1、旋轉(zhuǎn)葉片振動檢測方法1 應變片法將電阻應變片牢固地粘貼在葉片應力較大處，例如葉根附近位置，通過測量應變反映葉片振動及應力大小，從而確定葉片的壽命和可靠性。屬于接觸式測量，對應變片安裝、信號線引出提出了特殊要求。只能同時監(jiān)測少數(shù)葉片，實際轉(zhuǎn)子中葉片數(shù)量極大，少則幾百片，多則上千片，為所有葉片都安裝應變片難以實現(xiàn)。1.1 應變片(Strain Gauge)1.2 滑環(huán)式引電器(Slip Ring)應變片粘貼于葉片表面，從應變片引出的導線沿著葉輪表面接入到一個專門的集流器/引電器裝置中。將采集到的信號經(jīng)集流裝置后，由電子放大器放大，送往記錄裝置做數(shù)據(jù)記錄和處理，其測量結(jié)果一般也作為其他方法測試結(jié)果精

2、度的比較標準。 局限性：同一個時間內(nèi)，被測量的葉片數(shù)有限，轉(zhuǎn)子實驗準備復雜，也不能同時測量整級葉片的振動情況。該方法準備工作量大，傳感器，集流環(huán)的可靠性低，不適應現(xiàn)場的實際測量。 1.3 遙測技術(shù)將葉片的振動信號利用應變片轉(zhuǎn)換成相應的電阻值，通過相應的硬件系統(tǒng)，將電阻變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化，通過無線調(diào)制器，把電信號調(diào)制發(fā)射出來。我們在葉片附近安裝靜止的天線加以接收，送至調(diào)頻接收機放大和解調(diào)還原為應變片頻率信號，并送至分析儀分析處理。1.4 對稱恒流激勵技術(shù)動態(tài)應變測量技術(shù)最難解決的是抗干擾問題，原因是動態(tài)應變測量的工作片在工作環(huán)境下處于非屏蔽狀態(tài)，對各種干擾源比較敏感，因此設計應變測量電路時必

3、須考慮解決抗干擾問題。對稱恒定電流激勵技術(shù)使用一對匹配的電流源激勵應變片，使用一個差分放大器測量應變片電壓，如上圖所示。導線電阻對傳遞到應變片上的激勵電流沒影響，任何溫度下不會降低應變計靈敏度；信號調(diào)理器測量的是應變信號，無需增加通道增益；信號調(diào)理器內(nèi)外連接完全對稱，信噪比改善約30dB。1.6 薄膜應變計薄膜應變計采用真空沉積或濺射的方法把敏感薄膜直接沉積到被測結(jié)構(gòu)件表面，不需要要粘貼膠固定，避免了粘貼膠在惡劣環(huán)境下失效對應變測試的影響。與傳統(tǒng)絲式和箔式應變計相比，薄膜應變計厚度在微米量級，測試準確度高、響應速度快、靈敏度高。選擇合適的敏感材料和制備工藝制備的薄膜應變計，具有抗高溫、高壓、氣

4、流沖刷等優(yōu)點，可以滿足航空發(fā)動機渦輪葉片在惡劣環(huán)境下應變測試的要求，而且薄膜應變計實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、功能的一體化，不會影響渦輪葉片的力學性能和流體特性，所得測試數(shù)據(jù)精確度高且穩(wěn)定性好。在氮化硅渦輪葉片表面制備的PdCr薄膜應變計TaN/PdCr多功能薄膜傳感器實物圖屬于接觸式測量方法，將光纖光柵粘貼在葉片表面，類似應變片法，葉片應力、應變等物理量的變化引起光柵產(chǎn)生波長位移，從而獲取相關(guān)信息。1.7 光纖光柵應變計參考文獻1 呂文林，航空發(fā)動機強度計算，北京：國防工業(yè)出版社，1988：58-92.2 方志強，渦輪機葉片振動非接觸檢測原理及應用技術(shù)研究：博士學位論文，天津；天津大學，2007. 3 歐陽

5、濤，基于葉尖定時的旋轉(zhuǎn)葉片振動檢測及參數(shù)辨識技術(shù)：博士學位論文，天津；天津大學，2011. 4 王仲博，張永寧，袁平等，660 毫米葉片振動特性測試與分析，熱力發(fā)電，1994, 6: 36-405 沈鳳霞，對稱恒定電流激勵動態(tài)應變測量技術(shù)的分析與應用研究，航天器環(huán)境工程，2007, 24(6): 381-385 6 H. P. Grant, J. S. Przybyzewski, W. L. Anderson, et al. Thin Film Strain Gauge Development Program, NASA /CR, 1983-174707 7 J. D. Wrbanek, G.

