时测振技术是高速旋转叶片振动实时监测系统发展的主要技术之一， 其中叶尖定时传感器的设计是该项技术的关键。本文依托国家自然科学基金课题 “旋转叶片振动参数叶尖定时测量的关键技术研究”，基于叶尖定时测量技术， 对国外的两种光电式传感器进行了实验室复现，设计了y 型光纤束式叶尖定时传 感器并通过了现场实验的验证，对一体化光纤光源探测器进行了深入的分析，设 计了一种新型的电容式脉冲传感器，满足了高速旋转叶片振动检测系统的要求。 本文的主要工作包括以下几个方面： 1 在用光纤式传感器实现叶尖定时测量的方案中，优选了分立式叶尖定时传感 器和y 型光纤式叶尖定时传感器，进行了详细的理论分析和实验验证。 2 设计制作了y 型光纤束式叶尖定时传感器，建立了数学模型，经过静态、动 态模拟实验分析和现场实验，充分证明了其工作的可靠性。 3 对y 型光纤束的一体化设计进行了探索研究，详细分析了一体化光纤测头的 结构设计，建立了数学模型。 4 针对高温、高污染的工作环境要求，设计了单屏蔽电容式脉冲传感器和双屏 蔽电容式脉冲传感器，建立了数学模型，利用驱动电缆技术成功的克服了单 屏蔽电容式脉冲传感器寄生电容大的缺陷，经过动态实验，验证了双屏蔽电 容式脉冲传感器工作的可靠性。 关键词：叶片振动叶尖定时光纤传感器光纤束电容传感器 英文摘要 a b s t r a c t t h et i p - t i m i n gv i b r a t i o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t t e c h n i q u ei nr e s e a r c ho fr e a l t i m ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n tf o rh i g h s p e e db l a d e a n d t h ed e s i g no ft i p t i m i n gs e n s o r si sk e yt ot h i st e c h n i q u e b a s e do nt i p t i m i n g m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ，t h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c hi sf i n a n c e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef u n d ( p r o j e c tn o 5 0 0 0 一“t h er e s e a r c ho fp i v o t a lt i p - t i m i n gm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e o fr o t a t i o n a lb l a d ev i b r a t i o n p a r a m e t e r ) ，r e a l i z e d t w o t y p e s o f p h o t o e l e c t r i cs e n s o ra g a i na n dd e s i g n e d t h eyt y p eo fo p t i c a lb u n d l e st i p - t i m i n g s e n s o r i na d d i t i o nt h ed e t e c t i n ga p p a r a t u so ff i b e rl i g h ts o u r c ei sa n a l y z e dd e e p l ya n d an e wt y p e c a p a c i t i v ep u l s es e n s o ri sd e s i g n e dt os a t i s f yw i t ht h er e q u e s to ft h e v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mo f h i 曲一s p e e dr o t a t i o n a lb l a d e t h em a i nw o r ki n c l u d ei nt h ed i s s e r t a t i o na r es h o w na sf o l l o w s ： 1 i nt h ep r o j e c to ft i p t i m i n gm e a s u r e m e n tu s i n gf i b e rs e n s o r s ，t h es e p a r a t i v e t i p t i m i n gs e n s o ra n dyt y p ef i b e rt i p t i m i n gs e n s o ra r ep r e f e r e n t i a ls e l e c t e d ，t h e n w h i c ha r ea n a l