在线标定和补偿的动态测量系统及方法与流程

本公开涉及电力电子行业动态测量领域，尤其涉及一种用于航空发动机与燃气轮机等叶轮机械三维流场的动态测量系统及方法。

背景技术：

动态测量技术在多个行业的科研、设计、生产、测试和维修环节有着广泛的应用，尤其在航空发动机与燃气轮机等叶轮机械三维流场的科研和设计领域，动态测量在提供流场细节数据和优化设计方面发挥着决定性作用。动态测量技术的指标分为两个方面，一方面是传感器的线性度、灵敏度、分辨率和稳定性等静态特性；另一方面是包含探针结构的整个测量系统的动态特性，其中主要是系统的频率响应特征和动态误差，这取决于测量系统的类型。

传统传感器厂家在供货时会附带标准的标定报告，以供用户在处理测量数据时使用。但在实际的测量过程中，由于要在特性的测量环境中安装测量系统，必须为测量系统引入附加结构，例如，为传感器设计专门的支撑结构；在有震动和杂质的测量环境中，还必须给某些较易损坏的动态传感器安装相应的保护机构；在对高温流体进行测量时，为了避免传感器的温度漂移现象，需要将传感器放在远离高温测量环境的位置，被测信号则通过引压容腔进行传送；在一些测量空间十分狭小的环境下，信号也要通过引压容腔传送给远端放置的传感器。由于附加机构的引入，在动态测量系统使用之前，必须对其进行详细的标定，包括传感器和整个测量系统的静态特性和动态特性的标定。在确定测量系统的各个指标能够满足被测流场的需求后，再进行测量工作。如果由于测量系统各种附加结构的引入导致测量值与真实值的偏差较大，还需要对测量值进行相对应的补偿和修正。

目前对于动态测量系统的标定和补偿工作，在实际操作过程中是独立于测量工作之外的，即在测量之前进行测量系统的标定，在测量之后对测量数据进行必要的补偿和修正。目前动态测量系统标定和补偿与测量过程相互独立主要有两个原因，一是动态测量系统的标定需要有相关的标准参考信号和处理程序，一般需要单独的标定系统；二是对测量数据的补偿和修正工作需要较为复杂的数据分析程序，尤其是需要动态传递函数的介入时，补偿和修正工作往往十分繁琐。但是，标定、测量和补偿三个环节的独立给动态测量工作带来诸多问题，一是整个测量工作需要在三个平台上进行硬件和数据切换，大大降低了工作效率；二是标定环境与测量环境的差异会给整个测量工作引入新的误差，降低测量精度；三是测量值不能在测试现场直接显示，在发生操作失误导致测量值不符合要求的情况下不能及时调整，返工现象大大拖后测量进度。针对上述问题，目前还没有一套完整的一体化解决方案，只能是在三个环节的实施过程中尽量提高衔接紧密度并降低操作失误率。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种在线标定和补偿的动态测量系统及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种在线标定和补偿的动态测量系统，包括：

在线标定子系统，用于在标定过程中，对动态测量系统的动态特性进行在线标定，得到关于该动态测量系统的传递函数；以及

在线补偿测量子系统，用于在实际测量过程中，采用所述传递函数对原始动态信号进行补偿和修正处理，得到补偿和修正后的测量结果值；

所述在线标定子系统和在线补偿测量子系统共用测量传感器，

所述在线标定子系统还包括：

参考传感器，用于为动态测量系统动态特性的在线标定提供输入信号；

其中，在在线标定子系统中，所述测量传感器用于为动态测量系统的动态特性的在线标定提供输出信号；

在在线补偿测量子系统中，所述测量传感器用于对被测对象进行测量，为在线补偿测量子系统提供原始动态信号。

所述在线标定子系统和在线补偿测量子系统共用数据采集模块；

所述在线标定子系统中，所述数据采集模块用于对参考传感器和测量传感器传输来的动态信号进行采集；

所述在线补偿测量子系统中，所述数据采集模块用于对测量传感器传输来的动态信号进行采集。

所述在线标定子系统和在线补偿测量子系统共用显示输出模块，其中：

在在线标定子系统中，所述显示输出模块用于对传递函数的标定过程、计算结果进行显示和存储；

在在线补偿子系统中，所述显示输出模块用于对原始动态信号、在线补偿过程、补偿后信号进行显示和存储。

其中，所述在线标定子系统还包括：

在线标定模块，用于将数据采集模块采集到的参考传感器信号和测量传感器信号进行动态分析，计算得到二者之间的函数关系，即为动态测量系统的传递函数，所述传递函数用于在线补偿测量子系统的在线补偿过程；

