機匣試驗數據采集觸發系統范文

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1觸發系統

基于振動幅值的機匣包容試驗數據采集觸發系統[8]（如圖1所示）主要包括振動信號采集系統、觸發控制系統、觸發電路、數據采集系統、觸發延時測試系統等，其中觸發控制系統為基于振動幅值的機匣包容試驗數據采集觸發系統的核心部分；振動信號采集系統實現對高速旋轉軸振動信號的采集，提供可靠的觸發信號源；觸發電路實現對數據采集系統的實時控制，采集葉輪破裂時刻相關數據信息；觸發延時測試系統主要用于對系統觸發延時性能的評估，通過對整個系統中主要元件的電位變化通過LabVIEW程序進行采集，對電位變化的時間差進行評估。

2觸發系統工作原理

2.1振動信號采集系統振動信號采集系統主要包括電渦流位移傳感器和前置變換器，其中電渦流位移傳感器運用感應電渦流原理，即高頻交變磁場在金屬表面感應產生電渦流，如圖2所示。前置變換器主要包括振蕩器、源極輸出、正反饋放大器、檢波濾波4部分。其中振蕩器供給傳感器線圈高頻振蕩訊號，由正反饋放大器將傳感器的輸出電信號加以放大驅動負載，高頻載波信號經檢波濾波得到直流信號，最后得到的直流信號作為觸發信號源送到位移振幅測量儀。

2.2觸發信號控制系統及觸發電路觸發控制系統及觸發電路主要由位移振幅測量儀和繼電器控制電路組成。其中位移振幅測量儀主要包括直流放大器、交流放大器、雙峰檢測電路、報警電路和穩壓電源等。直流放大器包括運算放大器IC1和IC2構成的電壓放大部分及三極管組成的電流放大部分，前置器輸出信號經過直流放大器的信號放大處理，產生與位移量相關的電壓輸出；交流放大器位于直流放大器之后，由運算放大器IC3和三極管電流放大器組成，直流放大器放大處理后的信號經過交流放大器進一步放大，產生與振幅量相關的電壓輸出；峰峰檢測電路主要由正、負峰檢波器及差動輸入級組成，交流放大器輸出端信號被送入雙峰檢測電路，測量振動峰峰值[9]；報警電路主要包括開環放大器和積分器，當振幅值超過設定值時，開環放大器反轉，積分電路積分延時達到設定時間后，驅動繼電器動作，報警輸出觸點斷開。在振幅測量時，當振動超過預先設定的報警值時，設備發出報警訊號同時控制內置的繼電器開關動作，實現觸發功能。試驗中位移振幅測量儀采用浙江大學自儀小組自主研發的ZZF型位移振幅測量儀，工作原理如圖3所示。位移振幅測量儀延時報警功能主要由定時和觸發報警電路實現，其中定時電路用于檢測輸入信號中高電平及高電平維持時間，當輸入信號的維持時間大于延時時間t時，觸發報警電路。合理地設置t，使觸發達到快速響應，同時又有效地避免外界短暫的干擾。觸發電路由位移振幅測量儀、繼電器、高速攝像機、示波器、應變儀以及相應的屏蔽信號線組成。其中位移振幅測量儀作為觸發控制系統的的核心，對觸發電路性能好壞起到了決定性作用；繼電器是高速攝像機、示波器、應變儀的主控元件，要求其動作響應迅速，延遲時間小。觸發電路原理如圖4所示。

2.3數據采集系統數據采集系統硬件設備采用美國NI公司生產的USB-6009數據采集卡，最大采樣頻率為50kHz。采集程序應用配套的LabVIEW軟件自行編寫的采樣程序，采集通道運用差分輸入模式，單通道采樣率為10240Hz。試驗需要采集的物理量為旋轉軸的振動信號，合理地進行采集電路的連接即可完成數據采集任務。

