專利名稱：基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種航空發(fā)動機包容試驗數(shù)據(jù)采集設備，尤其涉及一種基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)。
背景技術：
航空發(fā)動機非包容事故會造成嚴重的人員傷亡，各國民用和軍用航空發(fā)動機規(guī)范對發(fā)動機包容性做出嚴格規(guī)定。在航空發(fā)動機包容試驗中，航空發(fā)動機葉片/輪輪爆裂轉速一般都在70000 r/min以上，試驗需要在專用的高速試驗臺上進行。為了對試驗狀態(tài)監(jiān)控及試驗數(shù)據(jù)分析，在航空發(fā)動機包容試驗中需要通過控制高速攝像機、應變儀及其示波器對葉片飛斷時刻的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集。由于高速攝像機、應變儀及其示波器本身存儲空間限制只能采集一定容量的數(shù)據(jù)，不能完成對整個試驗過程的數(shù)據(jù)的監(jiān)控。航空發(fā)動機包容試驗研究重點為葉片/輪盤爆裂與機匣撞擊情況，所以需要合理控制數(shù)據(jù)采集設備動作時間完成對撞擊時刻的數(shù)據(jù)記錄。由于破壞試驗的高額的費用限制，要求每次試驗必須完成對撞擊時刻的數(shù)據(jù)記錄，所以合理控制數(shù)據(jù)采集設備動作時間成為航空發(fā)動機包容試驗成敗的關鍵。目前國內航空發(fā)動機包容試驗數(shù)據(jù)采集設備的控制主要采用切割通電線圈的觸發(fā)方式，但是這種方式存在以下不足:(I)受葉片與機匣之間間隙的限制，當間隙過小時沒有足夠空間放置通電線圈；(2)由于旋轉軸的渦動出現(xiàn)葉片提前刮斷通電線圈，造成試驗失敗。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在葉輪爆裂的瞬間控制高速攝像機、應變儀及其示波器對葉片飛斷時刻的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，采集時間誤差在20 ms以內，滿足機匣包容試驗要求，能夠可靠完成試驗任務。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的:一種基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)，它主要由振動信號采集部分，觸發(fā)控制部分、數(shù)據(jù)采集部分和系統(tǒng)延時測量部分四部分組成；其中，所述數(shù)據(jù)采集部分和振動信號采集部分均與觸發(fā)控制部分相連，系統(tǒng)延時測量部分分別與觸發(fā)控制部分和數(shù)據(jù)采集部分相連。進一步地，所述振動信號采集部分包括電渦流位移傳感器探頭和第一前置器，電渦流位移傳感器探頭安裝在高速柔性軸的軸承座上，電渦流位移傳感器探頭通過延伸電纜和第一前置器連接，實現(xiàn)振動信號的傳遞。進一步地，所述觸發(fā)控制部分包括位移振幅測量儀、外部繼電器、24V直流電源和分壓電阻等；其中，所述分壓電阻由第一電阻和第二電阻串聯(lián)組成，外部繼電器具有低壓控制電路和三路常開觸點；第一前置器通過屏蔽線與位移振幅測量儀連接，位移振幅測量儀的ALARM端口與24V直流電源的負極相連，24V直流電源的正極、第一電阻、第二電阻依次串聯(lián)，第二電阻與位移振幅測量儀的ON端口相連，外部繼電器的低壓控制電路與分壓電阻并聯(lián)；位移振幅測量儀完成對輸入信號放大并進行峰峰值測量，當振動超過設定的報警值時，位移振幅測量儀發(fā)出報警訊號同時控制其內置的繼電器觸點ALARM-ON開關動作，通過控制電路控制外部繼電器的三路常開觸點動作。進一步地，所述數(shù)據(jù)采集部分由高速相機、高速相機監(jiān)控計算機、應變儀、應變片、軸心軌跡采集傳感器探頭、示波器和顯示屏等組成。高速相機的通訊接口通過標準以太網(wǎng)線與高速相機監(jiān)控計算機連接，高速相機的視頻輸出端口通過VGA信號線與顯示屏連接，高速相機的觸發(fā)端口通過BNC接頭及屏蔽線與外部繼電器的第一路常開觸點組成回路；軸心軌跡采集傳感器探頭包括兩個電渦流位移傳感器探頭，這兩個電渦流位移傳感器探頭呈90°位置固定在高速柔性軸的軸承座上，并分別通過延伸電纜連接一個第二前置器，兩個第二前置器通過屏蔽線連接示波器的CH1、CH2通道的探頭連接器，示波器的外部觸發(fā)的探頭連接器通過屏蔽線與5V直流電源、外部繼電器的第二路常開觸點組成回路。應變片通過屏蔽線接到應變儀的應變橋盒，應變儀的外觸發(fā)端口通過屏蔽線與5V直流電源、外部繼電器的第三路常開觸點組成回路。進一步地，所述系統(tǒng)延時測量部分由NI數(shù)據(jù)采集卡和采集計算機組成，NI數(shù)據(jù)采集卡的模擬端子采用差分模式分別與位移振幅測量儀的COM端口和LEVEL OUTPUT端口、第一電阻的兩端、高速相機的觸發(fā)端口、示波器的外部觸發(fā)、應變儀的外觸發(fā)端口相連。本發(fā)明具有的有益效果是:
