HOOD非接触测量系统(叶片振动)-9通道

1Hood非接触式叶片振动测量系统光学和涡流宇同科技有限公司HoodTechnologyCorporation2011-5-32一、HOOD公司简介：Hood技术公司于1993年由麻省理工学院航空航天教授，AndeasVonFlotow博士创立。公司由机械，电子和计算机方面的专业技术人员组成，公司主要专业为动力学和控制，电子和机械设计，测试和实验程序，和数据采集。Hood公司已经拥有20多项专利技术和产品，具有非常好的业绩，是许多大型合作项目的领导者，项目合作方包括:BarryControl，NAVAIR（海军航空系统小组），DAPRA，Pratt&Whitney，GE，WilliamInternational，USAF(美国空军)推进系统理事会，Rolls-RoyceHood技术公司是IHPTET（综合化、高性能涡轮发动机技术）项目的成员，最近还成为VAATE（多功能经济型先进发动机）项目组成员，一起开发新的推进技术，Hood技术公司是涡轮机械组织NSMS（非接触式应力测量系统）的供应商。Hood技术公司还与高周疲劳会议和PIWG（推进系统测试仪器国际工作组）有密切的联系。Hood公司在非接触式应力测量方面的经验包括：采用Hood开发的叶片振动激励技术的旋转井测试；燃气涡轮发动机各级的叶尖振动监测，燃气涡轮发动机各级的叶尖间隙测量，蒸气涡轮测量，旋转井和实际发动机的叶片和叶轮上的裂纹检测。Hood已经开发出了商用的非接触式压力监测系统，来提供测试服务。采用此系统，Hood公司已经成功测量了7个旋转井和二十多个发动机的叶片振动。产品已经销售到世界各地二十几个用户。知名的用户包括：GE、罗罗、普惠、三星、ABB最近的应用例子：例一：2009年10月21日，Hood在线叶片和振动监测系统在加利福尼亚成功地进行了飞行测试。这套用户定制的软硬件应用在海军陆战队的鹞式飞机使用的AV-8B飞马发动机压气机叶片上。在飞机飞行中采集的数据记录下来用于回放和分析。在测试的下一阶段，可以通过与定制的地面站进行遥测的方式来实现实时的观测以降低风险。例二：在GEFrame7R0上使用永久安装的叶尖传感器，Hood系统测量叶尖间隙来监测叶片的健康趋势。从2007年开始，目前有三台GEFrame7汽轮机正在被监测。该系统已经成功发现了一个叶片的裂纹，并使机器停机并更换了叶片组。这样在叶片发生故障前确认叶片的问题，可以让运营商避免重大事故和维修费用，同时确保这些设备的安全运行。3二、系统工作原理简述1.叶尖计时测振动原理系统采用叶尖计时的原理（Tip-timing），如上图所示，转速信号可以在转子每旋转一圈时产生一个零时刻参考脉冲，每个叶片经过叶尖传感器（BladeTipSensor）时，系统会记录下该叶片的到达时刻（TOA1,TOA2…），当叶片不振动时，叶片的到达传感器的时刻每圈都是相同的，当有振动产生时，叶片的到达时刻就会有差异，从而产生到达的时间差ΔT。因此可以计算该叶片在测量方向的振动幅值为：P=RPM•πD•ΔT/60因此，就可通过叶尖计时来测量叶片的振动，多支传感器综合利用就可测量叶片振动的幅值、频率、监测裂纹和分析振型。SideView4三、系统组成和工作流程:系统由叶尖传感器、前置放大器、BVSI模块（信号调理和生成时间脉冲信号）和信号采集处理系统（含计时器、采集卡和软件）组成。系统工作流程如下：•叶片探测传感器安装在靠近涡轮叶片的部位，用于检测叶片的到达•一个转速信号（每转一个信号）传感器用来提供速度参考和相位参考•低噪声前置放大器及35米电缆连接传感器和数据采集系统•BVSI模块接收模拟信号，对信号进行调理，并生成TTL时间脉冲并送至主计算机•系统采集脉冲的到达时间TOA（TimeOfArrival)和脉冲幅值。采集系统中的计数/记时卡用于记录脉冲到达的时间•软件将来自一个或更多叶尖传感器及参考传感器的数据组合在一起，来评估叶片谐振、谐振幅值和相对于轴的振动相位等信息，通过数据监测裂纹的扩展，输出报告。