微波感知測振技術及其在水輪機壓力鋼管水錘作用下振動形變分析中的應用

黃 波，毛柳明，張亦可，任繼順，張民威，何繼全，李光明

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；2.北京中元瑞訊科技有限公司，北京 100085；3.邵陽學院機械與能源工程學院，湖南 邵陽 422000)

1 研究背景

1.1 水輪機水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的機理和危害

水輪機在停機以及事故緊急停機過程中，當壓力管道末端的流量發(fā)生極速變化時，管道內將出現(xiàn)非恒定流現(xiàn)象，其特點是隨著流速的改變壓強有較顯著的變化，這種現(xiàn)象稱為水錘(亦稱水擊)。水錘現(xiàn)象是各類水力發(fā)電機組的共有現(xiàn)象，由于發(fā)生水錘時，水錘壓力過高，引起閥門和管道破壞，或水錘壓力過低，管道因失穩(wěn)而破壞，從而引起水輪機組的劇烈振動，以及壓力鋼管的基礎位移、劇烈振動和變形[1]。一般當水流平穩(wěn)地流過壓力鋼管時，鋼管并不會引起振動。但是，若鋼管內產(chǎn)生了壓力波，如在水輪機處，則由于壓力波沿水管的傳播會引起鋼管的振動。當壓力波的振動頻率十分接近某段壓力鋼管的自振頻率時，就會引起共振而發(fā)生劇烈振動。當壓力鋼管的共振頻率發(fā)生改變時，意味著壓力鋼管的剛度發(fā)生改變，必然存在壓力鋼管連接部位發(fā)生松動等缺陷[2-3]。水輪機水錘對壓力鋼管和機組的破壞極其嚴重，甚至對電站廠房的安全造成危害。

水錘現(xiàn)象主要發(fā)生在水輪機運行的以下過程中：①事故緊急停機過程，即運行中的水力動力突然中斷時停機過程。②正常開機、停機、啟閉閥門時，尤其在迅速操作、水流速度發(fā)生急劇變化的情況。

在本文中，以安裝在壓力鋼管附近的非接觸式微波雷達測振系統(tǒng)為基礎，利用其多點同步測量的特征，同步測量壓力鋼管進水閥前后的多點位的振動、位移實時信號，通過對實時數(shù)據(jù)的自動化分析檢測，實現(xiàn)對壓力鋼管在水錘作用下的實時在線評價。

1.2 傳統(tǒng)壓力鋼管動態(tài)形變狀態(tài)分析評價方法

目前，針對水力機組壓力鋼管振動形變監(jiān)測分析主要通過振動在線測量監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)，并未有專門針對水錘作用下壓力鋼管的振動、位移及形變的監(jiān)測技術和分析評價方法。就目前所采用的技術而言，主要存在2種缺陷[4-5]。

1.2.1 測量技術缺陷

目前，針對壓力鋼管的振動、位移測量主要采用加速度振動傳感器、磁電式低頻振動傳感器、電渦流型非接觸位移傳感器、激光位移傳感器等測量方式，其優(yōu)缺點如下：

(1)傳統(tǒng)形變位移/振動測量方法。①加速度振動傳感器(接觸式)是通過焊接安裝固定在壓力鋼管上。優(yōu)點為傳感器頻響較高，適合測量水錘引起的中高頻共振信號。缺點為無法準確測量低頻振動信號，無法測量壓力鋼管的位移形變，多點測量需布設多個傳感器。②磁電式低頻振動傳感器(接觸式)也是通過焊接安裝固定在壓力鋼管上。優(yōu)點為適合測量壓力鋼管中的低頻振動位移信號。缺點為水錘沖擊引起傳感器本體失穩(wěn)，導致測量失效，對于0.5 Hz以下頻率無法準確測量，無法測量壓力鋼管的位移和形變，多點測量需布設多個傳感器。

(2)電渦流型非接觸位移傳感器(非接觸式)測量方法。安裝方式為趨近測點位近距離支架固定安裝。優(yōu)點為精度高，能同時測量到壓力鋼管的振動和位移形變。缺點為需制作金屬安裝支架固定位移傳感器，易受到鋼管支座振動、支座位移的影響，支架自身晃動也帶來測量誤差，多點測量需布設多個傳感器。

(3)激光位移傳感器(非接觸式)測量方法。安裝方式為面對壓力鋼管測點位一定距離上安裝。優(yōu)點為能同時測量壓力鋼管振動和位移形變，精度高，能避免鋼管支座振動及支座位移影響。缺點為極易受到光線、溫度、濕度的影響，多點位測量需布設多個傳感器，安裝難度較大。

1.2.2 分析評價方法缺陷

目前針對壓力鋼管振動/形變的狀態(tài)分析評價方法，主要依據(jù)壓力鋼管的振動信號的峰峰值、有效值等，做出一般性的分析評價，并不結合機組運行工況，針對水錘作用下的壓力鋼管振動形變做針對性的分析評價。另外，對于水錘作用下引起的共振信號的變化(頻率和強度)、水力激振的強度等關鍵特征的識別與評價，并無考慮。

