一种基于FFT的发动机叶尖间隙检测方法

摘要

本发明公开了一种基于FFT的发动机叶尖间隙检测方法，检测装置包括发动机叶片、电容传感器和调制解调器，所述检测方法包括如下步骤：S1、所述电容传感器通过如下公式确定第i个发动机叶片电容值；S2、所述调制解调器将S1中电容C按照如下公式转为为电压V的变化；S3、对第i个叶尖间隙脉冲信号fi(t)按照如下FFT傅里叶数学模型获得第i个叶片的叶尖间隙值L0‑Ri；S4、对发动机振动所引起的振动脉冲干扰信号进行判断步骤；本发明能够准确测量叶尖间隙和自动识别振动脉冲干扰信号的，并对传感器输出失效进行准确判断的基于FFT的发动机叶尖间隙检测方法及装置。

权利要求

1.一种基于FFT的发动机叶尖间隙检测方法，检测装置包括发动机叶片、电容传感器和调制解调器，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：S1、所述电容传感器通过如下公式确定第i个发动机叶片电容值；

S2、所述调制解调器将S1中电容C按照如下公式转为为电压V的变化

S3、对第i个叶尖间隙脉冲信号fi(t)按照如下FFT傅里叶数学模型获得第i个叶片的叶尖间隙值L0-Ri；

S4、对发动机振动所引起的振动脉冲干扰信号进行判断步骤：

4.1、发动机振动频率较高，发动机的振动会导致上述S1步骤过程中调制解调模块的输出V(t)异常，从而导致t2i和t2i+1计算错误，进而使第i个叶尖间隙脉冲信号fi(t)变化为一个振动脉冲干扰信号，该振动脉冲可以抽象为一个幅值或正或负的三角脉冲，设振动脉冲干扰信号的表达式为p(t)则振动脉冲干扰信号p(t)经过FFT后的结果为

4.2、结合4.1步骤的结果可知，第i个发动机叶片的叶 尖间隙脉冲信号fi(t)的三次谐波幅值为Fi (3ω0)＝0 ，而振动脉冲干扰信号p(t)的三次谐波幅值为显然P(3ω0)≠Fi(3ω0)；

4.3、通过判断第i个叶尖间隙脉冲信号fi(t)FFT结果中Fi(3ω0)是否为零，即可判断当前第i个叶尖间隙脉冲信号fi(t)是否变化为振动脉冲干扰信号，判断t2i和t2i+1是否计算错误。

2.根据权利要求1所述的一种基于FFT的发动机叶尖间隙检测方法，其特征在于，判断电容传感器失效时，即使叶片经过电容传感器,电容传感器的电容值C也不会发生改变，调制解调模块的电压输出V也不会发生改变，进而导致某一个发动机叶片的叶尖间隙值丢失；针对电容传感器的失效，判断步骤如下：

2.1、在电容传感器没有失效的情况下，对第i个和i+1个叶尖间隙脉冲信号fi和fi+1来说，两者间隔时间记为T

2.2、根据2.1步骤中的描述，发动机共有M个叶片，则

2.3、当电容传感器失效时，fi和fi+1之间的间隔时间T会变大，导致根据计算出的t2i、t2i+1、t2i+3和t2i+4，以及fi经过FFT的计算结果Fi(ω)可以求出T和ω0，进而通过判断等式 是否成立即可判断是否存在电容传感器信号失效；若等式成立，则电容传感器没有失效；若等式不成立，则电容传感器失效；

2.4、若电容传感器失效，假设因失效导致第i+1个发动机叶片的叶尖间隙L0-Ri+1无法计算，则认为第i个发动机叶片的叶尖间隙L0-Ri与第i+1个发动机叶片的叶尖间隙L0-Ri+1相等，用第i个发动机叶片的叶尖间隙L0-Ri代替第i+1个发动机叶片的叶尖间隙L0-Ri+1，即L0-Ri+1＝L0-Ri。

说明书

一种基于FFT的发动机叶尖间隙检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于发动机叶尖间隙检测领域，特别是一种基于FFT(快速傅里叶变换)的发动机叶尖间隙检测方法。