y z e di nt h e o r ya n dd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t 2t h eyt y p ef i b e rt i p - t i m i n gs e n s o ri sd e s i g n e d b ym e a n so fs t a t i ca n dd y n a m i c s i m u l a n te x p e r i m e n ta n df i e l de x p e r i m e n t a sw e l la sf o u n d e dt h em a t h e m a t i c m o d e l ，i ti sp r o v e dt ob er e l i a b l e 3 t h ei n c o r p o r a t ed e s i g no fyt y p ef i b e rb u n d l ei sr e s e a r c h e de x p l o r i n g l y t o g e t h e r w i t hm a t h e m a t i cm o d e l ，t h ei n c o r p o r a t ef i b e rb u n d l es t r u c t u r ed e s i g ni sa n a l y z e d 4t ot h eq u e s t i o no f h i g ht e m p e r a t u r ea n dh e a v yp o l l u t e dw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，t h e s i n g l e s h i e l d e da n dt h ed o u b l e s h i e l d e dc a p a c i t i v ep u l s e s e n s o r sa r ed e s i g n e d ， t h em a t h e m a t i cm o d e li sa l s of o u n d e d ，u s i n gd r i v e r i n gc a b l et e c h n i q u et h e d o u b l e s h i e l d e dc a p a c i t i v ep u l s es e n s o ro v e r c a m et h ed e f e c to fb i gp a r a s i t i c a l c a p a c i t a n c eo fs i n g l es h i e l d e d s e n s o r m e a n w h i l ei t sw o r k i n gr e l i a b i l i t yi s v a l i d a t e db yd y n a m i ce x p e f i m e n t k e yw o r d s ： b l a d ev i b r a t i o n t i p - t i m i n g f i b e rs e n s o rf i b e rb u n d l ec a p a c i t i v es e n s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得玉洼盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谓j 意。 学位论文作者签名：多争荔绎 签字日期： 础年月乞日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阆。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 瑶为孥 导师签名： 鞭线酝 签字日期：妒s 年月他日签字日期：矽f 年月2 t f 了 第一章序论 i i 课题研究背景 第一章绪论 在现代工业中，广泛使用各种类型的涡轮机械，这些涡轮机均由高速定轴旋 转的转子、定子与机匣三大部分组成。涡轮机转子通常以很高的转速工作，运行 中的叶轮机械高速涡轮叶片时刻承受强烈的气体冲击，其工作可靠性直接影响叶 轮机械的整机性能和运行安全。气流分布不均匀、不稳定及转子不平衡的离心力 等会使转子振动，特别是汽轮机组在小流量条件下，会产生强烈的旋涡失速流， 激发工作叶片自激共振，对汽轮机组的运行安全具有潜在威胁；而当叶轮机械的 静叶出i ：i 存在任何不均匀来流时，又会对叶片本身产生流动激振力，直接影响叶 片的工作寿命。 随着压气机的压力负荷和转速的提高，伴随着机器的运转而产生的叶片的振 动会导致转子中一些组件在工作中不可靠，出现疲劳断裂等，特别在高速运转过 程中，一+ 个叶片的折断会造成整台压气机的完全损坏。在新型号涡轮机械的研制 过程中，未知因素甚多，研制人员多半凭经验工作，带有相当的冒险性，因此迫 切需要一种能够实时监测叶片振动状态的测量方法，将涡轮机叶片高速旋转时发 生断裂的可能性降到最低。