一种无转速同步传感器下的叶片自动定位方法与流程

本发明属于旋转叶片非接触振动测量领域，具体涉及一种无转速同步传感器下的叶片自动定位方法。

背景技术：

大型旋转机械如航空发动机、燃气轮机、汽轮机、烟气轮机、鼓风机等，是航空、舰船、电力、石化、冶金等工业系统广为应用的重大设备。动叶片作为大型旋转机械转子的核心部件，其自身运行状态参数的变化直接影响整个系统的运转状态和工作效率。传统叶片状态参数测量方法为接触式测量，如应变片测量法和放电探针法，必须把传感器安装到或无限接近待测叶片上，费时费力且很难做到所有叶片的监测。近年来国内外大力发展非接触式叶尖定时测振技术，将传感器安装在机匣上，通过测量叶片到达传感器的时刻，计算得到叶片振动参数。

目前，叶尖定时测振技术作为一种非接触式振动测量方法，广泛应用于大型旋转机械的叶片振动测量领域。传统的叶尖定时测振技术需要转速同步信号作为叶尖定时信号测量基准，以进一步实施发动机转速计算、叶片编号识别和叶片振动信息辨识等信号处理算法。转速同步信号通常是通过转速同步传感器获取的，这种获取方法需要在发动机转轴固定位置上安装感光条或设置键槽。发动机转轴每转动一周，转速同步信号即产生一个脉冲，叶尖定时信号以此作为时间基准进行叶片自动定位，确定叶尖定时信号中每一个脉冲所对应的实际叶片编号。

在实际工况中，由于发动机转轴空间狭隘，设置键槽对发动机转轴具有破坏性行为，这种方法会造成测量误差，影响振动参数测量精度，并且不易实施。在无转速同步传感器的情况下，叶尖定时信号缺少时间基准，无法进行叶片定位，不能确定叶尖定时信号中的每一个脉冲与实际物理叶片的一一对应关系，对后续叶片振动辨识算法提取叶片振动信息造成困难。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于解决无转速同步传感器下叶片定位问题，设计一种叶片自动定位方法。该方法可利用无转速同步传感器下测量的叶尖定时信号进行叶片编号自动定位，进而可用于对某一确定叶片进行振动分析。本发明的技术方案如下：

一种无转速同步传感器下的叶片自动定位方法，设待测发动机转子叶片数为n，叶片编号为#0，#1…#n-1，叶尖定时传感器1安装在发动机机匣上，步骤如下：

步骤一：打开机匣人工盘车，识别出叶片编号与叶尖定时传感器输出信号的一一对应关系。

步骤二：获取脉冲序列{v}

利用叶尖定时传感器检测得到叶尖定时信号的脉冲序列{v}＝(v0，v1，…，vk,…)，其中k为正整数，表示第k个有效脉冲信号。

步骤三：获取叶片到达时刻序列{t}

利用固定脉冲序列填充法，将脉冲序列{v}转换为叶片到达时刻序列{t}＝(t0，t1，…，tk,…)，其中k为正整数，tk与vk一一对应。

步骤四：获取夹角序列

将叶片到达时刻序列{t}转换为当前时刻对应叶片与前一时刻对应叶片的夹角序列其中，n表示旋转圈数，取大于等于1的整数恒定值，脉冲序列{v}与夹角序列一一对应。

步骤五：获取相邻叶片夹角模板序列{θ}

取夹角序列中某一旋转周期或多个旋转周期数据平均值按照叶片编号的顺序排列，获取相邻叶片夹角模板序列{θ}，{θ}＝(θ0，θ1，…，θi,…,θn-1)，i为设定的叶片编号，与实际物理叶片一一对应，其中，当i≥1时，θi表示为第i号叶片与第i-1号叶片之间的夹角，θ0表示为第0号叶片与第n-1号叶片的夹角；

步骤六：获取新的夹角序列对此夹角序列进行叶片编号匹配

保持叶尖定时传感器安装位置，安装数量，安装角度不变，发动机正常运转，将叶尖定时传感器输出信号按照步骤二、步骤三、步骤四进行处理，获取新的夹角序列利用叶片编号匹配算法，采用相关系数最大原则，通过遍历寻找最优匹配点，对新的夹角序列进行相关匹配，在数据后依次取夹角序列中连续m个数据组成子序列其中m＝0,1,2,…m-1且m≥n。

