高温应变测量技术

旋转叶片振动检测方法1应变片法将电阻应变片牢固地粘贴在叶片应力较大处，例如叶根附近位置，通过测量应变反映叶片振动及应力大小，从而确定叶片的寿命和可靠性。属于接触式测量，对应变片安装、信号线引出提出了特殊要求。只能同时监测少数叶片，实际转子中叶片数量极大，少则几百片，多则上千片，为所有叶片都安装应变片难以实现。1.1应变片(StrainGauge)1.2滑环式引电器(SlipRing)应变片粘贴于叶片表面，从应变片引出的导线沿着叶轮表面接入到一个专门的集流器/引电器装置中。将采集到的信号经集流装置后，由电子放大器放大，送往记录装置做数据记录和处理，其测量结果一般也作为其他方法测试结果精度的比较标准。

局限性：同一个时间内，被测量的叶片数有限，转子实验准备复杂，也不能同时测量整级叶片的振动情况。该方法准备工作量大，传感器，集流环的可靠性低，不适应现场的实际测量。1.3遥测技术将叶片的振动信号利用应变片转换成相应的电阻值，通过相应的硬件系统，将电阻变化转换成电信号的变化，通过无线调制器，把电信号调制发射出来。我们在叶片附近安装静止的天线加以接收，送至调频接收机放大和解调还原为应变片频率信号，并送至分析仪分析处理。1.4对称恒流激励技术动态应变测量技术最难解决的是抗干扰问题，原因是动态应变测量的工作片在工作环境下处于非屏蔽状态，对各种干扰源比较敏感，因此设计应变测量电路时必须考虑解决抗干扰问题。对称恒定电流激励技术使用一对匹配的电流源激励应变片，使用一个差分放大器测量应变片电压，如上图所示。导线电阻对传递到应变片上的激励电流没影响，任何温度下不会降低应变计灵敏度；信号调理器测量的是应变信号，无需增加通道增益；信号调理器内外连接完全对称，信噪比改善约30dB。1.6薄膜应变计薄膜应变计采用真空沉积或溅射的方法把敏感薄膜直接沉积到被测结构件表面，不需要要粘贴胶固定，避免了粘贴胶在恶劣环境下失效对应变测试的影响。与传统丝式和箔式应变计相比，薄膜应变计厚度在微米量级，测试准确度高、响应速度快、灵敏度高。选择合适的敏感材料和制备工艺制备的薄膜应变计，具有抗高温、高压、气流冲刷等优点，可以满足航空发动机涡轮叶片在恶劣环境下应变测试的要求，而且薄膜应变计实现了结构、功能的一体化，不会影响涡轮叶片的力学性能和流体特性，所得测试数据精确度高且稳定性好。在氮化硅涡轮叶片表面制备的PdCr薄膜应变计TaN/PdCr多功能薄膜传感器实物图属于接触式测量方法，将光纤光栅粘贴在叶片表面，类似应变片法，叶片应力、应变等物理量的变化引起光栅产生波长位移，从而获取相关信息。1.7光纤光栅应变计参考文献[1]吕文林，航空发动机强度计算，北京：国防工业出版社，1988：58-92.[2]方志强，涡轮机叶片振动非接触检测原理及应用技术研究：[博士学位论文]，天津；天津大学，2007.

[3]欧阳涛，基于叶尖定时的旋转叶片振动检测及参数辨识技术：[博士学位论文]，天津；天津大学，2011.[4]王仲博，张永宁，袁平等，660毫米叶片振动特性测试与分析，热力发电，1994,6:36-40[5]沈凤霞，对称恒定电流激励动态应变测量技术的分析与应用研究，航天器环境工程，2007,

24(6):381-385[6]H.P.Grant,J.S.Przybyzewski,W.L.Anderson,etal.ThinFilmStrainGaugeDevelopmentProgram,NASA/CR,1983-174707[7]J.D.Wrbanek,G.C.Fralick.DevelopingMultilayerThinFilmStrainSensorsWithHighThermalStability.NASA/TM,2006-2143892频率调制法根据电磁感应原理利用调频栅对振动信号进行频率调制的测量方法。局限性：1、在叶尖嵌入磁钢，改变了叶片原有的振动特性；2、为了同时测量多个叶片的振动，要求安装相同数目的线栅。参考文献[1]И.Ｅ.萨勃洛斯基等著，吴士祥，郑叔琛（译），涡轮机叶片振动的非接触测量，北京：国防工业出版社，1986：5-29.3激光多普勒法由激光测速技术发展而来的，其原理在于探测从振动叶片表面散射回来的反射光的多普勒频移，从而得到叶片振动参数。LDV：激光多普勒振动计局限性：1、光路安装调试复杂，不适合现场环境；2、要求被测转子转速不宜过高；3、叶片表面粗糙度引起斑点噪声；4、轴系振动影响激光对准效果参考文献[1]KulczykW.K,Q.V.Davis,LaserDopplerinstrumentformeasurementofvibrationofmovingturbineblade,ProceedingsoftheInstitutionofElectricalEngineers,1973,120(9).[2]İbrahimAtaSEVE,Experimentalvalidationofturbo-machinerybladevibrationpredictions:[Doctor’sThesis],London;DepartmentofMechanicalEngineeringImperialCollegeLondon,2004.[3]A.J.Oberholster,P.S.Heyns,Onlineconditionmonitoringofaxial-flowturbo-machinerybladesusingrotor-axialEulerianlaserDopplervibrometry,MechanicalSystemsandSignalProcessing,2009,23:1634-1643.[4]吕宏诗，刘彬，激光多普勒测振技术的最新进展，激光技术，2005，29(2):176-179.4声响应法通过安装在汽缸内部的声信号传感器捕获叶片振动时发出的声信号，对声信号进行分析处理，可得到叶片振动信息。局限性：实际旋转机械环境是一个具复杂的又具有宽频率范围的声场，背景噪声将对信号造成严重干扰。参考文献[1]RobertL.L,KeithT,MonitoringSystemsforSteamTurbineBladeFaults,SoundandVibration,1990.[2]韩敬宇，基于声发射技术的风电叶片裂纹无线监测系统研究：[硕士学位论文]，北京；北京化工大学，2010.[3]杨海燕，刘启洲，叶片裂纹故障的多普勒在线监测技术仿真研究，航空动力学报，1999，14（1）：69-73.5叶尖定时法(BladeTip-Timing)在叶片顶端的机匣上安装叶尖定时传感器，利用传感器感受叶片的到来时间，由于叶片振动，叶片的到来时间会超前或滞后，通过不同的叶尖定时处理算法对该时间序列进行处理，即获取出叶片振动信息。

5.1光纤式叶尖定时传感器将激光投射到叶片端面，通过感受叶尖反射回来的光强信号变化来获取叶片的到来时刻。普通石英光纤耐200~300℃，美国Fiberguide公司推出的“金属涂层”系列光纤大大提高了耐温性能，其中镀金光纤可耐650℃，外加制冷系统或采用蓝宝石光纤，可耐1000℃以上。5.1光纤式叶尖定时传感器主要研制和生产公司有美国HOOD和AGILIS公司。该传感器不能在有污染的条件下使用，需保持传感器测头端面清洁。5.2电容式叶尖定时传感器根据传感器芯极与叶片端面间形成的电容变化获取叶片的到来时刻。电