2.4觸發延時測試系統根據系統的工作原理，由外界振動信號引起的觸發具有一定的時序性。觸發延時測試系統主要用于評估電路延時性能，通過LabVIEW程序對電路中不同元件的電位變化進行采集，由于不同元件采集得到的數據具有相同的時間基準，利用采集得到的電位數據繪制時域曲線，比較不同元件的電位變化的時間差值，達到對整個系統的觸發延時性能評估的目的。在系統工作時，外界振動信號要主要經過電渦流位移傳感器、前放大置器、位移振幅測量儀、繼電器開關等，最終控制相應的數采設備工作。依據信號的傳輸過程，依次選取傳輸通道上的V1、V2、V3、V4、V55個位置進行電位采集。測點V1為位移振幅測量儀電平輸出端與COM端的電位，其電位變化反映了旋轉軸的振動情況，得到觸發信號源滿足觸發條件的時刻值。電阻R1、R2為2個串聯的電阻，其阻值均為1kΩ，測70B9V2為電阻1兩端的電壓值；測點V2的電位變化反映了位移振幅測量儀ALARM與ON端口開啟與閉合情況，從數據中可以讀出位移振幅測量儀繼電器觸點的動作時刻；在測點V3、V4、V5分別測試高速相機、應變儀、示波器輸入信號電位變化情況，分析電位變化可以得出相應元件的工作時刻。

3試驗結果

觸發的及時性和有效性是觸發系統性能評估的重要指標，要求在振動信號產生階躍突變的瞬間，實現觸發功能，控制內置繼電器觸點斷開，達到控制后置數據采集設備目的；同時該系統還能有效地避免外界干擾信號對觸發的影響，防止因誤觸發而導致試驗失敗。

3.1觸發系統延時測試在試驗前，需要對觸發延時性能進行評估。高速相機、應變儀、示波器本身的動作時間非常短，可以忽略，故測點V3、V4、V5的動作時刻可近似為繼電器KM觸點的。根據使用的繼電器的制造工藝參數可知，其動作時間在20ms以內。通過LabVIEW程序對測點V1、V2電位變化采集估算位移振幅測量儀從接收到信號到內置繼電器觸點動作的時間差。在延時性能測試時采用電壓信號來替代前置變換器的輸出信號，測點V1、V2的電位變化情況分別如圖5、6所示。從圖中可見，測點V1、振幅位移測量儀電平輸出端電壓和測點V2電壓值從高到低電位的突變時刻分別為第11.16和11.24s，振幅位移測量儀從接收振動信號突變到控制內置繼電器觸點動作延時為0.08s。對于數據采集設備，具有一定的緩沖數據存儲功能，可以保存在觸發發生前一定時間段的數據。在試驗中，為兼顧圖像清晰度與存儲容量的矛盾，高速相機采樣幀頻設置為10000，采用CENTRE觸發模式，緩沖數據保存時間為0.9s。試驗室應變采集采用EDX2000A動態數采儀，采集到撞擊瞬間機匣應變數據設置采樣頻率為200kHz，可以保存觸發前0.3s內的數據。示波器采用具有外觸發式多通道數字存儲示波器，其采樣率可以設置較高值。試驗中設采樣頻率為50MHz，觸發前數據保存時間為2s。通過分析得出，系統總的延時時間為振幅位移測量儀和繼電器延時時間之和約為0.1s，而數據采集設備緩沖數據存儲時間遠大于0.1s，故觸發系統可以較好地完成試驗。

3.2包容試驗分析在航空發動機機匣包容試驗中，合理設置參數是試驗順利完成的保障。低頻電子設備普遍存在受50Hz工頻干擾的現象，因此，位移振幅測量儀的延時時間要大于該值，試驗中延時時間設置為0.05s，以有效避免因工頻干擾而引起誤觸發。在試驗中，由于輪盤預置裂紋破壞了對其自身平衡性能，系統經過臨界轉速時的增速頭內高速柔性軸振幅約為0.300mm，葉輪爆裂高速柔性軸的振幅一般在0.600mm以上，為避免因高速旋轉軸經過臨界轉速時振幅增加引起誤觸發，將位移振幅測量儀預定報警值設定為0.500mm。高速相機拍攝到的葉片飛出時刻的照片如圖7所示。從圖中可見，下方開始有部分葉片輪盤飛出。示波器有效采集得到相差90°方向旋轉軸振動波形，輪盤爆裂后旋轉軸的振動數據也得到有效采集，旋轉軸的劇烈振動維持時間約為45.6ms，如圖8所示。

4總結

基于振動幅值的機匣包容試驗數據采集觸發系統有效地控制了高速相機、應變儀、示波器，較好地采集到葉輪飛斷時刻的數據，從而在切斷通電線圈不能應用的場合實現對數據采集設備及時準確地控制。

作者：曹繼來 洪偉榮 李穎 宣海軍 單位：浙江大學 化工過程機械研究所