步骤七：提取特定叶片的叶尖定时信号。

步骤六的叶片编号匹配算法如下：

1.取相关系数为目标函数，当m≥2n时，定义目标函数j(m)：

当m＜2n时，定义目标函数j(m)：

其中，(m+j)％n表示m+j除以n取余数。

2.遍历m的取值，从m＝0到m＝n-1，计算目标函数j(m)的大小，取目标函数j(m)最大时的m值，此时相邻叶片夹角模板序列{θ}与夹角序列达到最优匹配，则对应第0号叶片，对应第i号叶片，以此类推，完成n个叶片的叶片编号匹配过程，实现叶片自动定位，确定叶尖定时信号中每一个脉冲vk与实际物理叶片的一一对应关系。

对步骤五叶片编号匹配结果进行n分频处理，提取出特定叶片的叶尖定时信号。

本发明技术特点与效果：

(1)本发明中，获取发动机转子n个相邻叶片夹角模板序列和叶片编号匹配过程，解决了无转速同步传感器下的叶片定位问题。

(2)本发明中，获取发动机转子n个相邻叶片夹角模板序列、叶片编号匹配以及键相分频过程，解决了无转速同步传感器下提取某一特定叶片叶尖定时信号问题。

(3)本发明使得每次启动叶尖定时测量时，均能同步定位到同一叶片。解决了无转速同步传感器下叶尖定时测振系统每次启动测量，不能重复定位的问题。

附图说明

图1为本发明所采用无转速同步传感器下的叶片自动定位装置结构图，1为叶尖定时传感器，2为传感器信号预处理电路模块，3为叶尖定时信号处理模块，4为叶片编号匹配模块，5位键相分频模块(n表示为叶片总数)，6为fpga。

图2为本发明所述16个相邻叶片夹角模板序列示例图。

图3为本发明所述传感器信号预处理电路模块的转换结果示意图，7为电压比较阈值，8为叶尖定时传感器输出信号，9为叶尖定时信号即脉冲序列{v}。

图4为本发明所述叶片编号匹配模块匹配结果示例图，10为夹角序列11为目标函数j(m)计算结果。

图5为本发明所述键相分频模块提取#0号叶片叶尖定时信号结果示例图，12为叶片编号匹配模块匹配结果，13为键相分频模块提取#0号叶片叶尖定时信号结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

一种无转速同步传感器下的叶片自动定位方法，见附图1，它包括：叶尖定时传感器1，传感器信号预处理电路模块2，叶尖定时信号处理模块3，叶片编号匹配模块4，键相分频模块5，现场可编程门阵列(以下简称为fpga)6。

转速同步传感器为叶尖定时测振领域中，用于测量发动机转速、识别发动机叶片编号的光纤式传感器。叶尖定时传感器为叶尖定时测振领域中，用于测量发动机叶片到达传感器时刻的传感器，主要类型包括电涡流式叶尖定时传感器，光纤式叶尖定时传感器和电容式叶尖定时传感器。

叶尖定时信号处理模块，叶片编号匹配模块和键相分频模块为fpga中对输入数据进行数据处理的程序模块。

设待测发动机转子叶片数为n，叶片编号为#0，#1…#n-1。如附图1所示，叶尖定时传感器1安装在发动机机匣上，附图3中8为输出模拟信号的示意图，具体实施步骤如下：

步骤一：获取发动机转子n个相邻叶片夹角模板序列{θ}。

在发动机的转子部件刚开始安装、停机、维修或调试时，打开机匣人工盘车，识别出叶片编号与叶尖定时传感器1输出信号的一一对应关系，再按照步骤2，步骤3和步骤4，获得夹角序列取中某一旋转周期或多个旋转周期数据平均值按照叶片编号的顺序排列，即组成相邻叶片夹角模板序列{θ}。{θ}＝(θ0，θ1，…，θi,…,θn-1)，i为设定的叶片编号，与实际物理叶片一一对应，其中，当i≥1时，θi表示为第i号叶片与第i-1号叶片之间的夹角，θ0表示为第0号叶片与第n-1号叶片的夹角。n＝16的相邻叶片夹角模板序列示例图见附图2。