1、采用電渦流位移傳感器對試驗臺旋轉軸振動數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)對試驗臺振動的實時監(jiān)控，從葉片/輪盤爆裂到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)反應時間在ms數(shù)量級，能夠高標準的達到試驗要求；
2、采用非接觸式測量方式，葉片/輪盤爆裂不會對觸發(fā)系統(tǒng)造成損傷；
3、系統(tǒng)結構簡單，成本低，可靠性高，具有較高的經(jīng)濟效益。


圖1是航空發(fā)動機機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)示意 圖2是觸發(fā)系統(tǒng)繼電器控制部分原理 圖3是采集計算機LabVIEW流程圖
圖中:軸心軌跡采集傳感器探頭1、電渦流位移傳感器探頭2、高速柔性軸3、轉速傳感器4、機匣5、輪盤及葉片6、試驗腔7、高強度直流燈8、目鏡9、高速相機10、數(shù)據(jù)采集部分
11、高速相機監(jiān)控計算機12、示波器13、應變儀14、應變片15、5V直流電源16、第一前置器17、外部繼電器18、分壓電阻19、24V直流電源20、振動信號采集部分21、振幅位移測量儀22、觸發(fā)控制部分23、NI數(shù)據(jù)采集卡24、采集計算機25、系統(tǒng)延時測量部分26、第二前置器27、顯示屏28、第一電阻29、第二電阻30。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。如圖1、2所示，本發(fā)明基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)，由振動信號采集部分21，觸發(fā)控制部分23、數(shù)據(jù)采集部分11和系統(tǒng)延時測量部分26四部分組成。數(shù)據(jù)采集部分11和振動信號采集部分21均與觸發(fā)控制部分23相連，系統(tǒng)延時測量部分26分別與觸發(fā)控制部分23和數(shù)據(jù)采集部分11相連。其中，振動信號采集部分21包括電渦流位移傳感器探頭2和第一前置器17，電渦流位移傳感器探頭2安裝在高速柔性軸3的軸承座上，電渦流位移傳感器探頭2通過延伸電纜和第一前置器17連接，實現(xiàn)振動信號的傳遞。觸發(fā)控制部分23包括位移振幅測量儀22、外部繼電器18、24V直流電源20和分壓電阻19 ;分壓電阻19由第一電阻29和第二電阻30串聯(lián)組成，外部繼電器18具有低壓控制電路和三路常開觸點；第一前置器17通過屏蔽線與位移振幅測量儀22連接，位移振幅測量儀22的ALARM端口與24V直流電源20的負極相連，24V直流電源20的正極、第一電阻29、第二電阻30依次串聯(lián)，第二電阻30與位移振幅測量儀22的ON端口相連，外部繼電器18的低壓控制電路與分壓電阻19并聯(lián)；位移振幅測量儀22完成對輸入信號放大并進行峰峰值測量，當振動超過設定的報警值時，位移振幅測量儀22發(fā)出報警訊號同時控制其內置的繼電器觸點ALARM-ON開關動作，通過控制電路控制外部繼電器18的三路常開觸點動作。數(shù)據(jù)采集部分11由高速相機10、高速相機監(jiān)控計算機12、應變儀14、應變片15、軸心軌跡采集傳感器探頭1、示波器13和顯示屏28組成。高速相機10的通訊接口通過標準以太網(wǎng)線與高速相機監(jiān)控計算機12連接，高速相機10的視頻輸出端口通過VGA信號線與顯示屏28連接，高速相機10的觸發(fā)端口通過BNC接頭及屏蔽線與外部繼電器18的第一路常開觸點組成回路；軸心軌跡采集傳感器探頭I包括兩個電渦流位移傳感器探頭，這兩個電渦流位移傳感器探頭呈90°位置固定在高速柔性軸3的軸承座上，并分別通過延伸電纜連接一個第二前置器27，兩個第二前置器27通過屏蔽線連接示波器13的CH1、CH2通道的探頭連接器，示波器13的EXT TRIG (外部觸發(fā))的探頭連接器通過屏蔽線與5V直流電源16、外部繼電器18的第二路常開觸點組成回路。應變片15通過屏蔽線接到應變儀14的應變橋盒，應變儀14的外觸發(fā)端口通過屏蔽線與5V直流電源16、外部繼電器18的第三路常開觸點組成回路。 系統(tǒng)延時測量部分26由NI數(shù)據(jù)采集卡24和采集計算機25組成，NI數(shù)據(jù)采集卡24的模擬端子采用差分模式分別與位移振幅測量儀22的COM端口和LEVEL OUTPUT端口、第一電阻29的兩端、高速相機10的觸發(fā)端口、示波器13的EXT TRIG (外部觸發(fā))、應變儀14的外觸發(fā)端口相連。