涡轮机的一个很重要的应用就是航空发动机，它的应 力和振动测量的最主要特点是高速旋转和高温下的测量。高速旋转和高温，不但 对传感器的敏感元件和结构本身，而且对传感器的安装防护和连接电缆的焊接， 均提出了一些特殊的要求。传统的应变片测振传感器已经不适合航空发动机实 时、高精度、非接触的要求，必须研制新式的非接触式传感器来拾取叶片的振动 信号。对高速旋转叶片测振用非接触式传感器提出了更高的要求：很宽的输出频 宽、很强的抗环境干扰能力、很强的抗电磁干扰能力、高精度、高信噪比等。 本课题依托国家自然科学基金课题“旋转叶片振动参数叶尖定时测量的关键 技术研究”，对国外的两种光电式传感嚣进行了实验室复现，设计了y 型光纤束 式叶尖定时传感器并通过了现场实验的验证，对一体化光纤光源探测器进行了深 入的分析，设计了一种新型的电容式脉冲传感器，满足了高速旋转叶片振动检测 系统的要求。 第章序论 1 , 2 叶片振动测量传感器 按所用传感器形式的不同，高速旋转叶片振动测量技术可以分为接触式测量 和非接触式测量，传统的接触式测量方法采用的传感器主要是电阻应变片式传感 器，虽然技术已经很成熟，但是在应用上由许多不足之处：电阻应变片安装费时 费力、t 作寿命短、信号引出十分复杂，需要附带昂贵的引出器等，制约了电阻 应变片式传感器在叶片振动测量领域的应用。近年来为提高旋转叶片振动测量系 统的性能，适应高转速、实时、全面监测的要求，利用非接触测量原理的各种叶 h 振动测量传感器得到了飞速的发展，各种磁电式、电容式和光电式传感器得到 了应用。磁电式传感器要求叶片端部磁化，且对不同的导磁材料有不同的灵敏度； 电容式传感器的抗干扰能力较差，传输电缆电容和寄生电容并联到传感器工作电 容上，降低，电容式传感器的灵敏度：光电式传感器以其响应快、频带宽的特点， 得到了广泛的研究和应用，光纤传感器以其小型化、抗电磁干扰能力强、灵敏度 高、适合长期监测等优点得到了广泛应用。 1 2 1 电阻应变片式测振传感器 长期以来，电阻应变片法直是进行叶片振动试验和检狈_ i 方雨研究的基本方 法。由于叶片处于高速旋转状态，因此对电阻应变片式传感器提出了特殊的要求， 即应变片和导线的安装既要牢固又要合理，应变片和导线不仅承受着较大的离心 力作用，还要承受高速高温气流的冲刷，所以除了粘贴牢固外，通常在应变片和 导线外表面采用涂胶或焊金属箔片的方法加以保护；另外，旋转件对动平衡要求 很高，应变片的安装和导线的走向应阻不破坏其平衡精度为前提。 应用电阻应变片式传感器进行测量时，电阻应变片粘贴在叶片上，从应变片 引出的导线沿着叶片、叶根、叶轮和轴敷设，最后接入到一个专门的集流器装置 中。旋转试件的热源除了环境温度变化外，还有来自轴承、电动机以及试件与空 气的摩擦等，不能用简单的桥臂补偿。通常采用温度自补偿应变片或将补偿片“假 贴”在试什上，使其与工作应变片所处环境温度一样，但不受力。 电阻应变片方法发展时间长，技术成熟并且被广泛采用，因此它仍然是目前 振动应力测量的主要手段。但是这种方法实际上有很多本质上的缺点：由于通往 集流器装雹的通道数日受到定限制，加1 转子试验准备的复杂性，因此该方法 无法同时观察很多叶片。由于用电阻应变片法测量叶片的动应力，仅仅是在某几 个叶片上进行的，从而极大地影响了叶片上最大动应力可靠性的确定，于是导致 使用寿命降低或强度储备增加。另外，应变片法试验准备的_ 作量很大：传感器、 使用寿命降低或强度储备增加。另外，应变片法试验准备的工作量很大：传感器、 2 第一章序论 1 2 叶片振动测量传感器 按所用传感器形式的不同，高速旋转叶片振动测量技术可以分为接触式测量 和非接触式测量，传统的接触式测量方法采用的传感器主要是电阻应变片式传感 器，虽然技术已经很成熟，但是在应用上由许多不足之处：电阻应变片安装费时 费力、工作寿命短、信号引出十分复杂，需要附带昂贵的g i 出器等，制约了电阻 应变片式传感器在叶片振动测量领域的应用。近年来为提高旋转叶片振动测量系 统的性能，适应高转速、实时、全面监测的要求，利用非接触测量原理的各种叶 片振动测量传感器得到了飞速的发展，各种磁电式、电容式和光电式传感器得到 了应用。磁电式传感器要求叶片端部磁化，且对不同的导磁材料有不同的灵敏度； 电容式传感器的抗干扰能力较差，传输电缆电容和寄生电容并联到传感器工作电 容上，降低了电容式传感器的灵敏度：光电式传感器以其响应快、频带宽的特点， 得到了广泛的研究和应用，光纤传感器以其小型化、抗电磁干扰能力强、灵敏度 高、适合长期监测等优点得到了广泛应用。 1 2 1 电阻应变片式测振传感器 长期以来，电阻应变片法一直是进行叶片振动试验和检测方面研究的基本方 法。由于叶片处于高速旋转状态，因此对电阻应变片式传感器提出了特殊的要求， 即应变片和导线的安装既要牢固又要合理，应变片和导线不仅承受着较大的离心 力作用，还要承受高速高温气流的冲刷，所以除了粘贴牢固外，通常在应变片和 导线外表面采用涂胶或焊金属箔片的方法加以保护；另外，旋转件对动平衡要求 很高，应变片的安装和导线的走向应以不破坏其平衡精度为前提。 应用电阻应变片式传感器进行测量时，电阻应变片粘贴在叶片上，从应变片 引出的导线沿着叶片、叶根、叶轮和轴敷设，最后接入到一个专门的集流器装置 中。