基于磁激勵和信號無線傳輸的旋轉葉片模態參數測試技術研究

摘要 航空發動機葉片的動態特性關系到航空發動機乃至整個飛機的運行安全，對葉片在旋轉狀態下進行在線動力學參數測試是確保其安全性的有效手段之一。針對旋轉狀態的葉片提出了采用非接觸磁激勵作為激振力，采用WiFi無線傳輸方式實現葉片振動信號的在線測量和傳輸的方法。在此基礎上，設計出一套可以測量旋轉狀態葉片動力學參數的非接觸磁激勵?無線傳輸的動力學參數測試系統，并進行了相應的試驗驗證，結果表明該系統使用方便，測量精度好。

關鍵詞 模態試驗; 旋轉葉片; 動力學參數; 非接觸磁激勵; 無線傳輸

引 言

航空發動機是一種極其精密而又復雜的熱?力機械，它能夠為航空飛行器提供推力，是航空飛行器的動力樞紐和“心臟”，是航空工業的“皇冠上明珠”［1］。航空發動機的研制水平是一個國家航空科技水平的重要體現，更是一個國家國防、科研、經濟實力的重要衡量標準。葉片的結構強度問題是航空發動機研制過程中遇到的最復雜且最重要的問題之一。盡管ANSYS， ABAQUS等有限元分析軟件可以對葉片進行動力學仿真，但由于葉片復雜的運行環境，仿真結果和實際仍存在不小的差距。為了保證航空發動機葉片在高速旋轉過程中可以安全可靠地運行，對葉片在旋轉狀態下進行動力學參數測試至關重要。

旋轉葉片與靜態結構的振動性能參數測試方法的不同主要表現為激振方法與振動測量方法的差異。靜態結構常用的激勵方法有：拉繩預載突然釋放、錘擊、激振器和振動臺等，而旋轉類的結構由于對象狀態和位置實時變化的特點，這些常用的激勵方法均不適用而需要新的方式或者改進傳統的激勵方式。振動測試方法的不同更主要的還是體現在振動信號獲取的途徑不同。目前旋轉葉片的模態參數測量主要采用以下幾種方法：

（1）接觸式電阻應變片法［2］：該方法是在葉片上粘貼電阻應變片，利用集流器裝置或安裝在軸上的無線發射裝置將應變信號傳送到旋轉機械外部，經過前置放大處理，進行分析記錄。該技術測量精度高，但是在眾多的葉片上粘貼應變片很煩瑣，布線復雜，可靠性差，且應變式傳感器的工作壽命較短。

（2）激光多普勒法［3?5］：根據邁克爾遜干涉原理，光波經振動體表面反射后與參考光的頻差會對光強產生調制作用，調制頻率與反射面振動速度成比例。調制頻率經過90°相移，由正、余弦波信號進行頻率調制，形成單邊帶壓縮載波，輸出信號經頻率解調后，即可得到原模擬量的速度信號。該技術精度高，但一般只能測量葉片測點處的振動響應，經數據處理后只能夠得到頻率參數，且系統結構復雜，抗振動性能差，光學探頭易被污染，成本高。

（3）間斷相位法［6?7］：測試中當葉片不振動時，示波器上出現規則的波形。當葉片振動時，傳感器輸出的信號將出現相位差，反映到示波器上的射線長度就會改變，由此可以判斷葉片振動的大小。該技術測量方法簡單：根據傳感器接收到的掃描寬度確定葉片振幅大小，沿旋轉方向葉片為最大位移時葉片進入傳感器掃描區，同時沿旋轉反方向達到最大位移時離開傳感器掃描區，這時會產生最大掃描寬度。從其測試機理可以看出該方法數據后續處理非常復雜，且只適用于低頻情況下振動的測量，數據經處理后同樣只能夠得到葉片頻率參數。

（4）葉尖定時法［8?13］：葉尖定時測量的原理實質上是對葉片的端部相對位移進行間斷測量，根據所測量的斷續的數值“還原”為葉片的原始振動過程，并且對葉片整個振動過程的參數進行分析。該方法和間斷相位法思路類似，但測試頻率范圍更寬，可適用于高頻振動的測量，振動真實數據還原的后續處理比較復雜，一般用于事后處理，難以做到實時性，且只能夠得到葉片頻率參數和阻尼參數。