信号采集处理系统软件BVSI模块前置放大器(光学或涡流)传感器（光学或涡流）系统配置（3到30通道）系统结构示意图5四、方案概述：系统主要参数：-计时器时钟：80MHz-振动测量分辨率：5μm@400m/s线速度-最大叶尖线速度：=800m/s-最大叶片通过频率：=1,000,000叶片/秒-叶片振幅测量范围：0－100mm-传感器温度：350℃，可选：光纤非冷却650℃，涡流冷却至850℃系统组成：九通道非接触式叶片振动测量系统，包括9通道的数采系统，配备4个开角双光束传感器（每个传感器占用两个通道）和6通道的涡流传感器，根据实际测试条件和测量目的选用相应的通道数和传感器布置方案。系统主要配置如下：z1台9通道数采系统，包括：-PXI主机-1x16通道多功能数据采集卡-3x计数器/计时卡-3x3通道BVSI专用接口卡z前置放大器-3x3通道光学前置放大器-连接电缆z传感器：-6x点式光学传感器，工作温度最高350℃z分析软件1套-传感器布置位置计算软件-数据采集软件-叶尖间隙测量和振动分析软件*转速信号由用户提供，转速信号占用系统的一个输入通道6五、系统详细说明1.HOOD9通道信号采集和处理系统gy如上图所示，信号采集和处理系统包括：z1x机柜，带滚轮，方便运输z3xBVSI模块z1xNIPXI数据系统，包括：-1xNIPXI机箱-3xNIPXI6602计时/计数器-1xNIPXI6070采集卡-1xNIPXI处理器1.1HoodBVSI模块z通道数：3z提供电源给传感器和前置放大器z信号滤波和增益z通过传感器产生的模拟脉冲的重复特性来判定叶片的通过z生成指示叶片到达时刻的脉冲信号和指示信号幅值的脉冲。z信号输入接口：BNC和SubD-9z信号调理功能，包括：消除DC偏压、高通滤波消除60Hz噪声或其他干扰；增益，最大到25；调节信号触发的低限门槛值来消除低幅值的信号，并选择最大斜率变化值。7BVSI主要参数如下：参数最小值最大值增益-2525高通滤波0Hz3397Hz低通滤波23kHz1496kHz偏压-7V+7VArmLevel0.055V4.995V触发边沿上升/下降最大值的90%触发水平0%保持0.2μs4984μs衰减率慢/快1.2NI-6602计数器/计时器卡NIPXI-6602是一个计时和数字I/O模块，带32位计数/计时器和32线TTL/CMOS兼容数字I/O。8个数字I/O线是专用的，其余24个与计数器/计时器共用。用NIPXI-6602可以实现多种计数/计时任务，包括编码器位置测量，事件计数，周期测量，脉冲宽度测量，脉冲发生，脉冲序列发生和频率测量。z32-bit上升/下降计数器/计时器模块，有3个同时高速DMA传输能力z最大80MHz源频率z32数字I/O线(5VTTL/CMOS)--8个专用，24个与计数器/计时器共享z数字防反跳过滤器81.3NI-6070E多功能数据采集（DAQ）NI全功能E系列设备是现有的速度最快、最精确的多数据采集设备。是从连续高速数据记录到控制应用到高压信号和传感器测量（当采用NI信号调理器时）的理想选择。采用RTSI总线或PXI触发器总线可以使多设备的操作同步，并很容易集成其他硬件，如电机控制和机器视觉，从而可以创建整套测量的控制系统。z16或64模拟输入，达1.25MS/s,12或16-bit分辨率z2个模拟输出，达1MS/s,12或16-bit分辨率z8数字I/O线(TTL/CMOS);两个24-bit计数/计时器z模拟和数字触发，14或15模拟输入信号范围zNI-DAQ驱动器简化配置和测量1.4NIPXI高性能处理器采用NI公司PXI-8187或更高性能的处理器，PXI8187是高性能的Pentium4-M内置式控制器，用于PXI或CompactPCI系统.NIPXI-8187是NI公司的高端控制器，是要求高级分析或软件开发的理想选择。