背景技术

[0002] 发动机转子叶片径向间隙控制是改善发动机气动性能、提高发动机效率的非常重要的环节。根据相关资料统计：叶尖间隙每增加叶片长度的1％，发动机效率约降低1.5％，而发动机效率每降低1％，耗油率约增加2％。因此发动机叶尖间隙的控制十分重要。近年来，为了测量发动机叶尖间隙，国内外开发了多种测量方法，发动机转速快、叶片多的特点使得发动机叶尖间隙检测的计算量较大；同时由于发动机运转过程中存在激烈的振动，因此传感器输出信号中常常存在着大量的振动脉冲，对测量结果产生干扰；此外，发动机振动会导致传感器失效，进而造成传感器输出信号丢失某个叶尖间隙脉冲，直接导致测量结果错误；传统叶尖间隙检测方法没有有效针对叶尖间隙测量过程中的振动干扰且计算量较大，因此一种能够抗干扰、计算量小的叶尖间隙检测方法及装置是十分重要的。

发明内容

[0003] 本发明的目的是克服现有技术计算量较大，且未能有效抵抗叶尖间隙检测过程中振动干扰的缺点，提供一种利用电容传感器的，计算量小的，能够准确测量叶尖间隙和自动识别振动脉冲干扰信号的，并对传感器输出失效进行准确判断的基于FFT的发动机叶尖间隙检测方法及装置。

[0004] 本发明的主要目的是利用电容传感器结合FFT实现对发动机叶片叶尖间隙的精确检测，主要分三个方面：(1)快速准确地测量出发动机叶尖间隙；(2)识别由于发动机振动所引起的振动脉冲，并去除振动脉冲的干扰；(3)判断传感器是否失效，并去除失效号所引起的错误结果；

[0005] 第一步，针对发动机叶片的叶尖间隙值，其测量过程如下：

[0006] 当叶片经过电容传感器区域时，叶片上表面与电容传感器下表面之间形成一个电容，其电容值大小C为

[0007]

[0008] 其中d表示叶片上表面到电容传感器下表面之间的距离，ε表示电极间介质的相对介电常数，ε0表示真空中的介电常数，A表示电极面积。

[0009] 进一步地，电容C与叶片上表面到电容传感器上表面之间的距离d之间的关系可以简化为C＝Kc/d，式中Kc＝εε0A为常数；

[0010] 进一步地，随着发动机叶片的旋转，距离d是不断改变的，设发动机共有M个叶片，发动机旋转角速度为ω，转速为rot，转速单位为圈/分钟；

[0011] 进一步地，当第i个叶片经过电容传感器时，距离距离d可以写作

[0012] d＝L0-Ri cosωt

[0013]

[0014] 其中L0为电容传感器下表面到发动机转子轴心的距离，Ri为第i个发动机叶片2上表面到发动机转子轴心的距离，此时有

[0015]

[0016] 进一步地，当叶片未经过电容传感器时，叶片上表面与电容下表面之间没有重合面积，因此电极面积A为0，此时有

[0017] C＝0

[0018] 进一步地，设第i个叶片经过电容传感器的时间段为[t2i,t2i+1]，第i个叶片的叶片半径为Ri，则电容值C与时间t之间的函数表达式为

[0019]

[0020] 进一步地，调制解调模块将电容C的变化转为为电压V的变化

[0021]

[0022] 其中Vn是发动机运行过程中调制解调模块存在的电压噪声、电压偏置、温度漂移等干扰误差的总和；

[0023] 进一步地，在进行叶尖间隙检测之前，先对传感器和调制解调模块进行标定，进而可以得到K的值；

[0024] 进一步地，第i个叶片的叶尖间隙值指的是叶片到发动机轮毂的径向距离，即L0-Ri，由于调制解调模块的误差总和与发动机运行环境有关，是难以标定的，因此无法用上述调制解调模块输出电压的V的最大值返求出叶尖间隙值；

[0025] 进一步地，为了解决上述问题，记fi(t)为

[0026]

[0027] Bi＝min(V(t))

[0028]

[0029] 进一步地，为了能够得到fi(t)还需要知道t2i和t2i+1的值，进一步地设上阈值Δup和下阈值Δdown，且Δup＞Δdown＞nV，上阈值Δup和下阈值Δdown在进行叶尖间隙检测前根据发动机的具体参数计算出，在此可视为已知量；

