专利名称：叶轮叶片测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械固有频率测量领域，尤其涉及一种叶轮叶片测量装置。
技术背景叶轮叶片是叶轮机械最为关键的部件之一，振动破坏是造成叶轮叶片失 效的重要原因，因此叶轮叶片固有频率及其振型的测量是叶轮叶片制造、检 修过程中必须进行的重要工作。叶片(即叶轮叶片)固有频率与激振力频率 相同时就会发生共振，导致叶片事故。新机组叶轮叶片安装前必须进行频率 测量和调频，旧机组大修时必须进行频率测量，以判断叶根是否松动，是否 存在裂纹。因此叶片固有频率的测量对于保证机组的安全具有重要的影响。 传统的叶轮叶片固有频率的测量一般是使用频率发生器和示波器，人为调整 频率发生器的激励频率，在示波器上观察到李萨茹波形，则认为该激振频率 为被测零件的固有频率。这种测量方法非常烦琐费时，且无法获得振型，人 为因素对测量结果的影响较大。 发明内容本发明的目的在于提供一种叶轮叶片测量装置，用于测量叶轮叶片的固 有频率，它能够提高叶轮叶片固有频率的测量效率和精度，并且该装置体积 小，携带方便，操作流程简单。本发明的另一个目的在于提供一种叶轮叶片测量装置，用于测量叶轮叶 片的振型，并且该装置体积小，携带方便，操作流程简单。本发明的原理基于数字信号处理中的频谱分析和频谱细化技术。根据振动原理，叶轮叶片在外部周期性激振力作用会进行受迫振动，当外部激振力 消失后，变为衰减的自由振动，其自由振动频率为叶轮叶片的各阶固有频率。 叶轮叶片振动，通过测量振动的位移(使用电涡流传感器)或者振动加速度 (使用振动加速度传感器)，得到其时域信号，将该时域信号转换到频域进行 频谱分析，就可以分析得到叶轮叶片的若干阶固有频率。叶片固有频率的测量精度取决于采样频率和A/D变换精度，然而受到硬件 成本和制造工艺的制约，西此本发明引入了频谱细化技术。频谱细化主要基 于数字信号处理中的线性调频z变换(CZT)算法。该算法是比较经典的离散 信号变换方法，这种变换原理可以理解为采用给定的路径对原有离散信号进 行坐标变换，该变换不要求新的路径上的分点数等于原有数据点数，因此增 加新的分点数，相当于提高了采样频率。基于这样的原理，在频谱信号能量 极高的频率分量附近进行频谱细化，可将固有频率的分辨率提高到0. 1Hz以 上。当叶轮叶片在某阶固有处振动时，叶片各个质点都做频率相同的简谐振 动，只要测量得到叶片高度方向(即纵向)上各点的振动幅值和相位，即可 确定该叶片的振型。振幅的测量是容易的，但相位的测量是十分困难的，且 使用常规的方法测量得到的相位值精度太低，不能满足工程测量的需要。本 发明通过多个振动传感器采集的振动信号，基本可以准确获得各传感器信号 的相位差。这样，将叶片根部的传感器指定为基准传感器，通过其他传感器 处与该基准传感器处相位相比，相位差小于180度时，振动方向相同，大于 180度小于360度时振动方向相反，最终便可通过各点的振幅和振动方向描绘 出振型曲线，再与标准振型曲线相比照，便可以确定叶轮叶片在该阶固有频 率的振型。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的 技术方案l: 一种叶轮叶片测量装置，包括振动传感器，固定于待测叶轮叶片上，用于将叶轮叶片的振动幅度转化 为模拟电压信号；数据采集器，用于采集所述振动传感器的模拟电压信号，并对所述电压 信号进行滤波、模数转化，得到数字电压信号；微型计算机，接收所述数据采集器的数字电压信号，然后进行频谱分析 和频谱细化，输出待测叶轮叶片的固有频率；所述测量装置用于测量叶轮叶片的固有频率。