旋转试件的热源除了环境温度变化外，还有来自轴承、电动机以及试件与空 气的摩擦等，不能用简单的桥臂补偿。通常采用温度自补偿应变片或将补偿片“假 贴”在试件上，使其与工作应变片所处环境温度一样，但不受力。 电阻应变片方法发展时间长，技术成熟并且被广泛采用，因此它仍然是目前 振动应力测量的主要手段。但是这种方法实际上有很多本质上的缺点：由于通往 集流器装置的通道数目受到一定限制，加上转子试验准备的复杂性，因此该方法 无法同时观察很多叶片。由于用电阻应变片法测量叶片的动应力，仅仅是在某几 个叶片上进行的，从而极大地影响了叶片上最大动应力可靠性的确定，于是导致 使用寿命降低或强度储备增加。另外，应变片法试验准备的工作量很大：传感器、 2 第一章序论 导线、集流器的可靠性低：在两轴和三轴的多轴燃气轮发动机的情况下，传感器 的信号必须经过几个集流器，安装非常复杂难以实现。因此应变片法不再适合高 速、实时、全面、高精度的检测需求。 l 。2 。2 调频栅磁电式测振传感器 调频栅磁电式传感器主要是利用电磁感应原理进行设计，传感器工作时需要 将叶片端部磁化或在叶尖处嵌入一个小磁钢，在机匣内壁上安装方波状等节距的 金属线栅，如图1 一l 所示，传感器由叶片( 磁钢) 和线栅共同组成。 转轴转动使叶片扫过线栅，当叶尖处磁钢越过金属线栅的栅条时，在线栅中 产生一个脉冲电动势，将栅条之涮的距离作适当调整，则脉冲电势成正弦波形。 叶片未振动时，小磁钢随叶片匀速转动，线栅中的脉冲电势是一个均匀连续的正 弦信号，其频率为发动机转速1 3 和线栅条个数m 的乘积，f = m n 6 0 ，也就是载波 频率。叶片振动时，在同一个振动周期内，磁钢越过栅条的时间，有的超前，有 的滞后，即叶片振动信号对载波频率进行调制。将此调制信号经过解调，滤去载 波频率，得到与叶尖振动速度值成正比的电压信号，通过事先标定，可求得叶片 的振动应力等参数。调频栅磁电式测振传感器对线栅的制作和安装工艺要求很 高，而且磁钢必须嵌入叶尖，属于破坏性测量：另外，当叶片高速旋转时，叶片 由于强大的圆周离心力作用，很容易擦伤机匣内壁的保护石墨层，对线栅也会造 成破坏，整个传感器就会失去作用。 图1 - 1调频栅磁电式测振传感器示意图 第一章序沦 1 2 3 电容式测振传感器 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量的变化的一种传感器，电容式 传感器以其结构简单、动态响应好、灵敏度高、能在恶劣环境下工作等优点而被 广泛使用。电容式测振传感器的测量是以问断相位法为基础，测量叶片端部在涡 轮机转子每旋转一转时通过一定空间点( 电容传感器测头) 的时间，再通过对同 一个叶片时间序列进行分析，结合传感器的不同分布，得到叶片的振动幅值、振 动频率和振型等参数；并且电容式测振传感器可以在高温、高污染的环境下正常 工作。涡轮机的叶片有用金属材料制成的，也有用合成材料制成的，电容式测振 传感器只适用于各种金属材料制成的叶片，因为测头要与叶片构成电容式传感器 的两个电极。电容式测振传感器的两个电极分别是叶片电极和测头电极，测头电 极安装在涡轮机的外壳上，测头结构和安装示意图如图卜2 所示，当涡轮机转轴 旋转使叶片扫过传感器测头时，由于两个极板之间的距离和遮盖面积改变，使得 测头电极有一个近似于高斯函数变化的电容量输出，这个电容变化量的最大值 点，就是叶片电极和测头电极完全对中时的电容，记录了叶片到达电容式传感器 测头的时间，为后续数据处理提供了叶尖定时信号。 图1 2 电容式测振传感器测头结构和安装示意圈 电容式传感器的缺点是受寄生电容的影响比较大，联接传感器和电子线路的 引线电缆电容、电子线路的杂散电容和传感器内极板与周围导体构成的电容等都 会并联到传感器电容中去，降低电容式传感器的测量精度。采用强有力的屏蔽和 “驱动电缆”技术，是减小寄生电容影响的有效方法。 4 第一章序论 1 2 4 电感式测振传感器 电感式传感器是由被磁化过的用硬磁材料制成的铁芯和装在它上面的线圈 组成，带线圈的铁芯固定在钢壳上，并且铁芯和外壳形成开放的磁力线，测头结 构如图1 3 所示。当叶片在传感器测头旁通过时，在它导磁回路内的磁阻将被改 变。这样就会引起磁通的改变，因而导致传感器绕组内出现正比于磁通改变速度 的感应电动势。磁通的变化近似于高斯函数，所以输出电压是双极性脉冲信号， 电压信号的过零点就是叶片和传感器测头的磁铁芯对中的位置。通过提取信号过 零点的时间，基于间断相位法，就可以得到叶片的振动位移等需要测量的参数。 电感式传感器不需要外接电源，并且结构简单可靠、输出阻抗小、抗干扰能 力强，但是电感式传感器只是在具有铁磁材料制造的叶片的条件下才能够工作， = 怍铁磁材料制造的叶片时就不能应用了；并且电感式传感器的工作温度不能高于 铁芯材料失去磁性的过渡点的温度，所以电感式传感器一般作为转速同步和叶根 同步传感器使用。 图1 3 电感式测振传感器测头结构示意圈 1 2 5 光纤式测振传感器 从二十世纪七十年代发展起来的光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的 变化来量度它所受的环境变化。