6、 C. Fralick. Developing Multilayer Thin Film Strain Sensors With High Thermal Stability. NASA/TM, 2006-214389 2 頻率調(diào)制法根據(jù)電磁感應原理利用調(diào)頻柵對振動信號進行頻率調(diào)制的測量方法。局限性：1、在葉尖嵌入磁鋼，改變了葉片原有的振動特性；2、為了同時測量多個葉片的振動，要求安裝相同數(shù)目的線柵。參考文獻1 .薩勃洛斯基等著，吳士祥，鄭叔琛（譯），渦輪機葉片振動的非接觸測量，北京：國防工業(yè)出版社，1986：5-29. 3 激光多普勒法由激光測速技術(shù)發(fā)展而來的，其原理在于探測從振動葉片表面散

7、射回來的反射光的多普勒頻移，從而得到葉片振動參數(shù)。LDV：激光多普勒振動計 局限性：1、光路安裝調(diào)試復雜，不適合現(xiàn)場環(huán)境；2、要求被測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不宜過高；3、葉片表面粗糙度引起斑點噪聲；4、軸系振動影響激光對準效果參考文獻1 Kulczyk W.K, Q.V. Davis, Laser Doppler instrument for measurement of vibration of moving turbine blade, Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1973, 120(9). 2 ?brahim Ata

8、SEVE, Experimental validation of turbo-machinery blade vibration predictions: Doctors Thesis, London; Department of Mechanical Engineering Imperial College London, 2004. 3 A.J. Oberholster, P.S. Heyns, Online condition monitoring of axial-flow turbo-machinery blades using rotor-axial Eulerian laser

9、Doppler vibrometry, Mechanical Systems and Signal Processing, 2009, 23: 1634-1643. 4 呂宏詩，劉彬，激光多普勒測振技術(shù)的最新進展，激光技術(shù)，2005，29(2): 176-179. 4 聲響應法通過安裝在汽缸內(nèi)部的聲信號傳感器捕獲葉片振動時發(fā)出的聲信號，對聲信號進行分析處理，可得到葉片振動信息。局限性：實際旋轉(zhuǎn)機械環(huán)境是一個具復雜的又具有寬頻率范圍的聲場，背景噪聲將對信號造成嚴重干擾。參考文獻1 Robert L.L, Keith T, Monitoring Systems for Steam Turbine

10、Blade Faults, Sound and Vibration, 1990. 2 韓敬宇，基于聲發(fā)射技術(shù)的風電葉片裂紋無線監(jiān)測系統(tǒng)研究：碩士學位論文，北京；北京化工大學，2010. 3 楊海燕，劉啟洲，葉片裂紋故障的多普勒在線監(jiān)測技術(shù)仿真研究，航空動力學報，1999，14（1）：69-73. 5 葉尖定時法(Blade Tip-Timing)在葉片頂端的機匣上安裝葉尖定時傳感器，利用傳感器感受葉片的到來時間，由于葉片振動，葉片的到來時間會超前或滯后，通過不同的葉尖定時處理算法對該時間序列進行處理，即獲取出葉片振動信息。5.1 光纖式葉尖定時傳感器將激光投射到葉片端面，通過感受葉尖反射回來的