步骤二：获取脉冲序列{v}。

传感器信号预处理电路模块2利用电压比较器，选取合适的电压比较阈值，将叶尖定时传感器输出的有效电压信号转换为叶尖定时信号，得到脉冲序列{v}＝(v0，v1，…，vk,…)，其中k为正整数，表示第k个有效脉冲信号。转换结果示意图见附图3。

步骤三：获取叶片到达时刻序列{t}。

叶尖定时信号处理模块3对输入的叶尖定时信号，即步骤二获取的脉冲序列{v}，进行数据处理。利用固定脉冲序列填充法，将脉冲序列{v}转换为叶片到达时刻序列{t}＝(t0，t1，…，tk,…)。其中k为正整数，tk与vk一一对应。

步骤四：获取夹角序列

叶片编号匹配模块4将步骤3获取的叶片到达时刻序列{t}转换为当前叶片与前一通过传感器叶片的夹角序列其中，其中n表示旋转圈数，取大于等于1的整数恒定值；k为大于等于1的正整数。则脉冲序列{v}与夹角序列一一对应。

步骤五：叶片编号匹配。

叶片编号匹配模块4将步骤1获取的相邻叶片夹角模板序列{θ}与步骤4获取的夹角序列进行相关匹配，采用相关系数最大原则，通过遍历寻找最优匹配点。在数据后依次取夹角序列中连续m个数据组成子序列其中m＝0,1,2,…m-1且m≥n。

具体匹配算法如下：

1.取相关系数为目标函数，当m≥2n时，定义目标函数j(m)：

当m＜2n时，定义目标函数j(m)：

其中，(m+j)％n表示m+j除以n取余数。

2.遍历m的取值，从m＝0到m＝n-1，计算目标函数j(m)的大小。取目标函数j(m)最大时的m值，此时相邻叶片夹角模板序列{θ}与夹角序列达到最优匹配，则对应第0号叶片，对应第i号叶片，以此类推，完成n个叶片的叶片编号匹配过程，实现叶片自动定位，确定叶尖定时信号中每一个脉冲vk与实际物理叶片的一一对应关系。

实际应用中，由于传感器信号预处理电路模块2内设置比较电平不合理，会造成步骤二中得到的脉冲序列{v}丢失脉冲，或因为尖峰噪声造成脉冲序列{v}增加多余脉冲。为提高叶片定位准确度，通常应多次重复步骤五以确定最佳匹配点，或在一段时间后重新进行匹配定位。

步骤六：提取特定叶片的叶尖定时信号。

键相分频模块5对步骤五叶片编号匹配结果进行n分频处理，提取出特定叶片的叶尖定时信号。例如，若提取#0号叶片的叶尖定时信号，则在一个匹配周期内，确定步骤五中获得#0号叶片的匹配脉冲，以此脉冲为基准点，每隔n-1个脉冲，确定#0号叶片的下一个脉冲，即可完成#0号叶片的叶尖定时信号的提取。

无转速同步传感器下叶片自动定位方法的一个具体实施例如下。

实验用转子有16个叶片，叶片半径长为50㎜，叶片各个夹角约为22.5°，转子以约3500转每分钟的转速高速旋转，采用光纤式叶尖定时传感器，传感器信号预处理电路模块将传感器输出信号转换为叶尖定时信号，输入给fpga进行后续数据处理。叶尖定时信号处理模块转换得到夹角序列，抽取其中连续48个夹角序列数据如图4所示，叶片编号匹配模块结合16个相邻叶片夹角模板序列，利用匹配算法计算得到的目标函数值如图4所示，根据算法原理，可以很明显的判断出0号叶片所在位置，标示位置如图4所示。键相分频模块对上述匹配结果进行分频处理，提取#0号叶片的叶尖定时信号结果如图5所示。完成无转速同步传感器下的叶片自动定位。