一种新型叶尖定时信号高精度处理技术

A New Accurate Processing Techn ique for Tip timing Signal

SU N Yu yang,DU AN Fa jie,F ANG Zhi qiang,Y E Sheng hua

(State Ke y Laboratory o f Precision Measuring Technology and Instruments,Tian j in University,Tian jin300072,China)

Abstract: A ne w accura te processing technique for tip timing signal is proposed.The fixed frequency pulse filling method,and the combination of CPLD,FIFO and E PP are adopted to realize10ns tip timing accuracy.CPLD is used for design24bit high speed synchronized counter and latch circuit;the prea mplifer and postamplifier are used for design high sensitivity,large bandwidth photoelectric receiver.In addition,EPP interface circuit and corresponding software de sign are provided.The processing system are proved under the laboratory c ondition,and the result of e xperiments indicate that the system can realize the detection of weak light as low as0 4 W.

Key words: tip timing;photoelectric receiving;CPLD;data processing

一种新型叶尖定时信号高精度处理技术

孙宇扬,段发阶,方志强,叶声华

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072)

摘要:提出一种新型叶尖定时信号高精度处理方法。采用固定频率脉冲填充方法,并基于CPLD、FIFO、EPP的融合技术,实现10ns的叶尖定时分辩力。利用CPLD设计了24位高速同步计数锁存电路,引入光通信用放大芯片设计了高灵敏度、宽频带光电接收预处理电路,并设计了高速EPP接口电路及软件。在实验室条件下对处理系统进行了功能验证,实验证明该系统可以实现0 4 W的弱光检测。

关键词:叶尖定时;光电接收;CPLD;EPP;数据处理

中图分类号:TN29;TN219 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2003)04-0415-04

旋转叶片振动测量技术按所用传感器形式可分为接触测量和非接触测量。传统上采用接触测量方法,如应变片传感器测量,该技术已较为成熟,但由于应变片安装费时费力,而且工作寿命较短,传感器自身荷重与体积影响叶片的空气动力学特性,所以该技术的应用受到了很大的限制。为提高旋转叶片振动测量系统的性能,适应高转速、高精度、全面监测的要求,叶尖定时非接触旋转叶片测振技术被广泛采用[1,2]。该技术利用叶尖经过非接触测头的时间进行测量,叶尖定时传感器信号经过光电接收和数据采集处理系统后,进而由计算机对获得的叶尖定时时间数据进行分析获得振动位移,频率、振幅等参数。叶尖定时信号处理技术主要就是精确的确定叶尖经过传感器测头的时间,它是实现叶片振动参数高精度测量的关键之一,也是本文讨论的重点。提出了一种新型叶尖定时信号高精度处理技术,采用固定频率脉冲填充方法,并基于CPLD、FIFO、EPP 的融合技术,实现10ns的叶尖定时分辩力。处理系统主要包含光电接收和预处理电路、高速计数锁存电路及EPP接口电路。

2003年12月 传 感 技 术 学 报 第4期

收稿日期:2003 04 25

作者简介:孙宇扬,allansun@.

1 传感器

传感器系统主要由数个叶尖定时传感器和一个转速同步传感器组成。叶尖定时传感器是系统的关键传感器,要求具有很高的响应速度和抗干扰能力,因此选用基于光纤传光的光电传感器。多个叶尖定时传感器以一定角度圆周排列(角度需要计算,超出了本文讨论范围)。转速同步传感器用于监测压气机的转速,每一转发出一个脉冲,作为起始与终止信号,但对振动测量精度没有影响;

2 叶尖定时信号处理原理

2 1 固定频率脉冲填充方法

设叶片旋转半径为1 5m,当最高转速为15000r/min=250r/s 时,叶尖的非振动线速度为 =2 1 5 250m/s=2 36 m/ns,由于系统要求振幅分辨力为25 m,则要求系统的定时分辨力优于=10 6

ns,因此选取系统时钟基准为100MHz 。

采用固定频率脉冲填充法实现叶尖定时时间测量。该方法采用固定频率脉冲计数,1个脉冲对应的弧长!=2 R ∀/f (f 为时钟频率),每转一圈所对应的脉冲数为f /∀,R 为半径。不同转速下,脉冲当量不同,速度越低脉冲当量越小,一圈对应的数据量也越大。本系统选取时钟频率为100MHz,计数器采

用24位二进制计数器,因此适用的最小转速为f/224

=5 95r/s=357r/min 。

2 2 处理系统

处理系统原理框图如图1所示。系统采用24位二进制计数器对时钟脉冲进行计数。光电探测器输出的叶尖定时传感器信号经过前置放大、主放大及滤波整形电路后,产生叶尖定时锁存脉冲,作用于相应的叶尖定时锁存器。磁电式转速同步传感器信号经过类似的处理,产生转速同步信号作为计数器的异步复位信号。各锁存器的数据由E PP 接口采入

计算机。

图1 叶尖定时脉冲采集系统框图

3 处理系统的实现

处理系统主要包含高灵敏度光电接收及预处理系统,基于CPLD 的高速计数锁存电路,以及EPP 采集接口电路。

3 1 光电接收预处理

光电接收预处理系统性能好坏将直接关系到整个振动测量系统的精度,设计时应考虑灵敏度、信噪比、频响等多方面问题。

预处理电路的主要任务是将光电探测器输出的

光电流进行预处理,通过前置放大器,主放大器以及

阈值比较电路,产生TTL 电平的脉冲信号。预处理电路的前置放大电路是设计的关键,因为它对整个光电接收系统的灵敏度和信噪比起决定作用。光电接收前置放大器的噪声主要是放大器本身和电路元件的热噪声和散粒噪声,而且噪声随带宽的增加而增加。考虑到频带宽度大于50MHz,采用跨阻放大电路,并选择双极型(BJT)型放大器以产生最小的噪声。基于以上考虑,选用Philips 公司的光通信用前置放大芯片SA5211与后置放大芯片SA5217配套使用,设计了高灵敏度、宽频带光电接收预处理电路,

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