光纤传感器的优点包括：体积小，重量轻，柔软 易于布置，且不会改变结构的受力状态；抗电磁干扰能力强，灵敏度高，寿命长； 5 第章序论 能够实现对现场的实时在线测量，测量范围广，稳定性好，并且容易实现传感网 络等，因而光纤传感器得到了广泛地应用 利用光纤传感器进行叶片振动的非接触测量，仍是以间断相位法为基础，测 量叶片端部在涡轮机转子每旋转一转时通过光纤传感器测头的时间，再通过时间 序列的分析得到叶片的振动参数。光纤式测振传感器属于反射式光强调制，一般 包括发射光纤和接收光纤，发射光纤将光源发出的光传送到叶片表面，接收光纤 接收叶片表面的散射光，当涡轮机转予旋转使叶片扫过光纤传感器测头时，接收 光纤接收到一系列光脉冲信号，这些光脉冲信号记录了叶片通过光纤传感器测头 的时间，经过光电转换最终输出电压信号序列，用于对叶片振动参数的分析。 基于这个方法，国外发展了分立元件式叶尖定时传感器，采用同一根光纤作 为发射光纤和接收光纤，大孔径双凸透镜系统和小棱镜实现发射光路和接收光路 的分离，测头利用双平凸透镜实现小光斑和高接收效率；由于采用了分立式元件 的设计，各个元件表面和光纤端面的菲涅尔反射造成了严重的背景光，极大的降 低了信噪比，并且结构复杂、安装和调试空难。y 型光纤束式叶尖定时传感器采 用y 型光纤束分离发射光路和接收光路，消除了系统的背景光和提高了信噪比； 激光器采用带尾纤的结构，通过f c 接头和发射光纤相联，提高了发射光的效率； 整个传感器系统采用全光纤设计，结构简单、安装方便，并且采用大功率激光器 可以实现长距离传输，突出的表现了扰电磁干能力强、高带宽、高信噪比的特点。 y 形光纤束式传感器组成如图1 4 所示，光纤柬式测头安装在涡轮机的外壳上， 电源和光电接收部分放在控制室，通过长距离的光纤传输信号，实现了对涡轮机 叶片振动的实时监测。y 型光纤束式叶尖定时传感器成功的通过了现场实验的验 证，是本课题正在使用的旋转叶片振动测量传感器。 图1 4y 形光纤束式传感器组成和安装示意图 6 第一章序论 在y 型光纤束式叶尖定时传感器的基础上发展了一体化光纤光源探测器， 仍然采用y 型光纤束实现发射光路和接收光路的分离，不同的是发射光纤采用了 单模光纤和柱透镜相结合，柱透镜对单模光纤发射的高斯光束进行了汇聚，使打 在叶片端面的光斑有了进一步的缩小，实现了小光斑与大景深、大工作距离的有 机结合；采用大数值孔径的多模光纤作为接收光纤，提高了对散射光的收集效率。 光斑越小，信号的上升时间就越短；收集效率越高，信号的幅值就越大、信噪比 就越高，所以一体化光纤光源探测器提高了系统的测量精度，是光纤式测振传感 器的研究方向。 1 3 本章小节 课题来源于国家自然科学基金资助项目“旋转叶片振动参数叶尖定时测量的 关键技术研究”( 项目号：5 0 3 7 5 1 i 0 ) 。本章介绍了课题的研究背景与研究意义， 根据叶片振动测量传感器的发展过程，详细分析了各种测振传感器的工作原理和 研究方向，并选择了y 型光纤束式叶尖定时传感器作为本课题使用的测振传感 器。 7 第二章旋转叶片振动测量原理与系统组成 第二章旋转叶片振动测量原理与系统组成 高速旋转叶片振动非接触测量的理论基础，是基于间断相位法的叶尖定时原 理。安装在涡轮机外壳上的叶尖定时传感器，测定涡轮机旋转叶片端部通过传感 器测头的时间，在叶片没有振动的情况下，叶片到达传感器测头的时间仅取决于 转子的旋转速度；在叶片有振动的情况下，叶片到达传感器测头的时间取决于叶 片振动的振幅和频率。因此，叶片的振动特性能从这些数据中得到。 2 1 叶尖定时测量原理 叶尖定时关系如图2 一l 所示，图中给出的脉冲信号，是传感器输出信号经过 光电转换、多级放大后输出的定时信号，定时信号的上升沿记录了叶片达到传感 器的时间，是后续电路进行数据处理的基础。 叶根同步传感器是放在叶片根部，每个叶片的叶根扫过时，输出一个脉冲信 号。由于叶片根部是不振动的，所以可以作为叶尖振动信号的同步信号，达到尽 量减小压气机转速不均匀带来的测量误差。转速同步传感器放在转轴附近，转轴 每旋转一转，输出一个脉冲信号。如果压气机转速比较平稳，则可以不用叶根同 步传感器，叶尖振动信号相对于转速同步信号进行测量。 几几几n几几几f 1 l 几几 几一几 几几几几 ，il 。堡 叶尖定时信号 叶根同步信号 几几 转速同步信号 图2 - 1叶失定时关系示意图 设涡轮机或压气机的叶片数为1 1 ，叶片的旋转半径为r ，当第i 个叶片经过叶 尖定时传感器时，位置相对于转速同步点的夹角为ai ，没有振动时夹角为o 。， 第一璋旋转n l 片振动测量原理与系统组成 转子的转速为q ；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 ，相应的对于同一个叶片i ，叶尖定时信号相对于叶根同步信号的时间为t 。，那 么口，= q t ，所以可以求得振动位移为y ，= r ( a ，一口。) 。如果转速不稳定，当t 较大时将会带来较大误差。如果引入n t # t l 同步传感器，则叶尖定时传感器相对叶 根同步传感器定时时，设叶尖位置相对于叶根同步点的夹角为b ，( 没有振动时 夹角为do ) ，叶尖定时传感器相对于叶根同步点的时间为t 。那么屈= q x f 振动位移为y 。= r ( 卢。一风) 。这时即使转速不稳定，而垴相对较小，因此由转速 不稳定带来的误差也会很小。 