技术方案2: —种叶轮叶片测量装置，包括激振器，用于激振待测叶轮叶片产生振动；多个振动传感器，纵向固定于待测叶轮叶片上，用于将叶轮叶片不同位 置的振动信号转化为模拟电压信号；数据采集器，用于采集所述多个振动传感器的模拟电压信号，并对所述 电压信号进行滤波、模数转化，得到数字电压信号；微型计算机，接收所述数据采集器的数字电压信号，然后进行振型分析，输出待测叶轮叶片的振型；所述测量装置用于测量叶轮叶片的振型。 上述两个技术方案的还具有如下特点所述待测叶轮叶片采用金属材料，振动传感器选用电涡流传感器。 所述待测叶轮叶片采用铁基材料，振动传感器选用压电加速度传感器。 技术方案2还具有以下特点 所述振动传感器为5-8个。所述数据采集器具有8个通道，能够处理8路模拟电压信号。由于本发明引入微型计算机进行频谱分析、频谱细化、振型分析，可实 现对叶轮叶片固有频率和振型的测量，其中频谱细化技术可大幅提高固有频 率测量的精度，并可以从频谱中获得其它同类设备无法测量的更高阶次的固 有频率，振型测量中可以在测量固有频率的同时，获得该频率下的振型，为 工程上的应用和分析提供强有力的依据。本发明实现了叶轮叶片固有频率的高效、方便测量，满足了工程上更高 的测量精度和阶数的要求，还可以获得振型数据。本发明可以广泛应用于叶 轮机械生产制造和相关科学研究以及教学领域。
图1为叶轮叶片测量装置示意图；图2为叶轮叶片固有频率测量示意图；图3为叶轮叶片振型测量示意图；图4为防静电磁座和压电速度传感器安装图；图5叶轮叶片固有频率测量流程图；图6叶轮叶片振型测量流程图。
具体实施方式
参照图l ，叶轮机^^的叶轮叶片固有频率测量装置，包括振动传感器l、数据采集器2、微型计算机3。振动传感器1固定于待测叶轮叶片5上，用于将叶轮叶片5的振动幅度 转化为模拟电压信号。如果待测叶轮叶片5采用金属材料，振动传感器1可 以选用电涡流传感器，直接输出模拟电压信号。如果待测叶轮叶片5采用铁 基材料，振动传感器可以选用压电加速度传感器，压电加速度传感器的输出信号为电荷信号，利用通用电荷放大电路转化为模拟电压信号。数据采集器2，用于采集所述振动传感器l的模拟电压信号，并对所述模 拟电压信号进行滤波、模数转化，得到数字电压信号。数据采集器2接收振 动传感器1的模拟电压信号，经通用滤波电路、PCM-300A/D卡后，得到数字 电压信号。微型计算机3，接收所述数据采集器2的数字电压信号，然后进行频谱分 析和频谱细化，输出待测叶轮叶片5的固有频率。参照图2，测量叶轮叶片固有频率时，将待测叶轮叶片5的根部固定在夹 具6上，振动传感器l固定于叶轮叶片5上，用橡胶锤敲击一下叶轮叶片5， 然后经过几秒后，微型计算机3计算机输出待测叶轮叶片5的各阶固有频率。参照图1，叶轮机械的叶轮叶片振型测量装置，除了包括叶轮机械的叶轮 叶片固有频率测量装置的所有部件，其特点还在于，包括激振器4，用于激振 待测叶轮叶片产生振动；振动传感器1为5 — 10个，纵向固定于待测叶轮叶 片上；相对应的数据采集器2也有5 — 10路处理通道；微型计算机3，接收处 理数据采集器2的各路数字电压信号，然后进行振型分析，输出待测叶轮叶 片的振型。所述激振器4包括信号发生器、功率放大器、电磁激振头。信号 发生器产生与叶轮叶片某阶固有频率相同的脉冲信号，该脉冲信号经过功率 放大器后，产生脉冲电压信号驱动电磁激振头，电磁激振头对叶轮叶片5产 生非接触激振力。参照图3，测量叶轮叶片振型时，将待测叶轮叶片5的根部固定在夹具6 上，6个频率测量传感器1纵向均匀分布固定于叶轮叶片5上，叶轮叶片5的 另一端下方设置有电磁激振头8，该电磁激振头8可以对叶轮叶片5施加给定 频率的非接触激振力。参照图4，防静电磁座包括基座10、磁铁9，绝缘填料11将基座10与磁 铁9胶合固定在一起。