從以上學者的研究成果可以看出，這些測試方法由于原理的特點可以比較方便地得到葉片測量點的振動響應，進而得到測量對象的固有頻率和阻尼比，但無法得到固有頻率對應的振型；這些方法中，沒有實時測量外激勵信號，也不是通過測量傳遞函數來識別模態參數，而是采用測量得到的振動響應通過FFT分析來識別，因此只能得到一階固有頻率；多采用靜止的傳感器測量旋轉葉片響應，得到不連續的調制信號，再通過信號的拼接和解調獲得葉片頻率信息。對于旋轉葉片通過求取傳遞函數來識別其動力學參數從原理上講最為可靠和有效。因此，外激勵的施加和測量、旋轉葉片振動響應的測量方法、振動信號的無線實時傳輸方法成為難點。本文在充分調研和總結前輩們科研成果的基礎上，從方式、方法上進行探索和嘗試，提出采用非接觸磁激勵作為旋轉葉片激振力、采用WiFi無線傳輸方式實現振動響應信號和外激勵信號的實時測量、傳輸，設計了一套非接觸磁激勵?無線傳輸旋轉葉片動力學參數測試系統，并用試驗驗證了其便捷性和有效性。

1 旋轉葉片模態參數測試方案

結構的動力學參數測試系統一般包含激振系統［14］、振動量測量系統、振動信號傳輸系統。激振系統給結構施加一定的激勵以激起結構振動響應；振動量測量系統利用各種傳感器測量結構的激振力、加速度、位移等振動參量；振動信號傳輸系統采集傳感器傳出的信號并且將其傳輸到計算機以進行振動信號數據分析與處理。

最為經典的動力學參數測試系統采用錘擊法對結構施加激勵、采用傳感器采集振動參量、通過同軸電纜進行信號的采集和傳輸。對于旋轉葉片動力學參數測試，無法采用錘擊法施加激勵，更無法通過電纜把旋轉的振動參量傳輸出來，激勵的施加方式和振動信號的傳輸方式成為難點，這就需要設計一套適應于旋轉葉片的專屬動力學參數測試系統。

本文提出了非接觸磁激勵?無線傳輸旋轉葉片模態測試系統的總體設計方案，如圖1所示。該方案采用非接觸式的磁激振器作為激振設備，ICP傳感器作為振動參量的測量設備，激振器和傳感器跟隨葉片同步旋轉，并采用無線傳輸方式進行振動信號的采集和傳輸。下面按照激振系統、振動量測量系統、振動信號傳輸系統三部分詳細闡述非接觸磁激勵?無線傳輸旋轉葉片動力學參數測試系統的設計原理。

2 激振系統

本文選取的非接觸磁激振器本質上是由繞有線圈的鐵芯封裝而成的，給線圈通電即可產生磁吸力。其原理如圖2所示。

根據能量守恒定律可以導出磁激振器吸力F的表達式為［15］：

從圖4～7可以看出，磁吸力F的頻率是勵磁電流i的2倍。勵磁電流能夠激發出各種形式的磁激勵信號：脈沖激勵、正弦掃頻激勵、白噪聲激勵等，且激發出的磁激勵信號可以包含很寬的頻率成分。

通過激振法測試結構模態需要激勵的頻率成分包含待測結構的固有頻率成分，通過以上仿真分析，由勵磁電流觸發的磁吸力滿足激振力的要求，可以通過實際需求設計通入的勵磁電流信號形式，從而達到產生不同類型的磁激勵信號的目的。由于本文設計的激振系統需要獨立的干電池供電，故通過開關的導通與斷開即可產生脈沖激勵，簡潔又方便。采購常州市尼西電氣有限公司生產的型號為NX?P50/27的電吸盤作為磁激振器，供電電壓為DC 12 V，實際測得的脈沖信號的時域圖如圖8所示。

