基于FPGA高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量装置及方法

基于fpga高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量装置及方法
技术领域
1.本发明涉及轴向间隙测量领域，特别是一种基于fpga高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量装置及方法。


背景技术：

2.航空发动机等重大装备的核心部件(转子、动叶片等)的状态参数直接影响设备运转状态、工作效率和安全性能，特别是转子与静子之间的轴向间隙变化是影响装备性能和安全的主要因素之一。研究表明，当航空发动机叶片间轴向间隙由0.66倍叶片轴向弦长减小到0.23倍时，压气机阶段效率可从1％增加到1.4％；但由于叶片受载变换、材料热膨胀不一致等原因，转静子轴向间隙过小也可能导致碰磨、断裂等故障，致使装备损坏，造成巨大的经济损失，威胁人身安全。为提高装备性能和效率，实施主动间隙控制、实现变工况运行是新一代重大装备优化改进的必由之路。传统上主动间隙控制采用开环控制策略，但伴随着科技发展，装备运行效率和安全性能逐步逼近极限，基于转静子轴向间隙在线监测的闭环主动间隙控制已成为重要发展方向。
3.重大装备运转时，机械内部处于高温(600℃以上)、高振动等极端恶劣条件下，且其内部空间狭窄、结构复杂，传统测量手段无法满足间隙在线动态传感及测量需求。如何在狭窄空间、高温条件下实现间隙高可靠、高分辨率、高精度在线动态测量，是当下亟待解决的关键科学和技术难题。
4.目前主要测量方法可以分为电容法、电涡流法、微波法和光学法。
5.电容法具有耐高温、响应速度快、可靠性较好等特点，但其探头尺寸会随测量量程的增加而急剧增大，并且由于介质的温度特性，测量结果的温漂较大；电涡流法具有耐水汽、油污等恶劣环境的优势，可在污染较大环境下对间隙进行测量，结构简单，但由于磁芯等结构不耐高温，仅适用于常温的工作环境，高温应用极少，此外电涡流传感器的漏电容、漏电导等参数受温度变化影响明显，严重时甚至引起电路饱和，导致测量失效；微波法不易受发动机内部工作环境的影响，适合发动机内微小间隙的测量，但目前温度漂移的补偿问题还未能有效解决，另外由于使用高频微波、高温矿物电缆，传输损耗较大，不适于重大装备内部狭小空间远距离、引出路径复杂的测量环境使用。
6.光学类测量方法利用激光测量轴向间隙不易受电磁干扰，利用光纤作为激光信号的传输媒介以解决航空发动机内部信号引出路径复杂难题，并且可利用光纤制作探头以解决小尺寸难题。与电学类测量方法相比，光学类测量方法更适合航空发动机转静子轴向间隙测量。在光学类方法中，基于频域干涉的绝对距离测量方法脉冲能量大，瞬时功率高，利用探头端面回光与工件反射光进行干涉，通过光谱仪分析每个波段的干涉光强即可实现轴向间隙测量。现有的频域干涉轴向间隙数据处理方法大多是将采集卡或记录仪所采集的数据，上传至上位机中，再利用高性能的cpu直接计算采集数据。这种处理方法虽然简单，但cpu计算负担较大。且高性能的cpu价格昂贵，使得检测系统成本增加。同时，即便是高性能的cpu，其计算能力和计算资源也十分有限，使得一台上位机难以同时检测较多的传感器通
道。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了克服现有技术中cpu计算能力不足，系统体积大，硬件开销大的缺点、克服现有技术中硬件系统复杂，系统成本高的缺点，提供一种基于fpga高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量装置及方法，进而有效降低上位机数据传输量和运算数据量，实现轴向间隙的高速采集与分析处理。
8.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
9.一种基于fpga高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量装置，包括通过光纤依次相连的宽带光源、隔离器、光纤环行器、光纤探头，所述光纤环行器还依次与光纤放大器、光谱仪、adc采集模块、fpga、ddr缓存模块、usb3.0数据传输模块、上位机相连；所述光纤环形器设置有三个端口，分别为端口a、端口b和端口c；
10.所述宽带光源发射光并通过光纤依次进入隔离器和光纤环行器；光由光纤环形器的端口a输入，由端口b输出到光纤探头上；光束从光纤探头端面出射时，部分光从光纤探头端面直接反射回来，记为参考光束；另一部分光照射到被测物体上发生反射，由光纤探头收集返回，记为探测光束；参考光束和探测光束一起通过光纤返回到光纤环行器的端口b，然后从端口c出射并传输到光纤放大器，经过光纤放大器放大后，进入光谱仪，并由光谱仪内部的光栅分光后，由光谱仪的线性图像传感器接收到光谱信息；