系統(tǒng)延時測量部分26對圖2中V1、V2、V3、V4、V5五個位置進行電位采集。測點Vl為位移振幅測量儀22的LEVEL OUTPUT端口與COM端的電位，測點Vl的電位變化反映了高速柔性軸3的振動情況，對測點Vl的電位變化分析得到觸發(fā)信號源滿足觸發(fā)條件的時刻值。第一電阻29和第二電阻30為兩個串聯(lián)的電阻，其阻值均為1ΚΩ，測點V2為第一電阻29兩端的電壓值，測點V2的電位變化反映了位移振幅測量儀22 ALARM與ON端口開啟與閉合情況，從數(shù)據(jù)中可以找到位移振幅測量儀繼電器觸點的動作時亥IJ。測點V3、測點V4、測點V5分別代表高速相機10、示波器13、應變儀14外部觸發(fā)控制端口電位變化情況，分析電位變化可以得出對應的觸發(fā)時刻。采集計算機25的工作過程如下:
采集計算機安裝有NI公 司開發(fā)的LabVIEW軟件，用戶在軟件面板內自行開發(fā)所需的采集程序，NI數(shù)據(jù)采集卡24通過采集計算機25的USB端口與計算機連接，被采集模擬信號采用差分模式連接至NI數(shù)據(jù)采集卡24的模擬端子。程序運行前，需要用戶對DAQ助手設置所需的采樣率、采樣數(shù)參數(shù)，程序運行時，DAQ助手按照給定的采樣率、采樣數(shù)通過采集計算機USB端口讀取NI數(shù)據(jù)采集卡24中各模擬端子的電壓值，DAQ助手數(shù)據(jù)端子通過信號拆分功能分成三路，第一路連接至Waveform Graph控件中，實現(xiàn)對DAQ助手數(shù)據(jù)端子輸出值的波形圖顯示，第二路連接至String Indicator控件,實現(xiàn)對DAQ助手數(shù)據(jù)端子輸出值的數(shù)值顯示，第三路連接至Write To Measurement File Express VI控件，實現(xiàn)對DAQ助手數(shù)據(jù)端子輸出值的記錄保存。其中，Write To Measurement File Express VI控件Enable端子采用Push Button布爾控件控制是否對數(shù)據(jù)保存，F(xiàn)ilename端子通過File Path Control控件設定保存位置，Saving Data端子連接Round Led布爾指示燈實現(xiàn)對數(shù)據(jù)保存的監(jiān)控。上述過程采用While Loop循環(huán)結構實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。本采集觸發(fā)控制系統(tǒng)工作過程為:輪盤及葉片6在高速旋轉情況下的葉片飛斷會激發(fā)高速柔性軸3的劇烈振動，電渦流位移傳感器探頭2與高速柔性軸3之間相對位移的變化會引起電渦流位移傳感器探頭2輸出電位的變化，第一前置器17對振動信號調制放大后得到的直流信號送到位移振幅測量儀22 ;位移振幅測量儀22具有直流放大、交流放大、雙峰檢測、報警等功能，在振幅測量時，當振動超過預先設定的報警值時，位移振幅測量儀22發(fā)出報警訊號同時控制內置的繼電器觸點ALARM-ON開關動作，通過控制電路控制外部繼電器18三路常開觸點動作，控制高速相機10、示波器13、應變儀14外部觸發(fā)控制端口的通斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設備對輪盤及葉片6爆裂撞擊機匣5時刻的數(shù)據(jù)記錄。通過采集計算機25及NI數(shù)據(jù)采集卡24對電路中V1、V2、V3、V4、V5五個位置電位變化進行采集，比較不同元件的電位突變位置的時間差值，對整個系統(tǒng)的觸發(fā)延時性能評估的目的。本發(fā)明中，采用電渦流位移傳感器探頭2對高速柔性軸3振動數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)對試驗臺振動的實時監(jiān)控，葉片/輪盤爆裂到數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)工作的時間差在ms數(shù)量級，能夠高標準的達到試驗要求；電渦流位移傳感器探頭2采用非接觸式測量方式，葉片/輪盤爆裂不會對數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)造成損傷，系統(tǒng)結構簡單，成本低，可靠性高，具有較高的經(jīng)濟效益。
權利要求
