摘要:高速旋转叶片振动的非接触测量是叶片振动测量中极具发展前景的技术。研究了高速旋转叶片振动实时监测系统，叶端定时传感器、传感器脉冲信号采集电路和叶片振动信号的实时分析和处理。

1 引言

旋转叶片的振动测量是涡轮机械的一个重要研究领域。传统的接触式应变片测量技术虽然很成熟，但其工作寿命短，自身荷重和体积直接影响到待测件的空气动力学和机械特性，从而制约了叶片振动测量和故障诊断技术在高速、高准确度、实时方面的发展。因而非接触式旋转叶片振动测量技术成为该领域研究的发展方向。

图1 测量系统原理示意图

2 测量原理

非接触式旋转叶片振动测量技术是采用叶端定时测量的方法对叶片振动进行测量，测量原理如图1所示。

将两个或多个叶端定时传感器沿径向安装在旋转机械相对静止的壳体上，利用传感器感受在它前面通过的旋转叶片所产生的脉冲信号。如果叶片不发生振动，可根据每个叶片在转子上的角度和转子的旋转速度计算出叶片到达传感器的时间。但实际上叶片是振动的，所以叶片的端部相对于转动方向将会向前或向后偏移，使得到达传感器的实际时间与假设叶片不振动时到达传感器的时间不相等，即脉冲到达时间发生改变，产生一个时间差Δt，对该信号序列{Δt}进行分析处理，即可得到叶片振动信息。

3 监测系统

非接触式高速实时旋转叶片振动监测系统主要包括传感器系统、脉冲信号采集系统及信号分析处理三部分。

图2 叶端定时传感器光路图

图3 叶端传感器采集系统原理图

(a)弯曲振动

(b)扭转振动

(c)弯/扭耦合振动
图4 弯曲/扭转振动的判断

图5 堪培尔图

3.1 传感器系统组成

传感器系统包括一个转速同步传感器，一个叶根基准传感器，多个叶端定时传感器。叶端定时传感器是本系统的关键传感器，要求具有很高的响应速度和抗干扰能力。本系统中的叶端定时传感器频响带宽优于100MHz，实现0.025mm 振幅分辨率，同时考虑传感器抗空气污染的能力要求，选用基于光纤传光的光电传感器，叶端定时传感器光路图如图2所示。

激光器发出的光由一个直径为3～5mm左右，与发射激光束大小匹配的反射镜M反射到前面的透镜L₁，由透镜L₁将激光耦合到光纤中，经光纤传光，再由透镜组L₃聚焦于被测叶顶端面上。被测叶顶端面的散射光再经透镜组L₃采集耦合到光纤中，又经透镜L₁扩束准直后，由透镜L₂聚焦到光电接收元件的光敏面上，将光信号转换成电信号输出。通过适当选取光纤数值孔径和镜头焦距，可以调整传感器探头的探测距离，这种结构的传感器具有探测距离范围大，可达到10mm以上，信号边缘过渡快的特点。由于系统中的反射镜M 很小，而由叶片散射回来的散射光的发散角范围较大，反射镜M对散射光的挡光造成的信号损失较小，对信噪比的影响可以忽略。

转速同步传感器用于监测涡轮机的转速，同时作为其他传感器的同步信号，只要求每转发出一个脉冲：叶根传感器主要用作采集每只叶片在各种瞬时转速下的基准位移，达到尽量减少涡轮机转速不均匀时而引起的测量误差，这两种传感器均采用磁电式传感器。

3.2 叶端定时脉冲信号采集系统

本系统采用固定频率脉冲填充法，实现叶端定时时间的测量。该方法是用固定频率脉冲计数，一个脉冲对应的弧长，即脉冲当量为δ=2πRΩ/f(f为时钟频率，Ω为转速，R为叶片半径)。不同转速下，脉冲当量不同，每转一圈所对应的脉冲数为f/Ω，显然转速越低，每圈对应的脉冲数越多。按最低转速50r/min计，时钟频率为100MHz时，每转所对应的脉冲数为2M，需要21位二进制计数器。

本系统时钟频率为100MHz，由四脚晶振产生。计数器采用24位二进制计数器，适用的最小转速为f/2²⁴=5.95r/min，基本电路原理框图如图3所示。转速同步信号作为计数器的异步复位信号，叶根基准传感器的脉冲信号作用于叶根基准锁存器，叶端定时传感器作用于相应的叶端定时锁存器。各锁存器的数据经采集系统采集后，由DSP和FPGA及高性能的计算机进行处理。

4 叶片振动参数的实时分析和处理

叶片振动参数的测量方法取决于振动的类型。

4.1 异步共振(颤振)

对异步共振由于叶片的振动频率不是旋转速度的整数倍，因此对同一个叶片在每一转中的振幅均不一样，只需要1至2个传感器即可测出叶片的振幅序列，再通过FFT变换求出频率。另外由于非接触式叶片振动测量中振动信号的采集是采用的跳跃采样方式，得到的是一组非等距的离散信号，常规的信号处理方法无法使用，为此还可用修改后的Prony谱估计方法得到信号的幅频和相位信息。

单传感器测量法采用在涡轮机壳体上安装一个光电传感器，使涡轮机转子变速运转，按速矢量端迹法即可测量出叶片振动参数。但单传感器法不能在恒定转速下使用，也不便于故障的实时监测。为解决这个问题，需采用四个或四个以上的传感器。

对于同步共振，振动频率是旋转速度的整数倍，因此测量和数据分析处理难度较高。利用分布在同一旋转平面内的数个传感器来测定振动参数。相邻传感器相隔为某一已知的几何角度α。其每一个测量结果可以写成如下形式:

对第一个传感器:y₁=Asin(Ø_n-Ø)+C

对第二个传感器:y₂=Asin(Ø_n-Ø +αn)+C

对第三个传感器:y₃=Asin(Ø_n-Ø+2αn)+C

对第四个传感器:y₄=Asin(Ø_n-Ø+3αn)+C
式中：αn——传感器之间的相位角

y_i——叶片振动位移

Ø——叶片振动相位

A——叶片振动振幅

n——振动倍数，振动频率与转子旋转频率之比

C——叶端变形常量

上述方程组的解可以确定所有的振动参数。由于实际测量时，既有颤振又有共振，因此采用四个以上传感器进行测量。

4.3 振型的确定

由于叶片振动有弯曲振动、扭转振动、弯/ 扭复合振动等振型存在，在通常情况下，叶片的振型是不知道的。为了确定它，在叶片尖端面中央安置一个叶端定时传感器，另在叶片的前边缘和后边缘上各安装一个同类型的传感器，通过对传感器采集信号的图象处理，即可确定叶片振型(见图4)。要保证振型判断的可靠性，可加入图像处理专家系统。用有限元素法对要试验的叶片计算动频的堪培尔图(见图5)。将其输入专家系统的数据库，由试验实测数据——转速n及动频f，专家系统推理机就会从堪培尔图上找到相应的位置，并判断它处于哪种振型及是不是处于共振状态。