11.光谱仪内部的线性图像传感器将光谱信息转换为模拟电信号后，依次经过adc采集模块、fpga处理后将缓存的数据信息存入ddr缓存模块中，并通过usb3.0数据传输模块将缓存数据上传至上位机。
12.进一步的，所述fpga还与信号处理模块相连，所述信号处理模块由依次相连的axi/srio接收模块、相位解析模块，axi/srio发送模块和频率计算模块组成，信号处理模块为dps或arm。
13.进一步的，所述fpga内设置有axi/srio接收模块、axi/srio发送模块、高通滤波模块、fft计算模块、组帧模块、间隙计算模块、usb3.0逻辑控制模块、ddr控制模块，所述axi/srio接收模块、axi/srio发送模块用于与信号处理模块相连，所述高通滤波模块、fft计算模块、间隙计算模块、组帧模块和ddr控制模块依次相连，usb3.0逻辑控制模块用于对usb3.0数据传输模块进行时序控制。
14.本发明还提供一种基于fpga高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量方法，包括：
15.所述宽带光源发射光并通过光纤依次进入隔离器、光纤环行器和光纤探头，光束从光纤探头端面出射时，部分光从光纤探头端面直接反射回来，记为参考光束；另一部分光照射到被测物体上发生反射，由光纤探头收集返回，记为探测光束；参考光束和探测光束一起通过光纤返回到光纤环行器后传输到光纤放大器，经过光纤放大器放大后，进入光谱仪，参考光束和探测光束存在光程差，光谱仪记录的光谱上能够出现随波长变化的干涉条纹，即频域干涉条纹；
16.光谱仪的内部的线性图像传感器接收光谱仪内部光栅分光后的光谱信号，并将光谱信号转换为模拟电信号传输给ad采集模块；
17.ad采集模块根据fpga的ad采样控制信号将线性图像传感器中每个通道的模拟光
谱模拟信号转化为相应的光谱数字信号，再传输给fpga中的高通滤波模块；
18.高通滤波模块对采集的光谱数字信号进行平滑滤波，并将滤波后的结果传递给fft计算模块；
19.fft计算模块计算得到光谱数字信号幅值最大的频率，并利用下式对光谱数字信号中的条纹数进行计算；
20.m＝k-1
21.其中，m为光谱数字信号中的条纹数，k为fft变换中最大幅值点的位置；
22.fft计算模块将计算得到的光谱条纹数传递至间隙计算模块；间隙计算模块通过计算得到实际间隙；
[0023][0024]
其中c为光速，空气的折射率系数为n，m为光谱数字信号中的条纹数；δf为待测光谱范围内的频率跨度；
[0025]
组帧模块按照帧头、轴向间隙通道号、间隙值、有效帧数据和帧尾的顺序组成数据帧；
[0026]
组帧模块将组好的数据帧存入ddr缓存模块中；并按照usb3.0逻辑控制模块的时序要求，通过usb3.0数据传输模块将缓存数据上传至上位机。
[0027]
进一步的，光谱数字信号中的条纹数的获取还能通过arm或dsp通过解相位的方法实现，具体如下：
[0028]
fpga中的axi/srio发送模块，将滤波后的光谱数字信号传递给信号处理模块中的axi/srio接收模块接收；
[0029]
信号处理模块中的axi/srio接收模块收到滤波后的数据，将数据转发给相位解析模块；
[0030]
通过希尔伯特运算进行计算，得到相位如下式所示：
[0031][0032]
其中，hil为对数据进行希尔波特变换运算，angle为对复数求相角运算，unwrap为对相位进行解卷绕运算；
[0033]
进一步在频率计算模块中对相位与像素序数1到n进行拟合计算得到光谱数字信号中的条纹数：
[0034]
m＝kn*n
[0035]
其中kn为相位拟合的一次项系数，n为光谱仪中线性图像传感器像素的总个数；
[0036]
信号处理模块中的axi/srio将光谱数字信号中的条纹数发送给fpga中的fpga中的axi/srio接收模块。
[0037]
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0038]
1.本发明将大部分数据进行实时在板数据采集处理，从而能有效降低轴向间隙测量系统上位机数据传输量和运算数据量；
[0039]
2.本发明实时性高且能够同时完成转静子频域干涉轴向间隙信号实时显示、轴向间隙信号实时存储，实现频域干涉轴向间隙信号简洁便利的采集处理。
[0040]
3.本发明装置硬件系统简单、系统成本低；可以通过fpga或者fpga和arm/dsp组合