[0030] 进一步地，设集合tup满足条件

[0031] V(tup)＝Δup

[0032] V'(tup)＞0

[0033] 集合tdown满足条件

[0034] V(tdown)＝Δdown

[0035] V'(tdown)＜0

[0036] 进一步地，将集合tup和tdown中的元素按照大小排序，进而得到t2i和t2i+1的值[0037] tup＝{tup,1,tup,2L tup,i}＝{t2,t4L t2i},tup,1＜tup,2＜L＜tup,i[0038] tdown＝{tdown,1,tdown,2L tdown,i}＝{t3,t5L t2i+1},tdown,1＜tdown,2＜L＜tdown,i[0039] 进一步地，对fi(t)做FFT可得

[0040] Fi(ω)＝FFT(fi(t))

[0041] 进一步地，由上述可知fi(t)是一个近似半波整流后的正弦信号，因此fi(t)可被写作

[0042]

[0043] 进一步地可知

[0044]

[0045] 进一步地，ω0是和转速rot有关的值，是一个未知量，通过寻找Fi(ω)中除直流分量外的最大值所对应的频率分量即可确定ω0的值，即

[0046] ω0＝Fi-1(max(Fi(ω))),ω≠0

[0047] rot＝30ω0/π

[0048] 进一步地，第i个叶片的叶尖间隙值L0-Ri可写作

[0049]

[0050] 进一步地，通过上述步骤，本发明利用FFT求出了第i个叶片的叶尖间隙值L0-Ri；

[0051] 第二步，针对发动机振动所引起的振动脉冲，本发明的判别过程如下：

[0052] 发动机振动频率较高，发动机的振动会导致上述第一步过程中调制解调模块的输出V(t) 异常，从而导致t2i和t2i+1计算错误，进而使fi(t)变化为一个振动脉冲，该振动脉冲可以抽象为一个幅值或正或负的三角脉冲，设振动脉冲表达式为p(t)

[0053]

[0054] 则p(t)经过FFT后的结果为

[0055]

[0056] 进一步地，结合第一步的结果可知，第i个叶片的fi(t)的三次谐波幅值为Fi(3ω0)＝0，而振动脉冲p(t)的三次谐波幅值为 显然P(3ω0)≠Fi(3ω0)；

[0057] 进一步地，通过判断fi(t)经过FFT后的结果中Fi(3ω0)是否为零，即可判断当前fi(t)是否为振动脉冲，判断t2i和t2i+1是否计算错误；

[0058] 第三步，针对传感器的失效，本发明的判断过程如下：

[0059] 当传感器失效时，即使叶片经过电容传感器，电容传感器的电容值C也不会发生改变，调制解调模块的输出V也不会发生改变，进而导致某一个叶片的叶尖间隙值丢失；

[0060] 进一步地，在传感器没有失效的情况下，对上述fi和fi+1来说，两者间隔时间记为T[0061]

[0062] 进一步地，根据第一步中的描述，发动机共有M个叶片，则

[0063]

[0064]

[0065] 进一步地，当传感器失效时，fi和fi+1之间的间隔时间T会变大，导致[0066]

[0067] 进一步地，根据第一步中计算出的t2i、t2i+1、t2i+3和t2i+4，以及fi经过FFT的计算结果Fi(ω) 可以求出T和ω0，进而通过判断等式 是否成立即可判断是否存在传感器信号失效；若等式成立，则传感器没有失效；若等式不成立，则传感器失效；

[0068] 进一步地，若传感器失效，假设因失效导致第i+1个叶片的叶尖间隙L0-Ri+1无法计算，则认为第i个叶片的叶尖间隙L0-Ri与第i+1个叶片的叶尖间隙L0-Ri+1相等，用第i个叶片的叶尖间隙L0-Ri代替第i+1个叶片的叶尖间隙L0-Ri+1，即L0-Ri+1＝L0-Ri；

[0069] 进一步地，上述第一、二、三步的计算方法均可利用FPGA、ARM、DSP等硬件平台实现，进而搭建基于FFT的发动机叶尖间隙检测装置。

[0070] 本发明具有下述优点：

[0071] 有益效果

[0072] (1)本发明提出了一种基于FFT算法的叶尖间隙信号检测方法，且本发明所提出的方法仅需要一次FFT即可计算出发动机的转速、叶片叶尖间隙的结果，同时根据FFT的结果还能够有去除别脉冲干扰和传感器失效给计算结果带来的干扰，因此本发明所提出的本方法计算量较小、计算效率高，具有较强的抗噪声和抗干扰能力；

