高溫應(yīng)變測(cè)量技術(shù)

1、旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)檢測(cè)方法1 應(yīng)變片法將電阻應(yīng)變片牢固地粘貼在葉片應(yīng)力較大處，例如葉根附近位置，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變反映葉片振動(dòng)及應(yīng)力大小，從而確定葉片的壽命和可靠性。屬于接觸式測(cè)量，對(duì)應(yīng)變片安裝、信號(hào)線引出提出了特殊要求。只能同時(shí)監(jiān)測(cè)少數(shù)葉片，實(shí)際轉(zhuǎn)子中葉片數(shù)量極大，少則幾百片，多則上千片，為所有葉片都安裝應(yīng)變片難以實(shí)現(xiàn)。1.1 應(yīng)變片(Strain Gauge)1.2 滑環(huán)式引電器(Slip Ring)應(yīng)變片粘貼于葉片表面，從應(yīng)變片引出的導(dǎo)線沿著葉輪表面接入到一個(gè)專門的集流器/引電器裝置中。將采集到的信號(hào)經(jīng)集流裝置后，由電子放大器放大，送往記錄裝置做數(shù)據(jù)記錄和處理，其測(cè)量結(jié)果一般也作為其他方法測(cè)試結(jié)果精

2、度的比較標(biāo)準(zhǔn)。 局限性：同一個(gè)時(shí)間內(nèi)，被測(cè)量的葉片數(shù)有限，轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備復(fù)雜，也不能同時(shí)測(cè)量整級(jí)葉片的振動(dòng)情況。該方法準(zhǔn)備工作量大，傳感器，集流環(huán)的可靠性低，不適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量。 1.3 遙測(cè)技術(shù)將葉片的振動(dòng)信號(hào)利用應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻值，通過(guò)相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，將電阻變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，通過(guò)無(wú)線調(diào)制器，把電信號(hào)調(diào)制發(fā)射出來(lái)。我們?cè)谌~片附近安裝靜止的天線加以接收，送至調(diào)頻接收機(jī)放大和解調(diào)還原為應(yīng)變片頻率信號(hào)，并送至分析儀分析處理。1.4 對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)最難解決的是抗干擾問(wèn)題，原因是動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的工作片在工作環(huán)境下處于非屏蔽狀態(tài)，對(duì)各種干擾源比較敏感，因此設(shè)計(jì)應(yīng)變測(cè)量電路時(shí)必

3、須考慮解決抗干擾問(wèn)題。對(duì)稱恒定電流激勵(lì)技術(shù)使用一對(duì)匹配的電流源激勵(lì)應(yīng)變片，使用一個(gè)差分放大器測(cè)量應(yīng)變片電壓，如上圖所示。導(dǎo)線電阻對(duì)傳遞到應(yīng)變片上的激勵(lì)電流沒(méi)影響，任何溫度下不會(huì)降低應(yīng)變計(jì)靈敏度；信號(hào)調(diào)理器測(cè)量的是應(yīng)變信號(hào)，無(wú)需增加通道增益；信號(hào)調(diào)理器內(nèi)外連接完全對(duì)稱，信噪比改善約30dB。1.6 薄膜應(yīng)變計(jì)薄膜應(yīng)變計(jì)采用真空沉積或?yàn)R射的方法把敏感薄膜直接沉積到被測(cè)結(jié)構(gòu)件表面，不需要要粘貼膠固定，避免了粘貼膠在惡劣環(huán)境下失效對(duì)應(yīng)變測(cè)試的影響。與傳統(tǒng)絲式和箔式應(yīng)變計(jì)相比，薄膜應(yīng)變計(jì)厚度在微米量級(jí)，測(cè)試準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快、靈敏度高。選擇合適的敏感材料和制備工藝制備的薄膜應(yīng)變計(jì)，具有抗高溫、高壓、氣

4、流沖刷等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片在惡劣環(huán)境下應(yīng)變測(cè)試的要求，而且薄膜應(yīng)變計(jì)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、功能的一體化，不會(huì)影響渦輪葉片的力學(xué)性能和流體特性，所得測(cè)試數(shù)據(jù)精確度高且穩(wěn)定性好。在氮化硅渦輪葉片表面制備的PdCr薄膜應(yīng)變計(jì)TaN/PdCr多功能薄膜傳感器實(shí)物圖屬于接觸式測(cè)量方法，將光纖光柵粘貼在葉片表面，類似應(yīng)變片法，葉片應(yīng)力、應(yīng)變等物理量的變化引起光柵產(chǎn)生波長(zhǎng)位移，從而獲取相關(guān)信息。1.7 光纖光柵應(yīng)變計(jì)參考文獻(xiàn)1 呂文林，航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度計(jì)算，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1988：58-92.2 方志強(qiáng)，渦輪機(jī)葉片振動(dòng)非接觸檢測(cè)原理及應(yīng)用技術(shù)研究：博士學(xué)位論文，天津；天津大學(xué)，2007. 3 歐陽(yáng)