传递函数模块，用于存储动态标定的最终结果，传输至在线补偿模块和显示输出模块。

其中，在线补偿测量子系统还包括：

在线补偿模块，用于通过所述标定过程中得到的传递函数最终得到补偿和修正后的测量结果值，并传输到显示输出模块直接显示、存储和输出。

根据本公开的再一个方面，提供了一种在线标定和补偿的方法，其采用上述的动态测量系统，包括：

在进行实际测量之前，首先启用在线标定子系统，对动态测量系统的动态特性即传递函数进行在线标定，所述传递函数用于在线补偿测量子系统的在线补偿过程；

显示输出模块对传递函数的标定过程、计算结果进行显示和存储，以用于后续数据输出；

在线标定子系统运行结束后关闭，开启在线补偿测量子系统，开始对被测对象的测量，在线补偿模块采用动态测量系统的所述传递函数，对数据采集模块输出的原始动态信号进行补偿和修正，并将补偿后信号传输至显示输出模块；

显示输出模块对原始动态信号、在线补偿过程、补偿后信号进行显示和存储，以用于后续数据输出处理。

其中，在线标定子系统运行包括以下步骤：

参考传感器与测量传感器同时工作，参考传感器为在线标定子系统提供输入信号；测量传感器为在线标定子系统提供输出信号；

数据采集模块对参考传感器和测量传感器传输来的动态信号进行采集；

在线标定模块将数据采集模块采集到的参考传感器信号和测量传感器信号进行动态分析，计算得到二者之间的函数关系，即为动态测量系统的传递函数，所述传递函数用于在线补偿测量子系统的在线补偿过程；

传递函数模块存储动态标定得到的最终结果，传输至在线补偿模块和显示输出模块。

其中，在线补偿测量子系统运行过程中包括以下步骤：

测量传感器对被测量进行测量，为在线补偿测量子系统提供原始动态信号；

数据采集模块对测量传感器传输来的原始动态信号进行采集。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开的在线标定和补偿的动态测量系统至少具有以下有益效果其中之一：

(1)通过纳入在线标定和在线补偿两个子系统，实现了标定、测量和补偿三个环节的一体化，因此提高了三个环节中硬件的共享率和数据切换效率，可大大提高测量工作效率。

(2)由于将标定和测量在同一个时空下进行，所以两个环节的紧密衔接大大降低了环境参数变化给测量系统带来的误差，从而提高了动态测量的精度。

(3)由于显示输出模块不仅对原始动态信号进行显示，还对对在线标定过程、传递函数标定过程及计算结果、在线补偿过程进行实时显示和记录，从而在线补偿子系统使测量数据的补偿、修正和显示直接在测试现场实现，因此操作人员可在测量过程中实时监测测量质量并及时修正操作错误，避免返工现象导致的测量效率下降。

附图说明

图1为依照本公开实施例的在线标定和补偿的动态测量系统流程图。

图2为依照本公开实施例的动态测量系统在线标定和补偿方法的流程图。

图3为依照本公开实施例的数据采集模块中参考传感器与测量传感器的时域信号图。

图4为依照本公开实施例的在线标定模块中参考传感器与测量传感器的功率谱密度分布图。

图5a为依照本公开实施例的传递函数幅频特性图。

图5b为依照本公开实施例的传递函数相频特性图。

图6为依照本公开实施例的在线补偿模块中补偿前后的时域信号图。

具体实施方式

针对上述动态测量系统在标定、测量、补偿三个环节上存在相互独立的问题，本公开旨在提供一种在线标定和补偿的动态测量系统，针对需要详细标定和补偿的动态测量工作，实现测量数据在测试现场的标定、补偿和修正，从而提高动态测量的测量精度和工作效率，并实现对在线标定过程、传递函数、在线补偿过程进行实时显示和记录，方便动态测量质量的实时监测。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的示例性实施例中，提供了一种在线标定和补偿的动态测量系统。图1为依照本公开实施例的在线标定和补偿的动态测量系统流程图，如图1所示，系统包括参考传感器、测量传感器、数据采集模块、在线标定模块、传递函数模块、在线补偿模块及显示输出模块，该系统包括在线标定子系统和在线补偿测量子系统。

其中，在线标定子系统用于动态测量系统的在线标定，标定过程得到的传递函数用于在线补偿测量子系统的在线补偿过程；在线补偿测量子系统用于动态测量系统的实际测量过程，该子系统最终得到补偿和修正后的测量结果值，直接显示和输出。