[0073] (2)本发明针对利用电容传感器进行叶尖间隙检测过程的特点，提出了一种基于FFT的叶尖间隙值的计算方法；

[0074] (3)本发明针对利用电容传感器进行叶尖间隙检测过程的特点，提出了一种基于FFT的发动机转速计算方法；

[0075] (4)本发明针对利用电容传感器进行叶尖间隙检测过程的特点，提出了一种基于FFT的振动脉冲干扰去除方法；

[0076] (5)本发明针对利用电容传感器进行叶尖间隙检测过程的特点，提出了一种基于FFT的判别叶尖间隙传感器失效并对失效错误进行补偿的方法。

附图说明

[0077] 图1示出基于DFT的叶尖间隙检测方法及装置的原理图。

[0078] 图1中：1为电容传感器；2为发动机叶片；3为调制解调模块；4为电容传感器输出信号；5为叶尖间隙脉冲信号；6为振动脉冲干扰信号；7为叶尖间隙脉冲信号DFT结果；8为冲击干扰信号DFT结果。

具体实施方式

[0079] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

[0080] 本发明的主要目的是利用电容传感器1结合FFT算法实现对发动机叶片2叶尖间隙的精确检测，主要分三个方面：(1)快速准确地测量出发动机叶尖间隙；(2)识别由于发动机振动所引起的振动脉冲干扰信号6，并去除振动脉冲的干扰；(3)判断电容传感器1是否失效，并去除失效号所引起的错误结果；

[0081] 第一步，针对发动机叶片的叶尖间隙值，其测量过程如下：

[0082] 假设发动机共有M个叶片，当第i个发动机叶片2经过电容传感器区域时，叶片上表面与电容传感器1下表面之间形成一个电容，其电容值大小C为

[0083]

[0084] 其中d表示第i个发动机叶片2上表面到电容传感器1下表面之间的距离，ε表示电极间介质的相对介电常数，ε0表示真空中的介电常数，A表示电极面积。

[0085] 进一步地，电容C与第i个发动机叶片2上表面到电容传感器1上表面之间的距离d之间的关系可以简化为C＝Kc/d，式中Kc＝εε0A为常数；

[0086] 进一步地，随着发动机叶片的旋转，距离d是不断改变的，设发动机旋转角速度为ω，转速为rot，转速单位为圈/分钟；

[0087] 进一步地，当第i个发动机叶片2经过电容传感器1时，距离d可以写作[0088] d＝L0-Ri cosωt

[0089]

[0090] 其中L0为电容传感器1下表面到发动机转子轴心的距离，Ri为第i个发动机叶片2上表面到发动机转子轴心的距离，此时有

[0091]

[0092] 进一步地，当发动机叶片2未经过电容传感器时，发动机叶片2上表面与电容传感器1 下表面之间没有重合面积，因此电极面积A为0，此时有

[0093] C＝0

[0094] 进一步地，设第i个发动机叶片2经过电容传感器1的时间段为[t2i,t2i+1]，第i个发动机叶片2的叶片半径为Ri，则电容值C与时间t之间的函数表达式为

[0095]

[0096] 进一步地，调制解调模块4将电容C的变化转为为电压V的变化

[0097]

[0098] 其中Vn是发动机运行过程中调制解调模块4存在的电压噪声、电压偏置、温度漂移等干扰误差的总和；

[0099] 进一步地，在进行叶尖间隙检测之前，先对电容传感器1和调制解调模块4进行标定，进而可以得到K的值；

[0100] 进一步地，第i个发动机叶片2的叶尖间隙值指的是发动机叶片2到发动机轮毂的径向距离，即L0-Ri，由于调制解调模块4的误差总Vn和与发动机运行环境有关，是难以标定的，因此无法用上述调制解调模块4输出电压的V的最大值返求出叶尖间隙值L0-Ri；

[0101] 进一步地，为了解决上述问题，记第i个叶尖间隙脉冲信号5为fi(t)

[0102]

[0103] Bi＝min(V(t))

[0104]

[0105] 进一步地，为了能够得到第i个叶尖间隙脉冲信号5fi(t)还需要知道t2i和t2i+1的值，进一步地设上阈值Δup和下阈值Δdown，且Δup＞Δdown＞Vn，上阈值Δup和下阈值Δdown在进行叶尖间隙检测前根据发动机的具体参数计算出，在此可视为已知量；