PXI-8187内置控制器提供了紧凑、高性能的PC平台，用于模块化仪器和数据采集应用。z2.8GHzPentium4-M处理器z1GBDDRRAMz集成硬盘,USB2.0,EthernetzWindowsXP及驱动92.前置放大器6个BV-OP光学前置放大器3个BV-IND涡流前置放大器2.1BV-OP光学前置放大器TheHood公司的3-通道前置放大器有三个同样的通道，用于Hood公司的光学叶尖传感器。前置放大器通过与Hood公司的BVSI卡相连的9针sub-D电缆供电。没有BVSI系统时，Hood公司的3通道光学前置放大器也可以通过DIN-5接头供电。探测器电子具有可选择的增益和过滤器设置。z通道数：3z激光源：35mW，658nmz安全：安全钥匙开关和防激光直射设计。z输出接口：BNC和9针sub-Dz偏压调节z增益：x1,x2,x5,x10,x20,x50,x100z低通滤波：50kHzz高通滤波：10Hz，100Hz，1kHz，10kHzz自动调零2.2BV-IND涡流前置放大器TheHood公司的3-通道前置放大器有三个同样的通道，每个通道用于为所有涡流传感器提供前置放大，采用内衬套管或干真空环境下，从传感器到HoodBVSI模块和数据采集分析部分的最大长度为25英尺。此前置放大器用于Hood公司的涡流探头。前置放大器通过与Hood公司的BVSI卡相连的9针sub-D电缆供电。10z通道数：3z传感器接口：BNCz信号输出：BNC和DB9z增益：x1,x2,x5,x10,x20,x50,x100z被动分压器电阻：0，50，200，400，1000Ω可选3.传感器18个MiniOPT200-7F/700光学传感器9个MiniOPT200-7F/1200光学传感器9个ECS标准涡流传感器3.1MiniOPT200-7F/700和MiniOPT200-7F/1200光学传感器光学多光纤点式传感器（含七根光纤，1个发射，6个接收)，非冷却，光纤总长度3米，其中从发射接收分离接头到传感器测量端部距离不小于2.4m,光纤传感器直径小于1.65mm,传感器端部设计有小凸台，用于与安装夹具配合，并防止传感器进入发动机。传感器光纤外部有金属保护层，传感器能够耐高温至700℃，在700℃下不变形，不损坏。光纤的最小弯曲半径不大于R10。113.2线型光纤传感器(采用透镜聚焦)带镜头的光学传感器可以实现远距离测量，在叶片振动测量应用中可达几米远。激光通过镜头准直后可以传输很远的距离（已经应用的达10m）。在燃气轮机中，这种光纤传感器被分为发射器和接收器两部分，而转子叶片经过发射器和接收器之间激光束时就起到了“快门”的作用，在这种情况下叶片的前沿和后沿都可以被测量到。下图为在一个低压涡轮中测试的示意图。这种情况下不需要反射贴，因此可以用于高温环境。远距离准直激光传感器在涡轮中的安装示意图12发射接收分离式(用于高温应用)发射接收一体式反射面13发射接收分离式传感器对前放的使用分离式和一体式都使用前放上的一个通道.发射接收分离式传感器与前放连接示意图HOOD的BVSI系统可以设置触发为：z叶片到达沿z叶片离开沿z到达和离开沿（需要两通过输入）14VoltsTimeDark=BladepresentBright=BladeabsentBladearrivingedgeBladedepartingedge分离式和一体式都可以得到两样的信号花样。一体式只需要安装一个传感器但需要一个反射面分离式传感器发射光纤头部尺寸图15发射光纤发射的光斑点约为30毫弧度（2度）宽，接收光纤必须对准此光斑3.3标准涡轮传感器（非冷却）HOOD的涡轮传感器有不同的尺寸和温度范围，其基本原理是传感器产生一个磁场，当叶片经过时，会对磁场产生干扰。如果叶片为导电性的（不一定为铁），就会在叶片中产生涡流，从而对磁场造成影响。传感器中的线圈对这种影响产生感应，并输出信号。这种传感器在非冷却条件下可以工作到550℃，在加上气冷后（保证传感器内部温度低于500℃），此传感器也