3 振動信號傳輸系統

振動信號的傳輸方式分為有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸方式有著信噪比高，抗干擾能力強，價格低廉等優點。有線傳輸方式有著廣泛的應用范圍，但對于旋轉葉片，采用有線的形式傳輸振動信號會存在電纜纏繞的問題。若將無線傳輸技術應用到旋轉葉片的振動信號采集上，則將信號傳輸問題變得簡單且具有創新性。

目前主流的無線傳輸的方式有：WiFi，藍牙，ZigBee，UWB等，幾種方式的性能如表1所示。綜合對比各個無線傳輸手段的性能及優缺點，結合旋轉葉片振動信號傳輸的需求，本文選用WiFi技術作為無線通信手段。

旋轉葉片的振動參量通過ICP傳感器采集，ICP傳感器將物理參量信號變為電壓模擬信號傳出，想要電壓模擬信號無線傳輸至上位機PC端，需要經過信號調理、A/D轉換、D/A轉換、數據發送、WiFi無線傳輸等步驟，這些步驟的實現都離不開微控單元（（Microcontroller Unit，簡稱為MCU）的控制。圖9是以MCU為核心模塊的WiFi無線傳輸系統總體設計方案。

微控單元是將內存（Memory），計數器（Timer），USB，A/D轉換，UART，PLC，DMA等周邊接口，甚至LCD驅動電路都集成在一起，形成的芯片，也稱為單片機。MCU類似于計算機的CPU，主要負責信號的采集、A/D轉換、存儲、D/A轉換、發送等任務，調控指揮各個模塊有序運行，是微型電路設計的大腦，是電路設計必不可少的核心部件。本文根據需求選用STM32F103芯片作為微控處理器。

信號調理是將ICP傳感器采集的信號進行放大、濾波等處理，其調理的最終目的是將傳感器傳出的信號放大，并按比例變換到0～3.3 V，以便微控單元進行采集。

WiFi模塊負責將MCU采集的信號以無線的形式發送至上位機，本文選用ESP8266模塊作為WiFi模塊。

電源模塊負責為各個模塊的正常運行提供電源。

ICP傳感器的信號經過信號調理電路，由STM32F103微控芯片進行采集并通過串口發送至WiFi模塊，最后由WiFi模塊無線傳輸至上位機。整個無線傳輸的流程需要通過燒寫在單片機內部的程序控制，程序設計是實現無線傳輸功能的核心步驟。

STM32F103微控芯片程序的設計可在Keil5軟件中進行。Keil5軟件（如圖10所示）是美國Keil Software公司出品的可以兼容51系列以及STM系列等主流單片機的基于C語言的MCU開發工具，包含豐富全面的庫函數和功能強大的集成調試工具，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發流程。

本文為實現振動信號的無線傳輸功能，設計程序的流程圖［16］如圖11所示。

將無線傳輸程序采用串口通信燒寫至STM32芯片和WiFi模塊，就可以進行相關性能測試了。

將設計好的各個模塊按照對應的引腳依次連接，得到整個無線傳輸系統的模塊連接圖如圖12所示。

實物圖如圖13所示。

如圖14所示，無線傳輸系統采集的數據可在上位機數據接收平臺中查看，并可以輸出成TXT格式的數據文檔，供后續處理。經無線傳輸系統采集并輸出的信號都是以數字信號量化表示的，本文選用的STM32芯片中ADC的分辨率為12位，因而量化輸出的數值范圍是0～212-1，即0～4095，又因ADC只能采集0～3.3 V的電壓信號，因而0 V電壓對應數值0，3.3 V電壓對應數值4095。

以下用直流電壓加以測試，在ADC采集端口PA1引腳分別輸入0 V直流電壓和3.3 V直流電壓，在PC端數據接收平臺可以得到結果如圖14（a）和（b）所示。

這就說明ADC的采集精度為：

輸出量化數值D和采集到的模擬信號ua之間的關系為：

式（13）表明，ADC可以分辨0.8 mV的電壓波動。由于傳感器信號經信號調理模塊會放大100倍，因此，ADC可以采集傳感器信號的精度為0.008 mV。本文使用的兩種ICP傳感器靈敏度系數為：

