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1觸發(fā)系統(tǒng)

基于振動幅值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)[8]（如圖1所示）主要包括振動信號采集系統(tǒng)、觸發(fā)控制系統(tǒng)、觸發(fā)電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、觸發(fā)延時測試系統(tǒng)等，其中觸發(fā)控制系統(tǒng)為基于振動幅值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)的核心部分；振動信號采集系統(tǒng)實現(xiàn)對高速旋轉(zhuǎn)軸振動信號的采集，提供可靠的觸發(fā)信號源；觸發(fā)電路實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時控制，采集葉輪破裂時刻相關(guān)數(shù)據(jù)信息；觸發(fā)延時測試系統(tǒng)主要用于對系統(tǒng)觸發(fā)延時性能的評估，通過對整個系統(tǒng)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(fā)系統(tǒng)工作原理

2.1振動信號采集系統(tǒng)振動信號采集系統(tǒng)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(chǎn)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(qū)動負載，高頻載波信號經(jīng)檢波濾波得到直流信號，最后得到的直流信號作為觸發(fā)信號源送到位移振幅測量儀。

2.2觸發(fā)信號控制系統(tǒng)及觸發(fā)電路觸發(fā)控制系統(tǒng)及觸發(fā)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(wěn)壓電源等。直流放大器包括運算放大器IC1和IC2構(gòu)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(jīng)過直流放大器的信號放大處理，產(chǎn)生與位移量相關(guān)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(jīng)過交流放大器進一步放大，產(chǎn)生與振幅量相關(guān)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(huán)放大器和積分器，當振幅值超過設定值時，開環(huán)放大器反轉(zhuǎn)，積分電路積分延時達到設定時間后，驅(qū)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(fā)出報警訊號同時控制內(nèi)置的繼電器開關(guān)動作，實現(xiàn)觸發(fā)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(fā)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(fā)報警電路實現(xiàn)，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(fā)報警電路。合理地設置t，使觸發(fā)達到快速響應，同時又有效地避免外界短暫的干擾。觸發(fā)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(fā)控制系統(tǒng)的的核心，對觸發(fā)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(fā)電路原理如圖4所示。

2.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設備采用美國NI公司生產(chǎn)的USB-6009數(shù)據(jù)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(zhuǎn)軸的振動信號，合理地進行采集電路的連接即可完成數(shù)據(jù)采集任務。

2.4觸發(fā)延時測試系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，由外界振動信號引起的觸發(fā)具有一定的時序性。觸發(fā)延時測試系統(tǒng)主要用于評估電路延時性能，通過LabVIEW程序?qū)﹄娐分胁煌碾娢蛔兓M行采集，由于不同元件采集得到的數(shù)據(jù)具有相同的時間基準，利用采集得到的電位數(shù)據(jù)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(tǒng)的觸發(fā)延時性能評估的目的。在系統(tǒng)工作時，外界振動信號要主要經(jīng)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(guān)等，最終控制相應的數(shù)采設備工作。依據(jù)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(zhuǎn)軸的振動情況，得到觸發(fā)信號源滿足觸發(fā)條件的時刻值。電阻R1、R2為2個串聯(lián)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(shù)據(jù)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(jié)果

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

3.1觸發(fā)系統(tǒng)延時測試在試驗前，需要對觸發(fā)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(jù)使用的繼電器的制造工藝參數(shù)可知，其動作時間在20ms以內(nèi)。通過LabVIEW程序?qū)y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(nèi)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(nèi)置繼電器觸點動作延時為0.08s。對于數(shù)據(jù)采集設備，具有一定的緩沖數(shù)據(jù)存儲功能，可以保存在觸發(fā)發(fā)生前一定時間段的數(shù)據(jù)。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(fā)模式，緩沖數(shù)據(jù)保存時間為0.9s。試驗室應變采集采用EDX2000A動態(tài)數(shù)采儀，采集到撞擊瞬間機匣應變數(shù)據(jù)設置采樣頻率為200kHz，可以保存觸發(fā)前0.3s內(nèi)的數(shù)據(jù)。示波器采用具有外觸發(fā)式多通道數(shù)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(fā)前數(shù)據(jù)保存時間為2s。通過分析得出，系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集設備緩沖數(shù)據(jù)存儲時間遠大于0.1s，故觸發(fā)系統(tǒng)可以較好地完成試驗。

3.2包容試驗分析在航空發(fā)動機機匣包容試驗中，合理設置參數(shù)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(xiàn)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(fā)。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(tǒng)經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時的增速頭內(nèi)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(zhuǎn)軸經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時振幅增加引起誤觸發(fā)，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(zhuǎn)軸振動波形，輪盤爆裂后旋轉(zhuǎn)軸的振動數(shù)據(jù)也得到有效采集，旋轉(zhuǎn)軸的劇烈振動維持時間約為45.6ms，如圖8所示。

4總結(jié)

基于振動幅值的機匣包容試驗數(shù)據(jù)采集觸發(fā)系統(tǒng)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(shù)據(jù)，從而在切斷通電線圈不能應用的場合實現(xiàn)對數(shù)據(jù)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