11、光強信號變化來獲取葉片的到來時刻。普通石英光纖耐200300，美國Fiberguide公司推出的“金屬涂層 ”系列光纖大大提高了耐溫性能，其中鍍金光纖可耐 650，外加制冷系統(tǒng)或采用藍寶石光纖，可耐1000以上。5.1 光纖式葉尖定時傳感器主要研制和生產(chǎn)公司有美國 HOOD 和 AGILIS 公司。該傳感器不能在有污染的條件下使用，需保持傳感器測頭端面清潔。5.2 電容式葉尖定時傳感器根據(jù)傳感器芯極與葉片端面間形成的電容變化獲取葉片的到來時刻。電容式葉尖定時傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖 電容傳感器測頭法國 FOGLE 和THERMOCOAX 公司研制的電容傳感器耐溫高達 1400。國內(nèi)主要是中航工業(yè)集

12、團和天津大學等在這方面展開研究。局限性：其信噪比、響應時間相比光纖式的要差一些；葉片工作環(huán)境的介質(zhì)可能影響芯極與葉端電容的大小，因此要求被測旋轉(zhuǎn)葉片環(huán)境介質(zhì)的介電常數(shù)基本穩(wěn)定。5.2 電容式葉尖定時傳感器5.3 電渦流式葉尖定時傳感器利用電磁感應現(xiàn)象，當導磁性金屬處于變化著的磁場中或者在磁場中運動時，導磁性金屬體內(nèi)都會產(chǎn)生感應電動勢，形成電渦流。被動式：由一個永磁體和一個線圈組成，如上圖 所示，葉片經(jīng)過傳感器端頭時，導致通過線圈的磁通量變化，產(chǎn)生電信號，從而反映葉片的到來時刻。主動式：由一個或多個線圈組成，通過外界激勵對線圈產(chǎn)生一個磁場，并通過線圈感受葉片到來時電渦流引起的電動勢變化。信號大且

13、信噪比高，結(jié)構(gòu)簡單，可以不用外界電源，但要求被測葉片必須是導磁材料。英國的 QinetiQ、MONITRAN 公司、德國的MTU公司以及美國的 HOOD 公司都對電渦流式葉尖定時傳感器做了大量研究，并研制出產(chǎn)品如上圖所示產(chǎn)品。其中 HOOD 公司生產(chǎn)的普通電渦流傳感器耐溫 260，帶空冷裝置的電渦流傳感器能耐溫可到 1000以上。5.3 電渦流式葉尖定時傳感器參考文獻1 FOGALE Nanotech, Capacitive blade tip clearance & tip timing measurement system, . 2 THERMOCOAX, Capacitance

14、sensors for noncontact measurement, . 3 HOOD Technology, Overview of blade vibration monitoring capabilities, , 2010. 4 Craig Lawson, Paul C. Ivey, Turbomachinery blade vibration amplitude measurement through tip timing with capacitance tip clearance probes, Sensors and Actuators, 2005, A118: 14-24.

15、 5 Craig Lawson, Dr. Paul Ivey, Compressor Blade Tip Timing Using Capacitance Tip Clearance Probes, Proceedings of the ASME Turbo Expo, GT2003-38284: 1-8. 6 Michael Zielinski, Gerhard Ziller, Noncontact blade vibration measurement system for aero engine application, ISABE-2005-1220: 1-9. 7 Michael Z

16、ielinski, Gerhard Ziller, Noncontact vibration measurements on compressor rotor blades, Measurement Science & Technology, 2000, 11(7): 847856. 8 M. Gloger, M. Jung, H. Termuehlen, H. Wolf, Blade Vibration System for Power Plant Operation, IJPG Conference, Minneapolis, 1995,9-11. 9 Kam Chana, Don

17、ald Lyon, Turbo-Machinery Tip-Timing Comes of Age, Maintenance & Asset Management, 2009, 24(1): 34-40. 10 比爾伯切爾，發(fā)動機葉尖計時技術(shù)新突破，國際航空雜志，2007，3：48-49. 11 王宇華，葉聲華，段發(fā)階等，基于光纖技術(shù)的葉尖定時傳感器，天津大學學報，2002，35(5): 605-610. 12 王宇華，段發(fā)階，葉聲華等，旋轉(zhuǎn)葉片振動測量新的技術(shù)方案研究，儀表技術(shù)與傳感器，2002，(2): 44-46. 13 馮軍楠，段發(fā)階，葉德超等，一種耐高溫光纖式葉尖定時傳感器及