5、濤，基于葉尖定時(shí)的旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)檢測(cè)及參數(shù)辨識(shí)技術(shù)：博士學(xué)位論文，天津；天津大學(xué)，2011. 4 王仲博，張永寧，袁平等，660 毫米葉片振動(dòng)特性測(cè)試與分析，熱力發(fā)電，1994, 6: 36-405 沈鳳霞，對(duì)稱恒定電流激勵(lì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)的分析與應(yīng)用研究，航天器環(huán)境工程，2007, 24(6): 381-385 6 H. P. Grant, J. S. Przybyzewski, W. L. Anderson, et al. Thin Film Strain Gauge Development Program, NASA /CR, 1983-174707 7 J. D. Wrbanek, G.

6、 C. Fralick. Developing Multilayer Thin Film Strain Sensors With High Thermal Stability. NASA/TM, 2006-214389 2 頻率調(diào)制法根據(jù)電磁感應(yīng)原理利用調(diào)頻柵對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制的測(cè)量方法。局限性：1、在葉尖嵌入磁鋼，改變了葉片原有的振動(dòng)特性；2、為了同時(shí)測(cè)量多個(gè)葉片的振動(dòng)，要求安裝相同數(shù)目的線柵。參考文獻(xiàn)1 .薩勃洛斯基等著，吳士祥，鄭叔琛（譯），渦輪機(jī)葉片振動(dòng)的非接觸測(cè)量，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1986：5-29. 3 激光多普勒法由激光測(cè)速技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，其原理在于探測(cè)從振動(dòng)葉片表面散

7、射回來(lái)的反射光的多普勒頻移，從而得到葉片振動(dòng)參數(shù)。LDV：激光多普勒振動(dòng)計(jì) 局限性：1、光路安裝調(diào)試復(fù)雜，不適合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境；2、要求被測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高；3、葉片表面粗糙度引起斑點(diǎn)噪聲；4、軸系振動(dòng)影響激光對(duì)準(zhǔn)效果參考文獻(xiàn)1 Kulczyk W.K, Q.V. Davis, Laser Doppler instrument for measurement of vibration of moving turbine blade, Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1973, 120(9). 2 ?brahim Ata

8、SEVE, Experimental validation of turbo-machinery blade vibration predictions: Doctors Thesis, London; Department of Mechanical Engineering Imperial College London, 2004. 3 A.J. Oberholster, P.S. Heyns, Online condition monitoring of axial-flow turbo-machinery blades using rotor-axial Eulerian laser

9、Doppler vibrometry, Mechanical Systems and Signal Processing, 2009, 23: 1634-1643. 4 呂宏詩(shī)，劉彬，激光多普勒測(cè)振技術(shù)的最新進(jìn)展，激光技術(shù)，2005，29(2): 176-179. 4 聲響應(yīng)法通過(guò)安裝在汽缸內(nèi)部的聲信號(hào)傳感器捕獲葉片振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲信號(hào)，對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行分析處理，可得到葉片振動(dòng)信息。局限性：實(shí)際旋轉(zhuǎn)機(jī)械環(huán)境是一個(gè)具復(fù)雜的又具有寬頻率范圍的聲場(chǎng)，背景噪聲將對(duì)信號(hào)造成嚴(yán)重干擾。參考文獻(xiàn)1 Robert L.L, Keith T, Monitoring Systems for Steam Turbine

10、Blade Faults, Sound and Vibration, 1990. 2 韓敬宇，基于聲發(fā)射技術(shù)的風(fēng)電葉片裂紋無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究：碩士學(xué)位論文，北京；北京化工大學(xué)，2010. 3 楊海燕，劉啟洲，葉片裂紋故障的多普勒在線監(jiān)測(cè)技術(shù)仿真研究，航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，1999，14（1）：69-73. 5 葉尖定時(shí)法(Blade Tip-Timing)在葉片頂端的機(jī)匣上安裝葉尖定時(shí)傳感器，利用傳感器感受葉片的到來(lái)時(shí)間，由于葉片振動(dòng)，葉片的到來(lái)時(shí)間會(huì)超前或滯后，通過(guò)不同的葉尖定時(shí)處理算法對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行處理，即獲取出葉片振動(dòng)信息。5.1 光纖式葉尖定時(shí)傳感器將激光投射到葉片端面，通過(guò)感受葉尖反射回來(lái)的