1.一種基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，它主要由振動信號采集部分(21)，觸發(fā)控制部分(23)、數(shù)據(jù)采集部分(11)和系統(tǒng)延時測量部分(26)四部分組成；其中，所述數(shù)據(jù)采集部分(11)和振動信號采集部分(21)均與觸發(fā)控制部分(23)相連，系統(tǒng)延時測量部分(26)分別與觸發(fā)控制部分(23)和數(shù)據(jù)采集部分(11)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，所述振動信號采集部分(21)包括電渦流位移傳感器探頭(2)和第一前置器(17)，電渦流位移傳感器探頭(2 )安裝在高速柔性軸(3 )的軸承座上，電渦流位移傳感器探頭(2 )通過延伸電纜和第一前置器(17)連接，實現(xiàn)振動信號的傳遞。
3.根據(jù)權利要求1所述基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，所述觸發(fā)控制部分(23)包括位移振幅測量儀(22)、外部繼電器(18)、24V直流電源(20)和分壓電阻(19 )等；其中，所述分壓電阻(19 )由第一電阻(29 )和第二電阻(30 )串聯(lián)組成，夕卜部繼電器(18)具有低壓控制電路和三路常開觸 點；第一前置器(17)通過屏蔽線與位移振幅測量儀(22 )連接，位移振幅測量儀(22 )的ALARM端口與24V直流電源(20 )的負極相連，24V直流電源(20)的正極、第一電阻(29)、第二電阻(30)依次串聯(lián)，第二電阻(30)與位移振幅測量儀(22)的ON端口相連，外部繼電器(18)的低壓控制電路與分壓電阻(19)并聯(lián)；位移振幅測量儀(22)完成對輸入信號放大并進行峰峰值測量，當振動超過設定的報警值時，位移振幅測量儀(22)發(fā)出報警訊號同時控制其內置的繼電器觸點ALARM-ON開關動作，通過控制電路控制外部繼電器(18)的三路常開觸點動作。
4.根據(jù)權利要求1所述基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集部分(11)由高速相機(10)、高速相機監(jiān)控計算機(12)、應變儀(14)、應變片(15)、軸心軌跡采集傳感器探頭(I)、示波器(13)和顯示屏(28)等組成；高速相機(10)的通訊接口通過標準以太網(wǎng)線與高速相機監(jiān)控計算機(12)連接，高速相機(10)的視頻輸出端口通過VGA信號線與顯示屏(28)連接，高速相機(10)的觸發(fā)端口通過BNC接頭及屏蔽線與外部繼電器(18)的第一路常開觸點組成回路；軸心軌跡采集傳感器探頭(I)包括兩個電渦流位移傳感器探頭，這兩個電渦流位移傳感器探頭呈90°位置固定在高速柔性軸(3)的軸承座上，并分別通過延伸電纜連接一個第二前置器(27)，兩個第二前置器(27)通過屏蔽線連接示波器(13)的CH1、CH2通道的探頭連接器，示波器(13)的外部觸發(fā)的探頭連接器通過屏蔽線與5V直流電源(16)、外部繼電器(18)的第二路常開觸點組成回路；應變片(15)通過屏蔽線接到應變儀(14)的應變橋盒，應變儀(14)的外觸發(fā)端口通過屏蔽線與5V直流電源(16)、外部繼電器(18)的第三路常開觸點組成回路。
5.根據(jù)權利要求1所述基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)延時測量部分(26)由NI數(shù)據(jù)采集卡(24)和采集計算機(25)組成，NI數(shù)據(jù)采集卡(24)的模擬端子采用差分模式分別與位移振幅測量儀(22)的COM端口和LEVEL OUTPUT端口、第一電阻(29)的兩端、高速相機(10)的觸發(fā)端口、示波器(13)的外部觸發(fā)、應變儀(14)的外觸發(fā)端口相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于振動值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)；系統(tǒng)包括振動信號采集部分，觸發(fā)控制部分，數(shù)據(jù)采集部分，系統(tǒng)延時測量部分。電渦流位移傳感器對高速柔性軸的振動信號進行采集，前置器對傳感器探頭采集的信號調制放大，檢濾波處理，得到的直流信號送到位移振幅測量儀。位移振幅測量儀對信號放大及峰峰值測量，當高速柔性軸振動過大超過設定的報警值時，位移振幅測量儀發(fā)出報警訊號同時控制內置的繼電器動作，振幅位移測量儀的內置繼電器觸點動作通過觸發(fā)控制部分控制外部繼電器三路常開觸點動作，實現(xiàn)對高速攝像機、示波器及應變儀等設備的控制。系統(tǒng)延時測量部分對電路中不同元件的電位進行采集，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的動作延時的測量。
文檔編號G01M15/00GK103217293SQ20131011914
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月8日 優(yōu)先權日2013年4月8日
發(fā)明者洪偉榮, 曹繼來, 宣海軍, 李穎, 何澤侃 申請人:浙江大學