18、驗證裝置，納米技術(shù)與精密工程，2016, 14(3): 167-172.14 顧慶昌，程禮友，張萬成耐高溫金屬衣層光纖及其熱應力分析電子工藝技術(shù)，2010，31(5): 290-292, 309.6 散斑干涉法在激光照射漫射體產(chǎn)生的散斑場中，引入另一相干光束，或者另一不同的散斑場與之干涉，就會產(chǎn)生新的散斑場。當漫射表面產(chǎn)生位移、形變、振動時，干涉散斑圖樣隨之變化，根據(jù)這一原理可測定物體變化的情況。 散斑和參考波干涉：采用右圖所示的邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)來實現(xiàn)散斑干涉。具體過程：一個反射鏡用被測的漫射物體A代替，它受激光照射產(chǎn)生散斑場。另一反射鏡保留，它的反射光作為參考波，在與散斑場重疊的區(qū)域相干涉

19、，產(chǎn)生新的散斑場。可變光闌D可用來調(diào)整散斑的大小。在像平面用底片H記錄結(jié)果，或直接目視觀察。 6 散斑干涉法I是變形前拍的一幅圖，I是變形后拍的圖片，Id為兩幅圖相減得到的圖片。每個條紋對應著一個波長的變化量，通過數(shù)條紋級數(shù)大體上得到物體的變形量。起源和發(fā)展1966年 Bruch和Ennos在實驗中發(fā)現(xiàn)散斑具有可測的強度和確定的相位從而為散斑的應用奠定了基礎(chǔ)1969年 Leendertz提出散斑相關(guān)干涉計量術(shù)(SPCI)和剪切散斑干涉術(shù)(SSI)1971年 Butters和Leendertz應用光電子器件(攝像機)代替全息干板記錄散斑場光強信息，從而在監(jiān)視器上能觀察到散斑干涉條紋，這種方法稱為

20、電子散斑干涉法1976年 Lokberg等把全息干涉術(shù)中的參考光位相調(diào)制技術(shù)引入電子散斑，使之能測量振動的位相分布1978年 Jones等利用雙波長電子散斑干涉法測量了物體的輪廓 進入八十年代，出現(xiàn)了集成化的電子存儲模塊，催生了數(shù)字電子散斑干涉術(shù)(DSPI) 1985年 Hung提出提出了電子錯位術(shù)的概念1989年 天津大學首次研制成功了電子錯位散斑(或稱電子剪切散斑)干涉系統(tǒng)(ESS)，隨后又開發(fā)了DSSPI系統(tǒng)1992年 中國科學技術(shù)大學將半導體激光器成功地應用于電子散斑干涉中，并由可切換的雙頻光柵實現(xiàn)了錯位1993年 西安交大研制了光纖電子散斑技術(shù)干涉系統(tǒng)典型產(chǎn)品1980年英國Vimen

21、公司首次推出一種電子散斑干涉儀1988年美國激光技術(shù)公司首次推出電子錯位散斑干涉儀ES-910001990年美國Newpon公司推出HC-4000型的ESPI干涉儀1992年瑞士Vibro-meter公司推出了RETRAIN型電子散斑干涉儀1992年美國激光技術(shù)公司又推出了新型的電子散斑錯位系統(tǒng)ES-9200, ES9400, ES9120, ES9600及SC-4000便攜式電子錯位散斑千涉儀6 散斑干涉法6 散斑干涉法德國Dantec Dynamics公司的3D-ESPI System Q-300具有直觀性、全場性和精確性等優(yōu)點，可測到極微小的振幅，頻率范圍沒有限制，一次全息照相可得到整個葉片表面的振幅分布。局限性：1、僅適合于試驗室進行；2、需要用其他方法測得葉片的固有頻率；3、葉片振幅不宜太大，否則條紋過密而分辨不清；4、不能提供葉片振動相位信息等。美國Laser Technology Inc.的Typical shearography camera systems參考文獻1 華東電力試驗研究所，江蘇電力試驗研究所，南京工學院，汽輪機葉片的振動特性和調(diào)整，北京：電力工業(yè)出版社，1981. 2 J. P. Sikora, F. T. Men