非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構方法及其裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術提供一種非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構方法及其裝置，其中方法包括以下步驟：1)利用葉端定時測振系統獲取非均勻的葉端位移采樣數據；2)確定高速葉片振動特性以及頻帶范圍；3)基于周期非均勻采樣定理實現葉片振動信號的插值重構。本發明專利技術提供的方法重構信號無偏差、無混疊。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及葉片振動信號在線監測
，具體的涉及一種非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構方法及其裝置。
技術介紹
高周疲勞是燃氣輪機、航空發動機等旋轉機械高速葉片的常見故障，它常常在設備運行過程中出現，并導致葉片出現裂紋、斷裂，甚至會導致災難性事故的發生。葉片振動是高周疲勞的直接誘因。特別是振動頻率達到轉速周期整數倍的同步振動時，其引發的同步共振能持續增大葉片的振動幅度和所承受的應力,對葉片造成巨大的不可逆傷害。為此，對旋轉葉片產生的振動進行在線監測，能有效避免出現對葉片具有潛在危害的應力分布，對于保證旋轉機械的安全穩定運行具有重要意義。自20世紀60年代以來，非接觸式葉端定時測量方法已經廣泛應用于葉片振動的在線監測中。相比傳統應變片接觸測量法，該方法具有結構簡單，安裝方便，靈敏度高，能同時測量所有葉片的振動情況等突出的優點。非接觸式葉端定時測量法通過沿圓周方向安裝在機匣上的一組葉尖定時傳感器記錄葉片通過傳感器的時間。當葉片沒有發生振動時，其到達傳感器的基準時間只與轉速、葉片半徑以及傳感器安裝夾角相關；而當葉片發生振動時，其到達傳感器的實際時間會超前或滯后于這個基準時間，產生一個時間差。對該時間差信號序列進行處理就可以得到旋轉葉片葉端的振動位移序列，從而可以估計出葉片的各項振動特性。采用葉端定時測量方法進行振動監測，欠采樣是必須解決的重要技術問題。由于葉端定時測量采樣頻率取決于轉速和傳感器數目，受限于實際工況中的傳感器安裝代價和空間等因素，葉端定時傳感器數目一般較少，使得其采樣頻率一般遠低于高速葉片的固有頻率。因此，該采樣過程并不滿足奈奎斯特采樣定理，使得所獲得的采樣信號存在混淆，不能真實反映葉片的振動行為，必須對信號進行重構以獲取精確的葉片振動特征。當前，對葉端定時信號重構算法的研究，主要集中于采用均勻采樣的方法對異步振動信號進行重構，如CN201310460647.8中公開了一種高速葉片欠采樣葉端振動信號的無混疊重構方法，該方法通過將葉片振動信號看成是帶通信號，基于香農采樣定理對所得信號進行均勻重構。然而，在設備運行過程中，葉片同步振動具有更大的破壞性，而均勻采樣不利于監測葉片的同步振動。當葉片同步振動發生時，多個均勻安裝于機匣內的傳感器進行采樣時，存在一種采樣可能：多個傳感器均采集到多個周期上葉片振動波形上的同一個位移點，造成采樣數據冗余，數據分析難度急劇增大。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構方法及其裝置，該專利技術解決了現有技術中僅存在針對均勻采樣所得葉片振動信號，進行信號重構的方法的技術問題。本專利技術提供一種欠采樣葉端定時振動信號重構方法，包括以下步驟:步驟S100：獲取葉片的振動特性參數和振動位移，在葉片旋轉N圈后，采集振動位移的葉端定時信號時間序列；步驟S200：構建葉端定時振動信號非均勻采樣模型，模型中包含多路均勻采樣葉端定時信號之和以及葉片振動信號r(t)，據此采用模型進行采樣后得到均勻采樣葉端定時信號；步驟S300：對每路均勻采樣葉端定時信號構建插值函數Si(t)，得到葉端定時振動信號在頻域中的重構公式，對其進行傅里葉逆變換得到葉端定時振動信號的時域重構公式，據時域重構對葉端定時信號時間序列進行重構；葉片的轉動頻率恒定。進一步地，葉片的振動特性參數包括葉片的固有頻率估計值振動帶寬B和振型；還包括步驟S110：確定葉片的頻帶，頻帶為信號頻帶[f0-B0/2,f0+B0/2]，其中：f0為中心頻率，B0為帶寬；葉端定時振動信號屬于頻帶，進一步地，葉端定時振動信號非均勻欠采樣模型為公式(2)：x(t)=r(t)Σi=1I-1Σn=1N-1δ(t-nfr-αi2πfr)---(2)]]>其中r(t)為真實的葉片振動信號，x(t)為葉端位移采樣數據，δ為狄利克雷函數。進一步地，葉端定時振動信號在頻域中的重構公式為公式(3)：R1(f)=Σi=0I-1frSi(f)Σn=-∞∞R(f-nfr)e-jnαi---(3)]]>其中R(f)為r(t)的功率譜，Si(f)為Si(t)的功率譜，R1(f)為重構葉端定時振動信號的功率譜，αi為第i個葉端定時傳感器的安裝角，j為根據B0/fr將原始葉端定時信號頻帶劃分成多個子頻帶中的第j個子頻帶，fr為葉片的轉動頻率。進一步地，步驟S300中還包括以下步驟：步驟S310：計算子頻帶中由于欠采樣產生的復制信號索引；步驟S320：以R1(f)＝R(f)，從而得到用于消除復制信號的方程組：{Σi=0I-1frSi,j(f)=1Σi=0I-1Si,j(f)e-jnαi=0,∀n∈Z,n≠0---(4)]]>其中，Z為整數域，Si,j(f)是Si(f)在給定子頻帶內的第j個分量，求解公式(4)得到Si(f)；步驟S330：將Si(f)帶入公式(3)中，構建得到葉端定時振動信號在頻域中的重構公式；B0/fr小于葉端定時傳感器的數目I。