基于轉速脈沖重構的航空發(fā)動機振動信號相位測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于航空發(fā)動機振動監(jiān)測技術領域，具體的說是一種航空發(fā)動機振動信號 相位測量方法，用于在航空發(fā)動機高速運行時的復雜振動環(huán)境下，穩(wěn)定并精確的實現對振 動信號相位的測量。
【背景技術】
[0002] 目前，振動信號分析是診斷航空發(fā)動機故障的一種有效方法，絕大多數結構強度 方面的故障都與振動信號有密切的關系。發(fā)動機振動監(jiān)測是狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷的一項重 要內容。通過相關的傳感器，可以采集到發(fā)動機的各種振動信號，通過對振動信號的振幅、 振動烈度、相位等參數的實時檢測，結合振動信號的固有特征，可實時監(jiān)測發(fā)動機的運轉情 況，避免大事故發(fā)生給企業(yè)造成損失。振動信號的相位信息對轉子的動平衡、發(fā)動機的動態(tài) 特性和故障特性有著重要的意義，因此研究振動信號相位測量方法具有非常重要的工程意 義。
[0003] 傳統的振動信號相位測量方法一般先采用FFT運算將信號轉換到頻域，然后再實 現對相位的測量。這種方法是等時間間隔采樣，對轉速穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)信號，其估計的相位較 準確。但當轉子運行不穩(wěn)定時，比如啟、停車過程，每周期內的采集點數是時變的，此時利 用FFT計算非周期采樣將會產生由頻譜泄露引起的泄露誤差，使測得的幅值、相角偏離實 際值，尤其是相位測量誤差更大。其改進方法是保證等角度采樣，從而將非穩(wěn)態(tài)信號通過恒 定角增量采樣轉變?yōu)榻怯虻姆€(wěn)定信號，有效地克服了"頻譜泄露"現象。在現有方法中，一 般通過實時改變采樣率或通過對數字信號進行插值來實現等角度采樣。實時改變采樣率的 方法通過轉速信息控制實際的采樣率實現，它是一個動態(tài)的平衡過程，其精度有限；數字信 號插值的方法相對比較容易實現，在轉速達到動平衡時，其精度較高，但當轉速大動態(tài)變化 時，需要插值的點數變大，會影響插值精度，從而影響對相位的估計精度。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述振動信號相位測量方法的不足，提出了一種基于轉速 脈沖重構的航空發(fā)動機轉子振動信號相位測量方法，以避免由于頻譜泄露、信噪比低等諸 多因素的影響，提高測量精度。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案是：一種基于轉速脈沖重構的航空發(fā)動機振動信號相位測 量方法，包括如下過程：
[0006] (1)監(jiān)測轉速脈沖，根據下式計算當前時刻轉速脈沖的周期Tk，
【主權項】
1. 基于轉速脈沖重構的航空發(fā)動機振動信號相位測量方法，包括如下過程： (1) 監(jiān)測轉速脈沖，根據下式計算當前時刻轉速脈沖的周期Tk， Tk=W1 1) 其中，tk為轉速脈沖的第k個上升沿對應的時刻，k=l，2, 3,...，表示上升沿的序號； (2) 計算振動信號在轉速脈沖周期Tk內采集數據的點數，記為Nk，并將該周期內的振動 信號記為s k(t)，Vt彡tk; (3) 結合實際系統中的采樣率，產生周期為Tk、點數為Nk的兩路正交信號，作為參 考信號；兩路正交信號分別為相位為〇°的正弦和余弦信號，分別記為I k(t)和Qk(t)， tk-i<t ^ tk ; (4) 將Ik(t)和Qk(t)作為兩路本振，和振動信號Sk(t)進行混頻，并將不同時刻的混頻 結果進行順序拼接，得到新的數據Γ k(t)和Q' k(t); (5) 通過低通濾波器濾去高頻分量，濾波后的信號記為I" (t)和Q" (t); (6) 分別對I" (t)和Q" (t)進行積分，得到兩路積分結果； (7) 通過下式估計振動信號的相位
(8) 通過α，β濾波或者卡爾曼濾波對振動信號相位進行平滑，得到最終的相位 估計結果Ψ (t)。
2. 根據權利要求1所述的基于轉速脈沖重構的航空發(fā)動機振動信號相位測量方法，其 特征在于：所述步驟4)1' k(t)和Q' k(t)的計算方法是：
其中，*表示混頻。
3. 根據權利要求1所述的基于轉速脈沖重構的航空發(fā)動機振動信號相位測量方法，其 特征在于：所述步驟5) I" (t)和Q" (t)的計算方法是：
其中，lpf [X]表示對X進行低通濾波。
4. 根據權利要求1所述的基于轉速脈沖重構的航空發(fā)動機振動信號相位測量方法，其 特征在于：所述步驟6)具體積分方法是：
其中，T為積分時間，T= [1^+1，1^+2,…，V1, Tk]，L為整數， 當積分結果送給步驟（7)后，自動將積分結果清零，以便進行下一次積分。
5. 根據權利要求1或2或3或4所述的基于轉速脈沖重構的航空發(fā)動機振動信號相位 測量方法，其特征在于：步驟（3)中所述的參考信號，是通過步驟（1)中估計的周期T k、步驟 (2)中估計的點數Nk和實際系統中的采樣率產生的。
6. 根據權利要求5所述的基于轉速脈沖重構的航空發(fā)動機振動信號相位測量方法，其 特征在于：步驟（4)中所述的混頻，是將通過步驟（3)所產生的兩路正交信號作為兩路本振 的。
7. 根據權利要求6所述的基于轉速脈沖重構的航空發(fā)動機振動信號相位測量方法，其 特征在于：所述步驟（1)至步驟（8)循環(huán)執(zhí)行，實現對發(fā)動機振動信號相位的實時測量。
【專利摘要】基于轉速脈沖重構的航空發(fā)動機振動信號相位測量方法，主要解決現有技術對振動信號相位測量誤差大和不穩(wěn)定的問題。所述測量方法，通過分析轉速信號和振動信號，在本地重構兩路正交的參考信號，并通過測角算法估計出振動信號的相位。本發(fā)明具有運算量小、穩(wěn)定性好、且測速精度高的優(yōu)點，可用于對航空發(fā)動機振動信號相位的精確測量。
【IPC分類】G01H17-00
【公開號】CN104677486
【申請?zhí)枴緾N201310625488
【發(fā)明人】張蕾, 趙小勇, 毛寧, 徐杰, 唐甜
【申請人】中國航空工業(yè)集團公司第六三一研究所
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2013年11月27日