2 2 叶片振动测量系统 非接触式涡轮机叶片振动测量系统结构式意图如图2 2 所示。将1 7 个非 接触光纤传感器安装在涡轮机相对静止的壳体上，检测旋转叶片经过传感器时所 产生的脉冲信号。在叶片发生振动时，叶片的端部在圆周方向将会向前或向后偏 离，引起脉冲到达时间的改变，综合转速同步传感器和叶根同步传感器提供的同 步信号可计算出叶片振动的振幅和频率。为提高系统性能，实现叶片共振时实时 测量叶片振动频率及幅度，系统采用5 只叶尖定时传感器均匀布置，另增2 只叶 尖定时与5 只中的1 只构成小角度分布，形成“5 + 2 ”式的创新结构，这在国内 外未见报道。 图2 - 2 高速旋转叶片振动测量系统 整个测量系统的技术关键在叶失定时传感器的设计、叶尖定时脉冲信号高 速采集系统的设计和叶片振动参数的实时分析与处理技术等。 9 笫二章旋转叶片振动测量原理与系统纲成 2 2 1 叶尖定时传感器的设计 非接触式涡轮机叶片振动测量系统传感器部分的设计包括一个转速同步传 感器、一个叶根同步传感器和多个叶尖定时传感器。叶根同步传感器在涡轮机转 速不稳定的情况下应用，叶尖振动信号相对于叶根同步信号进行测量；在涡轮机 转速比较平稳时，可不使用叶根同步传感器，叶尖振动信号相对于转速同步信号 进行测量，不影响系统的测量精度。转速同步传感器安装在转轴附近，其工作条 件比叶尖定时传感器好许多，对它的要求也降低了，利用霍尔式传感器可以满足 系统要求。 非接触式涡轮机叶片振动测量系统的叶尖定时传感器的设计是系统的关键 技术之一，因为叶尖定时传感器为数据采集与处理电路提供叶尖定时信号，后续 电路的工作完全以叶尖定时信号为基础，叶尖定时信号的精度直接影响到整个系 统的测量精度，因此对叶尖定时传感器有较高的要求：很宽的输出频宽、很强的 抗环境干扰能力和抗电磁干扰能力、高精度、高信噪比等。 叶尖定时传感器的设计主要包括四部分：光源的设计、传光光路的设计、传 感器测头的设计和光电接收电路的设计。 1 ) 光源的设计 为了整个叶尖定时传感器系统在实验阶段便于调节、不对人眼造成损害，光 波长选择在6 5 0 n m 的红光波段，则有h e n e 气体激光器和半导体激光器可供选择。 利用h e n e 气体激光器作为光源进行测量的测振传感器国外已有报道， h e n e 激光器要通过薄透镜与光纤耦合，机械对准精度要求比较高，当激光器输 出5 m w 的光功率时，耦合后的光纤输出功率可以达到l m w 以上。 半导体激光器发出的光在反射过程中散射能量小，在光纤中传输时色散小， 适合系统高速传输的要求。可以采用半导体激光器尾纤输出方式，当激光器输出 3 0 m w 的光功率时，尾纤输出光功率可以达到8 m w ，远大于h e n e 激光器耦合后的 输出功率，提高了传感器的测量精度和信噪比，且尾纤结构的设计便于和发射光 纤联接，具有联接方便、体积小等特点，所以实验中使用的是半导体激光器。 2 ) 传光光路的设计 传光光路设计的主要目的是使光纤传感器的发射光路和接收光路分离，用分 立元件、y 型光纤、y 型光纤束均可达到这个目的。分立元件式传光光路虽然可 以实现发射光和接收光的分离，但是各个光学元件的表面反射、光纤端面的反射 都会造成系统严重的背景光，极大的降低了信噪比；y 型光纤是2 2 光纤耦合 器的一种实际应用，采用入射方向输入臂到直通臂的耦合比按分光比9 9 ：1 传输， 1 0 第二章旋转1 1 i 片振动测量原理与系统组成 反射方向直通臂到输入臂的耦合臂按分光比0 ：1 0 0 传输，实现发射光路和接收 光路的分离，如图3 - 9 所示，但是当没有反射光时，y 型光纤输出端的串扰仍然 卜分严重，降低了传感器输出信号的信噪比；y 型光纤束能够很好的解决这个问 题，中间一根光纤与光源联接作为发射光路，周围多根光纤与光电二极管相联作 为接收光路，实现了光路的完全分离，发射光纤的端面反射也不会耦合到周围的 接收光纤当中，所以y 型光纤束基本上消除了背景光对测量精度的影响、极大的 提高了信噪比，在叶尖定时传感器的设计中得到了很好的应用。 3 ) 传感器测头的设计 叶失定时传感器测头的设计，要致力于解决很强的收集散射光能力、小的出 射光斑、大的工作距离和景深等问题。可以直接采用光纤束作为传感器测头，光 纤柬周围包裹铜套起到保护作用，接收光纤束按同心圆的方式排列在发射光纤周 围，这种测头的设计结构简单、成本较低。实验证明在i n u n 一3 m m 的工作距离内能 够正常的工作，减小发射光纤芯径和数值孔径m 、增大接收光纤的芯径和数值 孔径n a 是减小出射光斑、增大工作距离的有效方法。光纤束与薄透镜组合构成 一种新的传感器方案，发射光纤发射的光被透镜汇聚到叶片端面，而叶片表面的 散射光被透镜收集后耦合进接收光纤束，这种测头的设计，不但减小了出射光斑、 加大了工作距离，而且大大加强了收集散射光的能力，但是传感器的工作景深比 较小，透镜的加工和装卡十分的困难，不适合现场条件下的使用和安装。进一步 的研究方向是一体化光纤测头，发射光纤采用单模光纤和柱透镜相结合，接收光 纤束围绕在柱透镜周围，最外面用不锈钢壳体保护。