的结构，合理分配计算任务，重复发挥了fpga的并行计算优势和arm/dsp的串行处理优势，增强了系统计算能力。
[0041]
4.本发明通过fpga或者fpga和arm/dsp的组合，使得间隙信号在上传至计算机以前就得到了处理，有效的降低了数据传输量和计算机的计算任务，降低了系统成本。
[0042]
5.本发明设计了符合轴向间隙信号的帧传输格式，使得计算既能够获得轴向间隙信号的间隙数据，又能够获得轴向间隙信号的原始数据。
[0043]
6.本发明既可以通过fpga上直接进行fft计算快速得到测量的粗略结果，也可以通过arm/dsp进行细致计算得到精确结果。还可以进一步在arm/dsp上对测量结果进行储存，方便后续数据滤波及数据分析。
[0044]
7.本发明在测量迅速移动物体时，可以直接通过fpga计算得到的结果对光谱仪测量过程进行控制，去除了fpga与上位机之间冗余的数据传输过程，大大提高了测量的快速性和实时性。
附图说明
[0045]
图1是本发明在板处理装置的结构示意图。
[0046]
图2是光谱仪和信号处理模块内各模块的工作流程和连接关系示意图。
[0047]
附图标记：101-宽带光源，102-隔离器，103-光纤环形器，104-光纤，105-光纤探头，106-待测端面，107-光纤放大器，108-光谱仪，109-adc采集模块，110-fpga，111-信号处理模块，112-ddr缓存模块，113-usb3.0数据传输模块，114-上位机，1101-高通滤波模块，1102-fft计算模块，1103-axi/srio发送模块，1104-adc采样控制信号，1105-组帧模块，1106-间隙计算模块，1107-axi/srio接收模块，1108-usb3.0逻辑控制模块，1109-ddr控制模块，1110-axi/srio接收模块，1111-相位解析模块，1112-axi/srio发送模块，1113-频率计算模块。
具体实施方式
[0048]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0049]
如图1和图2所示，本实施例提供一种基于fpga高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量装置，包括通过光纤依次相连的宽带光源101、隔离器102、光纤环行器103、光纤探头105，光纤环行器103还依次与光纤放大器107、光谱仪108、adc采集模块109、fpga110、ddr缓存模块112、usb3.0数据传输模块113、上位机114相连；光纤环形器103设置有三个端口，分别为端口a、端口b和端口c；fpga110还与信号处理模块111相连，信号处理模块11由依次相连的axi/srio接收模块1110、相位解析模块1111，axi/srio发送模块1112和频率计算模块1113组成，频率计算模块1113可以对采样数据进行快速傅里叶变换或者非均匀傅里叶变换，信号处理模块11为dps或arm。
[0050]
宽带光源101发射光并通过光纤104依次进入隔离器102和光纤环行器103；光由光纤环形器103的端口a输入，由端口b输出到光纤探头105上；光束从光纤探头105端面出射时，部分光从光纤探头105端面直接反射回来，记为参考光束；另一部分光照射到待测端面106上发生反射，由光纤探头105收集返回，记为探测光束；参考光束和探测光束一起通过光
纤返回到光纤环行器的端口b，然后从端口c出射并传输到光纤放大器，经过光纤放大器放大后，进入光谱仪108，光谱仪的内部的线性图像传感器接收由光谱仪内部光栅分光后的光谱信号，并将光信号转换为模拟电信号传输给ad采集模块；由于参考光束和探测光束都是宽带光束，而且存在一定量的光程差，所以光谱仪记录的光谱上会出现随波长变化的干涉条纹，即频域干涉条纹。
[0051]
光谱仪收到的光谱信息由光谱仪内部的线性图像传感器转换为模拟电信号后，依次经过adc采集模块、fpga处理后将缓存的数据信息存入ddr缓存模块中，并通过usb3.0数据传输模块将缓存数据上传至上位机。
[0052]
具体的，fpga110内设置有axi/srio接收模块1107、axi/srio发送模块1103、高通滤波模块1101、fft计算模块1102、组帧模块1105、间隙计算模块1106、usb3.0逻辑控制模块1108、ddr控制模块1109，所述axi/srio接收模块1107、axi/srio发送模块1103用于与信号处理模块111相连，高通滤波模块1101、fft计算模块1102、间隙计算模块1106、组帧模块1105和ddr控制模块1109依次相连，usb3.0逻辑控制模块1108用于对usb3.0数据传输模块113进行时序控制。