11、光強(qiáng)信號(hào)變化來(lái)獲取葉片的到來(lái)時(shí)刻。普通石英光纖耐200300，美國(guó)Fiberguide公司推出的“金屬涂層 ”系列光纖大大提高了耐溫性能，其中鍍金光纖可耐 650，外加制冷系統(tǒng)或采用藍(lán)寶石光纖，可耐1000以上。5.1 光纖式葉尖定時(shí)傳感器主要研制和生產(chǎn)公司有美國(guó) HOOD 和 AGILIS 公司。該傳感器不能在有污染的條件下使用，需保持傳感器測(cè)頭端面清潔。5.2 電容式葉尖定時(shí)傳感器根據(jù)傳感器芯極與葉片端面間形成的電容變化獲取葉片的到來(lái)時(shí)刻。電容式葉尖定時(shí)傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖 電容傳感器測(cè)頭法國(guó) FOGLE 和THERMOCOAX 公司研制的電容傳感器耐溫高達(dá) 1400。國(guó)內(nèi)主要是中航工業(yè)集

12、團(tuán)和天津大學(xué)等在這方面展開(kāi)研究。局限性：其信噪比、響應(yīng)時(shí)間相比光纖式的要差一些；葉片工作環(huán)境的介質(zhì)可能影響芯極與葉端電容的大小，因此要求被測(cè)旋轉(zhuǎn)葉片環(huán)境介質(zhì)的介電常數(shù)基本穩(wěn)定。5.2 電容式葉尖定時(shí)傳感器5.3 電渦流式葉尖定時(shí)傳感器利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)導(dǎo)磁性金屬處于變化著的磁場(chǎng)中或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)磁性金屬體內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成電渦流。被動(dòng)式：由一個(gè)永磁體和一個(gè)線圈組成，如上圖 所示，葉片經(jīng)過(guò)傳感器端頭時(shí)，導(dǎo)致通過(guò)線圈的磁通量變化，產(chǎn)生電信號(hào)，從而反映葉片的到來(lái)時(shí)刻。主動(dòng)式：由一個(gè)或多個(gè)線圈組成，通過(guò)外界激勵(lì)對(duì)線圈產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，并通過(guò)線圈感受葉片到來(lái)時(shí)電渦流引起的電動(dòng)勢(shì)變化。信號(hào)大且

13、信噪比高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以不用外界電源，但要求被測(cè)葉片必須是導(dǎo)磁材料。英國(guó)的 QinetiQ、MONITRAN 公司、德國(guó)的MTU公司以及美國(guó)的 HOOD 公司都對(duì)電渦流式葉尖定時(shí)傳感器做了大量研究，并研制出產(chǎn)品如上圖所示產(chǎn)品。其中 HOOD 公司生產(chǎn)的普通電渦流傳感器耐溫 260，帶空冷裝置的電渦流傳感器能耐溫可到 1000以上。5.3 電渦流式葉尖定時(shí)傳感器參考文獻(xiàn)1 FOGALE Nanotech, Capacitive blade tip clearance & tip timing measurement system, . 2 THERMOCOAX, Capacitance

14、sensors for noncontact measurement, . 3 HOOD Technology, Overview of blade vibration monitoring capabilities, , 2010. 4 Craig Lawson, Paul C. Ivey, Turbomachinery blade vibration amplitude measurement through tip timing with capacitance tip clearance probes, Sensors and Actuators, 2005, A118: 14-24.

15、 5 Craig Lawson, Dr. Paul Ivey, Compressor Blade Tip Timing Using Capacitance Tip Clearance Probes, Proceedings of the ASME Turbo Expo, GT2003-38284: 1-8. 6 Michael Zielinski, Gerhard Ziller, Noncontact blade vibration measurement system for aero engine application, ISABE-2005-1220: 1-9. 7 Michael Z

16、ielinski, Gerhard Ziller, Noncontact vibration measurements on compressor rotor blades, Measurement Science & Technology, 2000, 11(7): 847856. 8 M. Gloger, M. Jung, H. Termuehlen, H. Wolf, Blade Vibration System for Power Plant Operation, IJPG Conference, Minneapolis, 1995,9-11. 9 Kam Chana, Don

17、ald Lyon, Turbo-Machinery Tip-Timing Comes of Age, Maintenance & Asset Management, 2009, 24(1): 34-40. 10 比爾伯切爾，發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖計(jì)時(shí)技術(shù)新突破，國(guó)際航空雜志，2007，3：48-49. 11 王宇華，葉聲華，段發(fā)階等，基于光纖技術(shù)的葉尖定時(shí)傳感器，天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，35(5): 605-610. 12 王宇華，段發(fā)階，葉聲華等，旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量新的技術(shù)方案研究，儀表技術(shù)與傳感器，2002，(2): 44-46. 13 馮軍楠，段發(fā)階，葉德超等，一種耐高溫光纖式葉尖定時(shí)傳感器及