在线标定子系统和在线补偿测量子系统共用测量传感器、数据采集模块和显示输出模块。

通过纳入在线标定和在线补偿两个子系统，实现了标定、测量和补偿三个环节的一体化，因此提高了三个环节中硬件的共享率和数据切换效率，可大大提高测量工作效率。

以下分别对本实施例在线标定和补偿的动态测量系统的各个组成部分进行详细描述。

所述在线标定子系统用于动态测量系统的在线标定，包括参考传感器、测量传感器、数据采集模块、在线标定模块、传递函数模块及显示输出模块，参考传感器及测量传感器分别连接到数据采集模块，数据采集模块、在线标定模块、传递函数模块及显示输出模块依次连接，标定过程中由在线标定模块得到的传递函数，用于在线补偿测量子系统的在线补偿过程；

在线标定子系统运行过程中：

参考传感器为动态测量系统的在线标定提供输入信号；

测量传感器为动态测量系统的在线标定提供输出信号；

数据采集模块对参考传感器和测量传感器传输来的动态信号进行采集；

在线标定模块将数据采集模块采集到的参考传感器信号和测量传感器信号进行动态分析，计算得到二者之间的函数关系，即为动态测量系统的传递函数；

传递函数模块存储动态标定的最终结果，传输至在线补偿模块和显示输出模块；

显示输出模块对传递函数的标定过程、计算结果进行显示和存储，以用于后续数据输出。

在线补偿测量子系统用于动态测量系统的实际测量过程，包括依次连接的测量传感器、数据采集模块、在线补偿模块及显示输出模块，所述在线补偿模块采用所述标定过程中得到的传递函数最终得到补偿和修正后的测量结果值，并传输到显示输出模块直接显示、存储和输出；

在线补偿测量子系统运行过程中：

测量传感器对被测量进行测量，为在线补偿测量子系统提供原始动态信号；

数据采集模块对测量传感器传输来的动态信号进行采集；

在线补偿模块采用动态测量系统的传递函数，对数据采集模块输出的原始动态信号进行补偿和修正，并将补偿后信号传输至显示输出模块；

显示输出模块对原始动态信号、在线补偿过程、补偿后信号进行显示和存储，以用于后续数据输出。

在线标定子系统和在线补偿测量子系统共用测量传感器、数据采集模块和显示输出模块。

由于显示输出模块不仅对原始动态信号进行显示，还对在线标定过程、传递函数标定过程及计算结果、在线补偿过程进行实时显示和记录，从而使测量数据的补偿、修正和显示直接在测试现场实现，因此操作人员可在测量过程中实时监测测量质量并及时修正操作错误，避免返工现象导致的测量效率下降。

图2为动态测量系统在线标定和补偿方法的流程图。对应上述实施例所述的在线标定和补偿的动态测量系统，在线标定和补偿的动态测量系统的方法包括以下步骤：

步骤a，在进行实际测量之前，首先启用在线标定子系统，对动态测量系统的动态特性即传递函数进行在线标定，所述传递函数用于在线补偿测量子系统的在线补偿过程；

步骤b，显示输出模块对传递函数的标定过程、计算结果进行显示和存储，以用于后续数据输出；

步骤c，在线标定子系统运行结束后关闭，开启在线补偿测量子系统，开始对被测量的测量，在线补偿模块采用动态测量系统的所述传递函数，对数据采集模块输出的原始动态信号进行补偿和修正，并将补偿后信号传输至显示输出模块；