遠大于0.008 mV，這就說明ADC的采集精度足夠高，采集到的信號可以真實地體現原信號特性。振動參量X和數據接收平臺接收到的量化數值D之間的最終換算關系為：

經過上述分析以及測試表明，STM32F103芯片的采集精度可以達到0.008 mV，又根據官方手冊，STM32F103芯片的采樣頻率可以達到1 MHz，因此本文設計的無線傳輸系統可以保證將傳感器傳輸的振動信號高質量采集出來，滿足試驗需求。

4 旋轉葉片模態試驗

搭建如圖15所示的試驗平臺。磁激振器、ICP力傳感器和無線傳輸系統均固定于與葉片平行的固支平板上，ICP加速度傳感器固定在葉片上。整個系統的細節布置如圖16所示。

試驗時布置4個測點，采用單輸入多輸出法進行模態試驗。磁激振器以及ICP力傳感器固定于測點1不動，依次按照1，2，3，4測點移動ICP加速度傳感器進行4次激勵試驗，將測得的輸入輸出信號通過無線傳輸系統傳輸至上位機即可進行數據分析處理。試驗測點布置如圖17所示。

上位機中得到的輸入輸出信號是等時間間隔、等長度的數值信號序列，按照模態參數識別方法進行編程即可提取模態參數。本文采用共振法進行模態參數識別，對輸入輸出信號無需進行特殊處理。

試驗測得轉速為0時測點1的磁激勵信號以及響應信號如圖18所示。

本文對不同轉速下的旋轉葉片進行了試驗，并進行了模態參數識別。圖19為轉速為0，100，200，300 r/min時的傳遞函數幅頻特性曲線，表2～4為轉速為0，100，200，300 r/min時模態參數的識別結果。

為了驗證結果的正確性，采用錘擊法對靜止狀態的葉片進行了模態試驗，并進行了結果對比，如表5所示。

本試驗采用本文提出的新方法：非接觸磁激勵?無線傳輸法對旋轉葉片的模態參數進行了測試，取得了良好的效果。本試驗測得了不同轉速下葉片的固有頻率、阻尼比和振型，與錘擊法測試結果相吻合，說明非接觸磁激勵?無線傳輸法是一種行之有效的方法，可以作為旋轉葉片的模態測試方法。

本試驗測量了轉速為0，100，200，300 r/min時葉片的模態參數，通過分析試驗數據發現，隨著轉速的增加，葉片的固有頻率呈增大趨勢，轉速每增加100 r/min，葉片的一階固有頻率增加約1.7 Hz，葉片的二階固有頻率增加約0.5 Hz。這與含有離心力的結構產生動力剛化效應所呈現的結果是相符的，即轉速增加，結構的固有頻率增大。這是因為葉片旋轉時會產生離心力，離心力會使葉片“剛化”，離心力使得葉片抗彎曲的能力變強，從而固有頻率增大。

5 結 論

本文提出了一種非接觸磁激勵?無線傳輸旋轉葉片模態參數測試方案，并對其涉及的激振技術、振動信號傳輸技術等關鍵問題進行了研究，通過試驗驗證了其便捷性和有效性。得出的結論主要有：

（1）非接觸磁激振器可以產生脈沖激勵、白噪聲激勵、正弦掃頻激勵等激振力，滿足振動測試激振要求。

（2）無線傳輸系統可以高質量地采集并傳輸激振力、加速度等振動信號。

（3）本文設計的非接觸磁激勵?無線傳輸旋轉葉片模態參數測試系統可以準確測量旋轉葉片的模態參數。

本文設計的測試系統重在驗證測試方法和手段的可行性，限于實驗室的條件，所搭建的測試平臺比較簡單。若應用于工程測試中，則可針對具體旋轉葉片設計相應的測試工裝，安裝固定磁激振器以及無線傳輸系統，使得該系統和葉片同步旋轉。另外，本文的無線傳輸系統可進行封裝，采用集成技術變為體積更小的模塊，使系統進一步工程化。

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