整个测头的设计十分的小型 化，发射光纤、柱透镜和接收光纤是融合粘结在一起的，构成了一体化光纤测 头，这种一体化的设计不但减小了构成的复杂性和光学构成配合不当的影响，而 且发射的光斑小、且光斑大小在较长的工作距离内变化不大，实现了小光斑和大 景深、大工作距离的有机结合，有利于提高系统的测量精度。 4 ) 光电接收电路的设计 光电接收电路的作用是将接收光纤柬接收到光信号转换成电信号，并进行预 处理放大，为后续采集电路提供叶尖定时信号，这就对光电接收电路提出了响应 时间短、灵敏度高、信噪比高、自身噪声小的要求。 光电接收电路的设计，首先是光电探测器的选择，其次是预处理放大电路的 设计。工作于6 5 0 r i m 波段的光电探测器包括p i n 光电二极管、a p d 雪崩光电二 极管和光电倍增管。p i n 光电二极管具有低噪声、温度特性好、量子效率高、响 应速度快、暗电流小的特点；a p d 能提供比p i n 更高的探测灵敏度，并适合用 于高带宽和用内在增益克服预放器噪声的场合，同时在高频时有比p i n 高的信噪 1 l 第一二章旋转叶片振动洲量原理与系统组成 比，适合水系统高速接收的特性。但是a p d 在高增益的同时也带来噪声相对较 大的问题，而且成本较高、设计比较复杂，包括高压发生和控制单元、跨阻放大 单元、温度监控单元等。实验中选用的是p i n 光电二极管，再用后续放大电路进 行增益补偿。光电倍增管由光电阴极和装在真空管内的倍增器组成，它有很高的 增益和很低的噪声、高灵敏度和快速时间响应的特点，但其尺寸较大，且所需的 偏置电压较高，所以不适合于本系统的要求 预处理放大电路要对光电二极管输出的电流进行放大，并最终输出t t l 电 平的数字脉冲信号。根据系统要求有两种方案，一种是基于p i n f e t 的前端放 大电路，- - 0 e 是基于通信芯片前置放大器和后置放大器的电路。第一个方案的优 点是光电检测器与前置放大器集成在一起，无须设计前置放大电路；缺点是需要 另外设计宽带放大器( 主放大器) 及高速比较电路，工作量大，可靠性低。实验 中选用的是第二个方案，p i n + 前置放大器s a 5 2 1 t + 后置放大器s a 5 2 1 7 。s a 5 2 1 t 是一个固定2 8 k 增益的跨阻差动放大器，带宽1 8 0 m h z ，且由于是差动输出，信 噪比大大提高。s a 5 2 1 7 具有两级结构，第一级为差动放大，第二级为阈值比较， 所以外部无需外接比较电路，并且可以和s a 5 2 1 1 输出直接耦合。s a 5 2 1 1 + s a 5 2 1 7 组合的放大增益达到1 0 0 d b ，可以将n a 级电流转换成t t l 电平输出， 满足了系统要求。 2 2 2 叶尖定时信号的高速采集系统 叶尖定时传感器、叶根同步传感器和转速同步传感器共同构成传感器系统， 为振动测量提供叶尖定时信号、叶根同步信号和转速同步信号。如图2 4 所示， 信号处理采用的是脉冲填充法，时钟频率为1 0 0 m h ：，采用2 4 位的高速计数器 对时钟脉冲进行计数，转速同步信号作为计数器的异步复位信号，叶根同步传感 ! ! ! 竺：至兰竺h 竺竺苎兰兰兰竺 ”燃阳 下d =传感器lj 主 1 r - l 叶尖定时 传感器 叶根同步 锁存器 叶尖定时 锁存器 转速同步 传感器 转速同步 锁存器 f p g a 和d s p 处理系统 高性能计算机 图2 - 4 叶尖定时信号的高速采集系统原理图 1 2 第一章旋转n 1 片振动测量原理与系统组成 器的脉冲信号作用于叶根同步锁存器，叶尖定时传感器作用于相应的叶尖定时锁 存器。备锁存器的数据由f p g a 和d s p 处理系统预处理后送入高性能计算机， 最后山计算机进行后续的分析、处理、显示、诊断等工作。 2 2 3 叶片振动参数的实时分析与处理 叶尖定时测量参数的分析与处理方法取决于振动的类型，振动可以分为两种 类型，一种是由转子不平衡、非对中壳体和压力波动所引起的与轴转动频率成整 数倍的同步振动；另一种是由空气动力学不稳定，例如转动失速和颤振引起的异 步振动。不同的振动响应类型决定了叶尖定时测量系统的设计以及相应的数据分 析技术。 2 3 本章小节 本章介绍了叶尖定时测量原理，以及叶片振动测量系统的组成，对系统关键 技术之一。的叶尖定时传感器的设计进行了分析。 第三章光电式叶尖定时传感器 第三章光电式叶尖定时传感器 传感器的设计是整个高速旋转叶片振动测量系统的关键。传感器为后续电路 提供叶尖定时信号，而叶尖定时信号的精度直接影响到整个系统的测量精度，因 此对叶尖定时传感器有较高的要求：很宽的输出频宽、很强的抗干扰能力、很高 的精度等，因此叶尖定时传感器的开发作为整个系统开发的切入点。 本章论文的主要工作是要对几种光电式叶尖定时传感器进行深入的分析，拟 采用光纤束来实现系统小光斑、弱背景光的测量，达到提高信噪比和测量精度的 月的。 3 1 分立式叶尖定时传感器 如图3 一l 所示为分立式光学传感器系统的示意图。它有以下几个部分组成： 光学传感测头、一长段光纤、一个包含有激光光源的可控单元、光源耦合入光纤 的通路、散射光信号的收集和光电接收装置。图示系统的优点是采用一种简单的 可以白8 凿准的分立式传感器测头，他可以提供很小的汇聚焦点，因此能够实现高 精度的叶尖定时测量。 