[0053]
具体的，该处理装置的具体工作流程及处理方法如下：
[0054]
宽带光源发射光并通过光纤依次进入隔离器、光纤环行器和光纤探头，光束从光纤探头端面出射时，部分光从光纤探头端面直接反射回来，记为参考光束；另一部分光照射到被测物体上发生反射，由光纤探头收集返回，记为探测光束；参考光束和探测光束一起通过光纤返回到光纤环行器后传输到光纤放大器，经过光纤放大器放大后，进入光谱仪，参考光束和探测光束存在光程差，光谱仪记录的光谱上能够出现随波长变化的干涉条纹，即频域干涉条纹；
[0055]
光谱仪收到的光谱信息由光谱仪内部的线性图像传感器转换为模拟电信号后，将线性图像传感器每个像素的信号传输给ad采集模块109；
[0056]
ad采集模块109根据fpga110的adc采样控制信号1104将线性图像传感器中每个通道的模拟信号转化为相应的数字信号，再传输给fpga110中的高通滤波模块1101；
[0057]
高通滤波模块1101对采集的信号进行高通滤波，并将滤波后的结果传递给fft计算模块1102。
[0058]
进一步地，fft计算模块1102计算得到信号幅值最大的频率，并利用以下式子对光谱信号中的条纹数进行计算。
[0059]
m＝k-1
[0060]
其中，m为光谱信号中的条纹数，k为fft中的最大条纹数。
[0061]
该部分也可以通过arm或dsp等通过解相位的方法实现实现，具体方法如下：
[0062]
fpga中的axi/srio发送模块1103将滤波后的信号传递给axi/srio接收模块1110。其中axi/srio发送模块为axi通信发送模块或者srio发送模块，axi/srio接收模块为arm中的axi通信接收模块或者dsp中的srio接收模块；
[0063]
axi/srio接收模块1110接收到滤波后的数据，将数据转发给相位解析模块1111；
[0064]
相位可以通过希尔伯特运算进行计算，得到相位如下式所示。
[0065][0066]
其中，hil为对信号进行希尔波特变换运算，angle为对复数求相角运算，unwrap为
对相位进行解卷绕运算。
[0067]
对相位与像素序数1到n进行拟合可以计算得到比直接在fpga内部进行fft计算更加精确的光谱信号中的条纹数：
[0068]
m＝kn*n
[0069]
其中kn为相位拟合的一次项系数，n为像素的总个数。
[0070]
axi/srio发送模块1112将条纹数发送给fpga中的对应axi/srio接收模块1107。
[0071]
进一步地，fpga间隙计算模块1106将上一步得到的光谱条纹数计算得到实际间隙。
[0072][0073]
其中c为光速，空气的折射率系数为n，m为光谱数字信号中的条纹数；δf为待测光谱范围内的频率跨度。
[0074]
进一步地，组帧模块1105按照帧头、轴向间隙通道号、间隙值、有效帧数据和帧尾的顺序组帧；
[0075]
进一步地，组帧模块1105将组好的数据帧存入ddr缓存模块112中；并按照usb3.0逻辑控制模块1108的时序要求，usb3.0数据传输模块113将缓存数据上传至上位机114。
[0076]
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于fpga高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量装置，其特征在于，包括通过光纤依次相连的宽带光源、隔离器、光纤环行器、光纤探头，所述光纤环行器还依次与光纤放大器、光谱仪、adc采集模块、fpga、ddr缓存模块、usb3.0数据传输模块、上位机相连；所述光纤环形器设置有三个端口，分别为端口a、端口b和端口c；所述宽带光源发射光并通过光纤依次进入隔离器和光纤环行器；光由光纤环形器的端口a输入，由端口b输出到光纤探头上；光束从光纤探头端面出射时，部分光从光纤探头端面直接反射回来，记为参考光束；另一部分光照射到被测物体上发生反射，由光纤探头收集返回，记为探测光束；参考光束和探测光束一起通过光纤返回到光纤环行器的端口b，然后从端口c出射并传输到光纤放大器，经过光纤放大器放大后，进入光谱仪，并由光谱仪内部的光栅分光后，由光谱仪的线性图像传感器接收到光谱信息；光谱仪内部的线性图像传感器将光谱信息转换为模拟电信号后，依次经过adc采集模块、fpga处理后将缓存的数据信息存入ddr缓存模块中，并通过usb3.0数据传输模块将缓存数据上传至上位机。2.根据权利要求1所述的基于fpga高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量装置，其特征在于，所述fpga还与信号处理模块相连，所述信号处理模块由依次相连的axi/srio接收模块、相位解析模块，axi/srio发送模块和频率计算模块组成，信号处理模块为dps或arm。