[发明专利]低压涡轮带冠叶片篦齿的径向和轴向间隙测量系统及方法

权利要求书

1.一种低压涡轮带冠叶片篦齿的径向间隙和轴向间隙测量方法，基于径向间隙和轴向间隙测量系统，包括篦齿、V型芯极电容传感器、调幅式电容调理模块、高速采集处理模块和上位机，所述V型芯极电容传感器由V型芯极、外垫环和外壳体构成，外垫环嵌入外壳体内，外垫环端面设有与V型芯极的芯极端面形状契合的通孔，V型芯极的芯极端面从所述通孔穿出；V型芯极电容传感器放置于篦齿的一侧且V型芯极的端面与篦齿的半径方向垂直，V型芯极的对称轴与篦齿转轴平行；所述V型芯极电容传感器通过连接线依次与调幅式电容调理模块、高速采集处理模块和上位机连接；测量时，篦齿端面与V型芯极电容传感器的V型芯极构成双平行极板电容器；径向间隙和轴向间隙参数信息包含在V型芯极电容传感器的电容信号中；调幅式电容调理模块将电容信号以确定的放大系数转换为电压信号；接着高速采集处理模块将该电压信号采样为数字信号并送入上位机进行算法处理，最终得到径向间隙和轴向间隙参数，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过多目标最优化模型确定V型芯极电容传感器的结构参数；

(2)启动测量系统，随着篦齿转动，径向间隙和轴向间隙参数信息被采集到V型芯极电容传感器的电容信号中；调幅式电容调理模块将电容信号以放大系数β转换为模拟电压信号；高速采集处理模块将该模拟电压信号采样为数字电压信号并送入上位机进行算法处理；

(3)通过上位机对数字电压信号进行平滑滤波得到U(i)；

(4)估计篦齿的转速和信号特征频率f₀；

(5)通过信号特征频率f₀对U(i)进行自适应频域滤波；

(6)提取自适应频域滤波后的U(i)的整周期信号U_T；

(7)通过尺度调整算法将整周期信号U_T转换为U_T1；

(8)提取U_T1的幅度谱信息；基于步骤(2)和步骤(3)，U_T1的每根谱线的幅度都是径向间隙和轴向间隙的函数，最终得到径向间隙值和轴向间隙值。

2.根据权利要求1所述低压涡轮带冠叶片篦齿的径向间隙和轴向间隙测量方法，其特征在于，步骤(1)中V型芯极电容传感器的多目标最优化模型为

max(V_R,V_s,V_p)＝f(θ,p,h)              (1)

式中，θ为V型芯极倾角，p为芯极上边界所在直线与横轴交点，h为V型芯极纵轴厚度，上边界与限定圆的交点分别是A和B，目标函数V_R为轴向间隙测量量程，V_s为测量灵敏度，V_p为传感器响应幅度，简化表达成V_R＝X_b-X_a，X_a、X_b分别是交点A，B的横坐标，V_s＝tanθ，V_p＝h。

3.根据权利要求1所述低压涡轮带冠叶片篦齿的径向间隙和轴向间隙测量方法，其特征在于，步骤(3)中对平滑滤波的表达式为：

其中，U(i)代表滑动均值滤波后的信号，N₀表示奇数窗长，η为在窗长内的索引。

4.根据权利要求1所述低压涡轮带冠叶片篦齿的径向间隙和轴向间隙测量方法，其特征在于，步骤(4)中具体如下：

以篦齿每转一圈对应的U(i)的峰峰值从上往下80％处的电压值作为自适应转速提取基线，基线与U(i)每(4m+1)个交点的点数差即对应了篦齿转一圈所用的时间，其中基线落在采样点之间时采用基线左右两个最近采样点的线性拟合以求取交点精确值，篦齿转速由下式估计得到：

rpm＝60×f_s/N_circle          (3)

式中，rpm指转速，单位为转每分钟，f_s指高速采集处理模块的采样率，N_circle指篦齿转一圈的采样点数；则“W”型凹槽个数决定的信号特征频率f₀估计为：

式中，m为“W”型凹槽个数。