厂 h e - - n e l 气体激光器 透镜1透镜2 器 双平凸透镜 图3 - 1 分立式叶尖定时传感器原理图 h e n e 气体激光器发出的光经过一个小平面镜反射后，由一个薄透镜耦合到 光纤中，经光纤传光，并由双平凸透镜系统聚焦于叶尖，叶尖表面的散射光经透 1 4 第三章光电式时尖定时传感器 镜收集后，耦合到光纤中，又经光纤传送到大直径的双透镜系统，最终由光电接 收元件接收进行光电信号转换。 决定光纤吸收叶片散射光能力的主要参数是数值孔径和纤芯直径。然而，如 果发射和接收使用相同的光纤，则发射和接收的焦平面直径相匹配，所以接收光 的耦台效率仅取决于光纤对焦点的圆锥角。原则上选用单模光纤是可以的，但是 为了使焦点足够小，接收光时光线必须具有较大的孔径角，否则由于光学像差的 影响，光能损失会很大。综合考虑成本和接收效率，光纤选用芯径是6 2 5um 1 2 5 hm 的阶跃折射率的多模光纤，数值孔径n a = 0 2 2 。 3 1 1 光源的选择 在光纤传感器系统中常采用气体激光器作为光源，原因之一就是气体激光器 一般为圆柱型对称结构，采用稳定腔，输出是较理想的高斯光束，因而在将激光 束耦合到光纤的过程中，采用高斯传输理论得出的计算结果具有很高的准确性。 高斯光束在自由空间传播时特征参数是不变的，当高斯光束经过焦距为f 的薄透 镜后仍为高斯光束，但特征参数柬腰半径繇将改变。在多模光纤中同时存在着 基模和若干个高阶模，在将光束耦合入多模光纤时，若输入光高斯光束束腰与多 模光纤基模高斯光束束腰相匹配，则耦合效率是最高的。所以根据高斯光束经过 薄透镜的变换公式，可以合理的选择透镜的焦距和h e n e 气体激光器、多模光 纤端面的位置。另外，h e n e 气体激光器工作于红光波段2 = 0 6 2 3 8 u m ，便于整 个传感器的调节，且准直性好、工作稳定、温度稳定性好等。 3 1 2 光路的设计 为了同时将光发送入光纤内传播，并且接收返回的信号，光线必须进行分离， 这里采用的是空间分离，利用小平面镜和双凸透镜结构实现了耦合发射光和接收 返回光的光线分离，如图3 2 所示，其透镜直径大于反射平面镜的投影半径。当 图3 - 2 双凸透镜系统接收散射光示意图 器 第三章光电式1 尖定时传感器 光纤端面出射光强均有分布h , 1 ，透镜直径d = 1 0 r a m 、f = 1 0 m m 平面镜直径d = 2 m m 并倾斜4 5 度时，双凸透镜系统的耦合效率约为8 6 。实际上多模光纤端 面出射光的光强呈类高斯分布，所以实际耦合效率小于该值。 假设旋转叶片对光向各个方向的散射是均匀的，因此可以视为朗伯光源，将 光均匀的送入n 区域。收集立体角由下式得到q = r c ( n a ) 2 ，信号功率 只= ( a w ) 27 7 尸，其中p 为激光器发射功率，叩为叶片表面散射效率。玎的理想优 化值为0 1 ，尽管实际中可能远没有这么大，由此可以得到的信号大小为 p = ( 0 2 2 ) 2 o 1 x p = o 0 0 4 8 p 。光纤端面的菲涅尔反射由下式3 1 计算： r 2 只：i 卫堡i + p ( 3 ，1 ) 。 l n l + j p ：菲涅尔反射光功率 尸：菲涅尔反射点处的传输光功率 ：光纤纤芯的折射率 ”、：空气折射率 当月，= 1 4 6 ，1 2 = l 时，在端面处菲涅尔反射光功率是传输光功率的0 0 3 5 倍，在 光纤联接处由于菲涅尔反射引起的传输损耗为o 3 d b 。因此，收集到的信号大小 为00 0 4 8 p ，相对于光纤两个端面0 0 4 p 的菲涅尔反射小很多，所以实际条件下， 信噪比很差。解决这个问题的方法就是将光纤端面磨成与芯轴有一定夹角的形 状，这个角度一般为8 度，使端面的反射光角度加大，从包层透射出去，减小反 射光的影响，其基本原理如图3 - 3 所示。 图3 3 光纤端面研磨小角度减小反射光影响示意图 3 1 3 测头的设计 测头采用双平凸透镜一冉斯登目镜结构，实现了光路的发射和收集，即将光 纤发出的光汇聚到叶片端面和收集叶片端面的散射光并耦合入光纤中。利用两个 石1 焦距相互耦合的凸透镜实现了单透镜2 - 2 y ；的成像，且石= 2 ，基本原理 如图3 - 4 所示。根据成像原理，打在叶尖表面的光斑的大小，应该与光纤纤芯的 1 6 第二章光电式丌1 尖定时传感器 直径相当，目是圆形。但由于叶片工作距离的不确定性，实际 ! = 的光斑是个弥散 双平凸透镜薄透镜 o 0 图3 4 双透镜实现单透镜成像示意图 斑，斑径大于纤芯直径。设叶片旋转的线速度为k ，光斑大小为d ，则信号的上 升时间为f ，= 茜。信号的上升时间越短则系统的测量精度越高，可以通过改变光 斑的形状，即改变光斑的横向尺寸来做到这一点，德国的研究人员就利用椭圆形 光斑减d , t 信号的上升时间。 3 1 4 静态实验 在实验室条件下进行了这种传感器方案的验证，静态实验原理图如图3 5 所 示。实验中激光器采用的是u n i p h a s e 的h e - n e 气体激光器，中心波长 图3 - 5 实验装置简捌 = 6 5 0 n m ，功率p = 4 m w ；由于没有中= 2 r a m 的小平面镜，所以采用的是 2 x2 r a m 的直角棱镜；凸透镜采用的是焦距厂= 1 5 m m ，直径o