当待测叶轮叶片采用铁基材料时，振动传感器l选用 压电加速度传感器，压电加速度传感器与防静电磁座的基座IO通过标准螺纹 配合进行连接，磁铁9紧密吸附于铁基金属叶片的表面，从而实现传感器的 方便安装和固定。参照图5，叶轮叶片的固有频率测量，用橡胶锤敲击一下叶片，叶片振动， 振动传感器输出振动信号，经过数据采集器滤波、放大、A/D变换，得到数字 电压信号，数字电压信号存入微型计算机的内存缓冲区，接着进行快速傅里 叶变换(FFT)，将时域信号变换为频域信号，搜索叶片固有频率的估计值， 然后在固有频率估计值的附近进行频率细化，选择能量最高的5个固有频率， 最后，将上述5个固有频率作为叶片的l-5阶固有频率输出。同时，在测试 过程中，微型计算机还可以显示时域振动波形、频域振动波形以及频域细化 波形。参照图6，叶轮叶片的固有频率测量，激振器以固有频率进行激振，叶片 振动，沿叶片高度方向(即纵向)布置的多个振动测量传感器采集振动信号， 分别经过数据采集器滤波、放大、A/D变换后，得到数字电压信号，利用数字 电压信号的峰峰值求取各个传感器处的振幅，计算各传感器处的振动相位， 然后求取其他传感器处与基准传感器处的振动相位差，根据相位差确定振幅 的相对符号(正/负)，最后，根据振幅及其符号绘制振型曲线，与标准振型 曲线比较得到该叶片的振型。
权利要求
1、一种叶轮叶片测量装置，其特征在于，包括振动传感器，固定于待测叶轮叶片上，用于将叶轮叶片的振动幅度转化为模拟电压信号；数据采集器，用于采集所述振动传感器的模拟电压信号，并对所述电压信号进行滤波、模数转化，得到数字电压信号；微型计算机，接收所述数据采集器的数字电压信号，然后进行频谱分析和频谱细化，输出待测叶轮叶片的固有频率；所述测量装置用于测量叶轮叶片的固有频率。
2、 一种叶轮叶片测量装置，其特征在于，包括 激振器，用于激振待测叶轮叶片产生振动；多个振动传感器，纵向固定于待测叶轮叶片上，用于将叶轮叶片不同位 置的振动幅度转化为模拟电压信号；数据采集器，用于采集所述多个振动传感器的模拟电压信号，并对所述 电压信号进行滤波、模数转化，得到数字电压信号；微型计算机，接收所述数据采集器的数字电压信号，然后进行振型分析， 输出待测叶轮叶片的振型；所述测量装置用于测量叶轮叶片的振型。
3、 根据权利要求1或2所述的一种叶轮叶片测量装置，其特征在于，所 述待测叶轮叶片采用金属材料，振动传感器选用电涡流传感器。
4、 根据权利要求1或2所述的一种叶轮叶片测量装置，其特征在于，所 述待测叶轮叶片采用铁基材料，振动传感器选用压电加速度传感器。
5、 根据权利要求2所述的一种叶轮叶片测量装置，其特征在于，所述振 动传感器为5-8个。
6、 根据权利要求2所述的一种叶轮叶片测量装置，其特征在于，所述数 据采集器具有8个通道，能够处理8路模拟电压信号。
全文摘要
本发明涉及机械固有频率测量领域，公开了一种叶轮叶片测量装置。该测量装置，包括激振器，用于激振待测叶轮叶片产生振动；振动传感器，固定于待测叶轮叶片上，用于将叶轮叶片的振动幅度转化为模拟电压信号；数据采集器，用于采集所述振动传感器的模拟电压信号，并对所述电压信号进行滤波、模数转化，得到数字电压信号；微型计算机，接收所述数据采集器的数字电压信号，然后进行频谱分析和频谱细化，输出待测叶轮叶片的固有频率和振型。本发明可广泛应用于叶轮机械生产制造和相关科学研究以及教学领域。
文档编号G01H11/06GK101251411SQ20081001771
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月14日 优先权日2008年3月14日
发明者戴义平, 王江峰, 林 高 申请人:西安交通大学