進一步地，葉片的振動位移根據公式(1)得到：x(ti,nk)=R[(αi-θk)+2πn-2πfrti,nk]---(1);]]>其中：表示第n個轉速周期內，第k個葉片通過第i個葉端定時傳感器的振動位移，表示第n個轉速周期內，第k個葉片通過第i個葉端定時傳感器的實際到達時間，αi表示第i個葉端定時傳感器的安裝角，θk表示第k個葉片的位置，R表示葉片葉端到旋轉中心軸的距離，fr為葉片的轉動頻率。本專利技術的另一方面還提供了一種如上述的欠采樣葉端定時振動信號重構方法用裝置，包括：信號獲取模塊：用于獲取葉片的振動特性參數和振動位移，在葉片旋轉N圈后，采集振動位移的葉端定時信號時間序列；構建采樣模塊：用于構建葉端定時振動信號非均勻采樣模型，模型中包含多路均勻采樣葉端定時信號之和以及葉片振動信號r(t)，據此采用模型進行采樣后得到均勻采樣葉端定時信號；重構模塊：用于對每路均勻采樣葉端定時信號構建插值函數Si(t)，得到葉端定時振動信號在頻域中的重構公式，對其進行傅里葉逆變換得到葉端定時振動信號的時域重構公式，據時域重構對葉端定時信號時間序列進行重構；葉片的轉動頻率恒定。進一步地，信號獲取模塊還包括頻帶確定模塊，用于確定葉片的頻帶，頻帶為信號頻帶[f0-B0/2,f0+B0/2]，其中：f0為中心頻率，B0為帶寬；葉本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟S100：獲取葉片的振動特性參數和振動位移，在所述葉片旋轉N圈后，采集振動位移的葉端定時信號時間序列；步驟S200：構建所述葉端定時振動信號非均勻采樣模型，所述模型中包含多路均勻采樣葉端定時信號之和以及葉片振動信號r(t)，據此采用模型進行采樣后得到均勻采樣葉端定時信號；步驟S300：對每路所述均勻采樣葉端定時信號構建插值函數Si(t)，得到所述葉端定時振動信號在頻域中的重構公式，對其進行傅里葉逆變換得到葉端定時振動信號的時域重構公式，據所述時域重構對所述葉端定時信號時間序列進行重構；所述葉片的轉動頻率恒定；所述振動位移由安裝于機匣內的第一葉端定時傳感器和第二葉端定時傳感器獲取。

【技術特征摘要】
1.一種非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構方法，其特征在于，包括以下步驟:
步驟S100：獲取葉片的振動特性參數和振動位移，在所述葉片旋轉N圈后，采集振動
位移的葉端定時信號時間序列；
步驟S200：構建所述葉端定時振動信號非均勻采樣模型，所述模型中包含多路均勻采
樣葉端定時信號之和以及葉片振動信號r(t)，據此采用模型進行采樣后得到均勻采樣葉端
定時信號；
步驟S300：對每路所述均勻采樣葉端定時信號構建插值函數Si(t)，得到所述葉端定
時振動信號在頻域中的重構公式，對其進行傅里葉逆變換得到葉端定時振動信號的時域重
構公式，據所述時域重構對所述葉端定時信號時間序列進行重構；
所述葉片的轉動頻率恒定；
所述振動位移由安裝于機匣內的第一葉端定時傳感器和第二葉端定時傳感器獲取。
2.根據權利要求1所述的非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構方法，其特征在于，所述葉片
的振動特性參數包括所述葉片的固有頻率估計值振動帶寬B和振型；
還包括步驟S110：確定所述葉片的頻帶，所述頻帶為信號頻帶[f0-B0/2,f0+B0/2]，
其中：f0為中心頻率，B0為帶寬；所述葉端定時振動信號屬于所述頻帶，3.根據權利要求2所述的非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構方法，其特征在于，所述葉端
定時振動信號非均勻欠采樣模型為公式(2)：
x(t)=r(t)Σi=1I-1Σn=0N-1δ(t-nfr-αi2πfr)---(2)]]>其中r(t)為真實的葉片振動信號，x(t)為葉端位移采樣數據，δ為狄利克雷函數。
4.根據權利要求3所述的非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構方法，其特征在于，所述葉端
定時振動信號在頻域中的重構公式為公式(3)：
R1(f)=Σi=0I-1frSi(f)Σn=-∞∞R(f-nfr)e-jnαi---(3)]]>其中R(f)為r(t)的功率譜，Si(f)為所述Si(t)的功率譜，R1(f)為重構葉端定時振
動信號的功率譜，αi為第i個葉端定時傳感器的安裝角，j為根據B0/fr將原始所述葉端
定時信號頻帶劃分成多個子頻帶中的第j個子頻帶，fr為葉片的轉動頻率。
5.根據權利要求4所述的非均勻欠采樣葉端定時振動信號重構方法，其特征在于，所述步驟
S300中還包括以下步驟：
步驟S310：計算所述子頻帶中由于欠采樣產生的復制信號索引；
步驟S320：以R1(f)＝R(f)，從而得到用于消除所述復制信號的方程組：
Σi=0I-1frSi,j(f)=1Σi=0I-1Si,j(f)e-jnαi=0,∀n∈Z,n≠0---(4)]]>其中，Z為整數域，Si,j(...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳仲生，楊擁民，胡政，林軍，徐海龍，胡海峰，官鳳嬌，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科學技術大學，
類型：發明
國別省市：湖南;43