[0106] 进一步地，设集合tup满足条件

[0107] V(tup)＝Δup

[0108] V'(tup)＞0

[0109] 集合tdown满足条件

[0110] V(tdown)＝Δdown

[0111] V'(tdown)＜0

[0112] 进一步地，将集合tup和tdown中的元素按照大小排序，进而得到t2i和t2i+1的值[0113] tup＝{tup,1,tup,2L tup,i}＝{t2,t4L t2i},tup,1＜tup,2＜L＜tup,i[0114] tdown＝{tdown,1,tdown,2L tdown,i}＝{t3,t5L t2i+1},tdown,1＜tdown,2＜L＜tdown,i[0115] 进一步地，对第i个叶尖间隙脉冲信号5fi(t)做FFT可得

[0116] Fi(ω)＝FFT(fi(t))

[0117] 进一步地，由上述可知第i个叶尖间隙脉冲信号5fi(t)是一个近似半波整流后的正弦信号，因此fi(t)可被写作

[0118]

[0119] 进一步地可知

[0120]

[0121] 进一步地，ω0是和转速rot有关的值，是一个未知量，通过寻找Fi(ω)中除直流分量外的最大值所对应的频率分量即可确定ω0的值，即

[0122] ω0＝Fi-1(max(Fi(ω))),ω≠0

[0123] rot＝30ω0/π

[0124] 进一步地，第i个叶片的叶尖间隙值L0-Ri可写作

[0125]

[0126] 进一步地，通过上述步骤，本发明利用FFT求出了第i个发动机叶片2的叶尖间隙值L0-Ri；

[0127] 第二步，针对发动机振动所引起的振动脉冲干扰信号6，本发明的判别过程如下：

[0128] 发动机振动频率较高，发动机的振动会导致上述第一步过程中调制解调模块4的输出 V(t)异常，从而导致t2i和t2i+1计算错误，进而使第i个叶尖间隙脉冲信号5fi(t)变化为一个振动脉冲干扰信号6，该振动脉冲可以抽象为一个幅值或正或负的三角脉冲，设振动脉冲干扰信号6的表达式为p(t)

[0129]

[0130] 则振动脉冲干扰信号6p(t)经过FFT后的结果为

[0131]

[0132] 进一步地，结合第一步的结果可知，第i个发动机叶片2的尖间隙脉冲信号5fi(t)的三次谐波幅值为Fi(3ω0)＝0，而振动脉冲干扰信号6p(t)的三次谐波幅值为显然P(3ω0)≠Fi(3ω0)；

[0133] 进一步地，通过判断第i个叶尖间隙脉冲信号5fi(t)FFT结果中Fi(3ω0)是否为零，即可判断当前第i个叶尖间隙脉冲信号5fi(t)是否变化为振动脉冲干扰信号6，判断t2i和t2i+1是否计算错误；

[0134] 第三步，针对电容传感器1的失效，本发明的判断过程如下：

[0135] 当电容传感器1失效时，即使叶片经过电容传感器1，电容传感器1的电容值C也不会发生改变，调制解调模块4的输出V也不会发生改变，进而导致某一个发动机叶片2的叶尖间隙值丢失；

[0136] 进一步地，在电容传感器2没有失效的情况下，对上述第i个和i+1个叶尖间隙脉冲信号 5fi和fi+1来说，两者间隔时间记为T

[0137]

[0138] 进一步地，根据第一步中的描述，发动机共有M个叶片，则

[0139]

[0140]

[0141] 进一步地，当电容传感器1失效时，fi和fi+1之间的间隔时间T会变大，导致[0142]

[0143] 进一步地，根据第一步中计算出的t2i、t2i+1、t2i+3和t2i+4，以及fi经过FFT的计算结果Fi(ω) 可以求出T和ω0，进而通过判断等式 是否成立即可判断是否存在电容传感器1信号失效；若等式成立，则电容传感器没1有失效；若等式不成立，则电容传感器1失效；

[0144] 进一步地，若电容传感器1失效，假设因失效导致第i+1个发动机叶片2的叶尖间隙 L0-Ri+1无法计算，则认为第i个发动机叶片2的叶尖间隙L0-Ri与第i+1个发动机叶片2的叶尖间隙L0-Ri+1相等，用第i个发动机叶片2的叶尖间隙L0-Ri代替第i+1个发动机叶片2 的叶尖间隙L0-Ri+1，即L0-Ri+1＝L0-Ri；

[0145] 进一步地，上述第一、二、三步的计算方法均可利用FPGA、ARM、DSP等硬件平台实现，进而搭建基于FFT的发动机叶尖间隙检测装置。

[0146] 应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明 的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。