3.根据权利要求1或2所述的基于fpga高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量装置，其特征在于，所述fpga内设置有axi/srio接收模块、axi/srio发送模块、高通滤波模块、fft计算模块、组帧模块、间隙计算模块、usb3.0逻辑控制模块、ddr控制模块，所述axi/srio接收模块、axi/srio发送模块用于与信号处理模块相连，所述高通滤波模块、fft计算模块、间隙计算模块、组帧模块和ddr控制模块依次相连，usb3.0逻辑控制模块用于对usb3.0数据传输模块进行时序控制。4.一种基于fpga高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量方法，基于权利要求1-3任意一项所述的轴向间隙干涉测量装置，其特征在于，包括：所述宽带光源发射光并通过光纤依次进入隔离器、光纤环行器和光纤探头，光束从光纤探头端面出射时，部分光从光纤探头端面直接反射回来，记为参考光束；另一部分光照射到被测物体上发生反射，由光纤探头收集返回，记为探测光束；参考光束和探测光束一起通过光纤返回到光纤环行器后传输到光纤放大器，经过光纤放大器放大后，进入光谱仪，参考光束和探测光束存在光程差，光谱仪记录的光谱上能够出现随波长变化的干涉条纹，即频域干涉条纹；光谱仪的内部的线性图像传感器接收光谱仪内部光栅分光后的光谱信号，并将光谱信号转换为模拟电信号传输给ad采集模块；ad采集模块根据fpga的ad采样控制信号将线性图像传感器中每个通道的模拟光谱模拟信号转化为相应的光谱数字信号，再传输给fpga中的高通滤波模块；高通滤波模块对采集的光谱数字信号进行平滑滤波，并将滤波后的结果传递给fft计算模块；fft计算模块计算得到光谱数字信号幅值最大的频率，并利用下式对光谱数字信号中的条纹数进行计算；m＝k-1
其中，m为光谱数字信号中的条纹数，k为fft变换中最大幅值点的位置；fft计算模块将计算得到的光谱条纹数传递至间隙计算模块；间隙计算模块通过计算得到实际间隙；其中c为光速，空气的折射率系数为n，m为光谱数字信号中的条纹数；δf为待测光谱范围内的频率跨度；组帧模块按照帧头、轴向间隙通道号、间隙值、有效帧数据和帧尾的顺序组成数据帧；组帧模块将组好的数据帧存入ddr缓存模块中；并按照usb3.0逻辑控制模块的时序要求，通过usb3.0数据传输模块将缓存数据上传至上位机。5.根据权利要求4所述基于fpga高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量方法，其特征在于，光谱数字信号中的条纹数的获取还能通过arm或dsp通过解相位的方法实现，具体如下：fpga中的axi/srio发送模块，将滤波后的光谱数字信号传递给信号处理模块中的axi/srio接收模块接收；信号处理模块中的axi/srio接收模块收到滤波后的数据，将数据转发给相位解析模块；通过希尔伯特运算进行计算，得到相位如下式所示：其中，hil为对数据进行希尔波特变换运算，angle为对复数求相角运算，unwrap为对相位进行解卷绕运算；进一步在频率计算模块中对相位与像素序数1到n进行拟合计算得到光谱数字信号中的条纹数：m＝k
n
*n其中k
n
为相位拟合的一次项系数，n为光谱仪中线性图像传感器像素的总个数；信号处理模块中的axi/srio将光谱数字信号中的条纹数发送给fpga中的fpga中的axi/srio接收模块。

技术总结
本发明公开一种基于FPGA高速在板信号处理的轴向间隙干涉测量装置及方法，装置包括通过光纤依次相连的宽带光源、隔离器、光纤环行器、光纤探头，光纤环行器还依次与光纤放大器、光谱仪、ADC采集模块、FPGA、DDR缓存模块、USB3.0数据传输模块、上位机相连；宽带光源发射光并通过光纤依次进入隔离器、光纤环行器和光纤探头上；光束从光纤探头端面出射时，部分光从光纤探头端面直接反射回来，记为参考光束；另一部分光照射到被测物体上发生反射，由光纤探头收集返回，记为探测光束；参考光束和探测光束一起通过光纤返回到光纤环行器并传输到光纤放大器，经光纤放大器放大后进入光谱仪，之后依次传输至ADC采集模块、FPGA、DDR缓存模块、数据传输模块和上位机。数据传输模块和上位机。数据传输模块和上位机。


技术研发人员：段发阶 鲍瑞伽 傅骁 牛广越 蒋佳佳 余珍鑫 刘文正
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/15