18、驗(yàn)證裝置，納米技術(shù)與精密工程，2016, 14(3): 167-172.14 顧慶昌，程禮友，張萬(wàn)成耐高溫金屬衣層光纖及其熱應(yīng)力分析電子工藝技術(shù)，2010，31(5): 290-292, 309.6 散斑干涉法在激光照射漫射體產(chǎn)生的散斑場(chǎng)中，引入另一相干光束，或者另一不同的散斑場(chǎng)與之干涉，就會(huì)產(chǎn)生新的散斑場(chǎng)。當(dāng)漫射表面產(chǎn)生位移、形變、振動(dòng)時(shí)，干涉散斑圖樣隨之變化，根據(jù)這一原理可測(cè)定物體變化的情況。 散斑和參考波干涉：采用右圖所示的邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)散斑干涉。具體過(guò)程：一個(gè)反射鏡用被測(cè)的漫射物體A代替，它受激光照射產(chǎn)生散斑場(chǎng)。另一反射鏡保留，它的反射光作為參考波，在與散斑場(chǎng)重疊的區(qū)域相干涉

19、，產(chǎn)生新的散斑場(chǎng)。可變光闌D可用來(lái)調(diào)整散斑的大小。在像平面用底片H記錄結(jié)果，或直接目視觀察。 6 散斑干涉法I是變形前拍的一幅圖，I是變形后拍的圖片，Id為兩幅圖相減得到的圖片。每個(gè)條紋對(duì)應(yīng)著一個(gè)波長(zhǎng)的變化量，通過(guò)數(shù)條紋級(jí)數(shù)大體上得到物體的變形量。起源和發(fā)展1966年 Bruch和Ennos在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)散斑具有可測(cè)的強(qiáng)度和確定的相位從而為散斑的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)1969年 Leendertz提出散斑相關(guān)干涉計(jì)量術(shù)(SPCI)和剪切散斑干涉術(shù)(SSI)1971年 Butters和Leendertz應(yīng)用光電子器件(攝像機(jī))代替全息干板記錄散斑場(chǎng)光強(qiáng)信息，從而在監(jiān)視器上能觀察到散斑干涉條紋，這種方法稱為

20、電子散斑干涉法1976年 Lokberg等把全息干涉術(shù)中的參考光位相調(diào)制技術(shù)引入電子散斑，使之能測(cè)量振動(dòng)的位相分布1978年 Jones等利用雙波長(zhǎng)電子散斑干涉法測(cè)量了物體的輪廓 進(jìn)入八十年代，出現(xiàn)了集成化的電子存儲(chǔ)模塊，催生了數(shù)字電子散斑干涉術(shù)(DSPI) 1985年 Hung提出提出了電子錯(cuò)位術(shù)的概念1989年 天津大學(xué)首次研制成功了電子錯(cuò)位散斑(或稱電子剪切散斑)干涉系統(tǒng)(ESS)，隨后又開(kāi)發(fā)了DSSPI系統(tǒng)1992年 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)將半導(dǎo)體激光器成功地應(yīng)用于電子散斑干涉中，并由可切換的雙頻光柵實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)位1993年 西安交大研制了光纖電子散斑技術(shù)干涉系統(tǒng)典型產(chǎn)品1980年英國(guó)Vimen

21、公司首次推出一種電子散斑干涉儀1988年美國(guó)激光技術(shù)公司首次推出電子錯(cuò)位散斑干涉儀ES-910001990年美國(guó)Newpon公司推出HC-4000型的ESPI干涉儀1992年瑞士Vibro-meter公司推出了RETRAIN型電子散斑干涉儀1992年美國(guó)激光技術(shù)公司又推出了新型的電子散斑錯(cuò)位系統(tǒng)ES-9200, ES9400, ES9120, ES9600及SC-4000便攜式電子錯(cuò)位散斑千涉儀6 散斑干涉法6 散斑干涉法德國(guó)Dantec Dynamics公司的3D-ESPI System Q-300具有直觀性、全場(chǎng)性和精確性等優(yōu)點(diǎn)，可測(cè)到極微小的振幅，頻率范圍沒(méi)有限制，一次全息照相可得到整個(gè)葉片表面的振幅分布。局限性：1、僅適合于試驗(yàn)室進(jìn)行；2、需要用其他方法測(cè)得葉片的固有頻率；3、葉片振幅不宜太大，否則條紋過(guò)密而分辨不清；4、不能提供葉片振動(dòng)相位信息等。美國(guó)Laser Technology Inc.的Typical shearography camera systems參考文獻(xiàn)1 華東電力試驗(yàn)研究所，江蘇電力試驗(yàn)研究所，南京工學(xué)院，汽輪機(jī)葉片的振動(dòng)特性和調(diào)整，北京：電力工業(yè)出版社，1981. 2 J. P. Sikora, F. T. Men