步骤d，显示输出模块对原始动态信号、在线补偿过程、补偿后信号进行显示和存储，以用于后续数据输出处理。

由于将标定和测量在同一个时空下进行，所以两个环节的紧密衔接大大降低了环境参数变化给测量系统带来的误差，从而提高了动态测量的精度。

上述在线标定和补偿的动态测量系统的方法中：

所述步骤a中，在线标定子系统运行包括以下步骤：

子步骤a1，参考传感器与测量传感器同时工作，参考传感器为在线标定子系统提供输入信号；测量传感器为在线标定子系统提供输出信号；

子步骤a2，数据采集模块对参考传感器和测量传感器传输来的动态信号进行采集；

子步骤a3，在线标定模块将数据采集模块采集到的参考传感器信号和测量传感器信号进行动态分析，计算得到二者之间的函数关系，即为动态测量系统的传递函数；

子步骤a4，传递函数模块存储动态标定得到的最终结果，传输至在线补偿模块和显示输出模块；

所述步骤b中，在线补偿测量子系统运行过程中包括以下步骤：

子步骤b1，测量传感器对被测量进行测量，为在线补偿测量子系统提供原始动态信号；

子步骤b2，数据采集模块对测量传感器传输来的原始动态信号进行采集。

本公开提供的动态测量系统及方法，将常规操作中独立于测量环节之外的标定和补偿环节纳入到测量系统中，实现了在线标定和在线补偿，大大提高了三个环节之间的硬件共享和数据切换效率，对提高复杂测量系统的工作效率十分有利。此外，将决定测量精度的标定系统与测量系统集成在同一个系统中，可实现两个环节在同一个空间环境下的紧密衔接，这会大大降低环境参数在不同空间和时间的变化给测量过程带来的误差，提高了动态测量的精度。

另外，显示输出模块不仅对原始动态信号进行显示，还实现了对在线标定过程、传递函数标定过程及计算结果、在线补偿过程进行实时显示和记录，在线补偿子系统使测量数据的补偿、修正和显示直接在测试现场实现，操作人员可在测量过程中实时监测测量质量并及时修正操作错误，避免返工现象导致的测量效率下降。

图3为数据采集模块中参考传感器与测量传感器的时域信号图，以某压气机在某转速下的转子叶顶周期性压力波动为输入信号，实线所示的周期性压力波动为参考传感器信号，虚线所示的周期性压力波动为测量传感器信号。测量传感器经过动态测量系统之后，与参考传感器的正弦波信号相比，幅值有所降低，相位发生偏移，二者之间的变化即是动态传递函数所要描述的动态测量系统的动态特性。

在线标定模块将数据采集模块中参考传感器与测量传感器的时域信号图变换为图4所示的频域内的功率谱密度分布图，如图4所示，测量传感器信号与参考传感器信号相比，其特征频率保持不变，但由于动态测量系统的容腔效应影响，测量传感器信号的功率降低。

图3和图4所示为参考传感器与测量传感器以某固定频率的压力正弦波信号为输入信号时在时域和频域上的对比，从中可以看出动态测量系统对动态信号幅值和相位的影响。然而，测量系统的动态特性需要覆盖一定的频率范围，即需要在不同特征频率的正弦波下的幅值和相位变化规律。所以，改变压气机转速以得到不同频率的转子叶顶周期性压力波动信号，分别对不同频率的压力波动信号进行参考传感器和测量传感器的幅值和相位计算，计算二者的幅值比和相位差，进而得到动态测量系统传递函数的幅频特性和相频特性，如图5a和图5b所示。需要说明的时，频率范围的选择取决于真实测量过程中被测信号的频率范围，传递函数在线标定的频率范围能够覆盖被测量所有可能出现的频率即可。传递函数的标定完成后，将计算结果以多项式方程的形式自动发送至在线补偿模块，以备后续的在线补偿测量子系统使用。

在线标定子系统运行结束后关闭，并开启在线补偿测量子系统，开始对被测量的测量，此时参考传感器不再工作，测量传感器可根据实际测量需要调整安装位置，如在本实施例中，将测量传感器从当前压气机转子叶顶移动至另一台压气机转子叶顶，进行其动态压力波动的测量。

在线补偿测量子系统运行过程中，测量传感器对被测量进行测量，为在线补偿测量子系统提供原始动态信号。在线补偿模块采用动态测量系统的传递函数，对数据采集模块输出的原始动态信号进行补偿和修正，并将补偿后信号传输至显示输出模块，进行显示和存储，以用于后续数据输出。

图6所示为在线补偿模块中补偿和修正前后的时域信号图，从图中可以看出，补偿前信号由于系统的容腔效应影响，幅值发生了较大衰减，经过在线补偿模块中传递函数的修正，补偿后信号幅值恢复，在显示输出模块显示和存储补偿后的信号，即完成了对被测量的在线补偿、显示和存储。在显示输出模块中一旦发现测量结果有无，可追溯在线标定子系统和在线补偿测量子系统中哪一步骤出现误操作，并及时修正。

在上述在线标定和补偿的动态测量系统操作过程中，需要针对具体测量环境和传感器安装条件进行具体操作，只需在总体上按照上述标定和补偿测量流场进行。此外，需要说明的时，如动态测量系统需要的标定过程不能在被测量环境下进行标定，则需要提供所需特定标定条件，只要满足标定环境与被测量环境在同一个工作空间内，本系统皆可使用。

至此，本公开的示意性实施例介绍完毕。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。