總之，迫于現(xiàn)有技術在高可靠性及惡劣環(huán)境適應性方面存在較大的局限性，迫切需要探索先進的針對壓力鋼管的形變及振動測量新技術與新方法，也需要探索能全面反應壓力鋼管振動形變的分析評價技術。

2 微波感知測振技術

2.1 微波測振技術概述

連續(xù)波微波雷達通過發(fā)射特定頻率的電磁波信號并接收回波信號，通過基帶信號處理實現(xiàn)目標探測，主要通過時差計算與多普勒頻移實現(xiàn)目標距離和速度信息的檢測。近些年來，基于微波雷達的微運動感知研究得到了大量關注和進展，但在結構形變與振動測量方面的研究較少。此外，針對大型工程結構的高精度形變與振動監(jiān)測，常需要同步監(jiān)測多個測點，需解決多測點精確分辨與振動信息反演、鄰近目標耦合干擾和雜波干擾抑制等難題[6]。

針對上述問題，近年來，上海交大團隊提出了基于微波感知的多點同步形變及振動測量新方法與技術，通過建立微波多點測振原理和振動信息反演提取方法實現(xiàn)大型結構的非接觸式多點同步形變及振動監(jiān)測，且在戶外大型橋梁結構的動態(tài)響應監(jiān)測、航天柔性桿結構的模態(tài)測試等項目中得到應用驗證[6-7]。

具體到水輪機壓力鋼管振動形變的測量要求，同樣需要解決多測點同步形變振動測量問題，而且需要保證0～400 Hz的頻率響應性能。本文將從以上方面討論微波雷達測振在水機測量上的可用性。

2.2 微波形變與振動測量原理及方法

常規(guī)的LFMCW(Linear Frequency-Modulated Cont-inuous Wave)雷達發(fā)射線性頻率調制的電磁波信號并接收目標反射的回波信號，通過計算回波信號的延遲時間實現(xiàn)距離信息測量。基于微波雷達原理的振動測量系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 微波測振原理示意

微波測振系統(tǒng)主要由連續(xù)波微波雷達、數(shù)據(jù)采集模塊和計算處理計算模塊組成。微波雷達用于發(fā)射和接收連續(xù)微波信號，基于干涉相位調制信息反演振動信息；數(shù)據(jù)采集模塊用于采集雷達基帶信號；計算處理計算模塊用于雷達控制以及基帶信號的處理。典型的連續(xù)波微波雷達零差結構由射頻振蕩器、功率放大器、低噪聲信號放大器、功分器、混頻器和收發(fā)天線等組成。其中CW雷達的射頻振蕩器產(chǎn)生固定頻率的微波信號，LFMCW雷達的射頻振蕩器產(chǎn)生三角波或鋸齒波作為調頻波頻率調制的微波信號。基于LFMCW雷達的微波振動測量的基本思想為相位干涉測量，相鄰時刻目標的振動位移變化Δv為[8-9]

Δv(t)=λΔφ(t)/4π

(1)

式中，Δφ(t)為相鄰時刻干涉相位變化；λ為載波波長；t為時間。多掃頻周期的LFMCW雷達發(fā)射與接收信號瞬時頻率如圖2所示。

圖2 多掃頻周期的LFMCW雷達發(fā)射與接收信號瞬時頻率示意

針對LFMCW 雷達的微波振動測量的原理為跨越多掃頻周期的干涉相位演變追蹤。考慮到掃頻周期往往較短，遠小于被測對象的振動頻率，在單個掃頻周期被測量對象的振動位移可以認為未變化。因此，在第i個掃頻周期內，基帶的差拍信號為[1-2]

Yb(iT+t)≈Xi(t)Exp[j(2πfbt+φi)]

(2)

fb=2BR0/cT，φi=4πR0/λ0+4πv(iT)/λc

(3)

式中，Xi為第i個掃頻周期基帶差拍信號的幅值；λ0和λc分別為初始和中心載波頻率對應的波長；c為電磁波傳播速度；fb為差拍頻率；φi和v(iT)分別為第i個掃頻周期時間內差拍信號的初始相位和目標振動位移。通過上述信號模型表示和公式推導，可以看出基帶信號的干涉相位信息與目標物體的振動位移時域信息成線性關系。因此，通過基帶信號的干涉相位演變追蹤可以得到相鄰掃頻周期振動位移時域信息的變化量為[2]

Δv(t)=λcΔφ(t)/(4πcos(φ))

(4)

式中，Δφ(t)和Δv(t)分別為相鄰掃頻周期基帶信號相位信息的變化量和振動位移的變化量；φ為目標振動方向與雷達波束視線的夾角，進而由位移變化量反演目標振動位移時域信息。當毫米波雷達視場范圍內存在多個目標時，不同目標反射的回波信號均會被雷達接收，則雷達接收到的多目標分量混疊耦合。因此，第i個掃頻周期雷達基帶差拍信號可簡化表示為

(5)

式中，L為雷達視場范圍內可探測的目標分量個數(shù)；Xl，i(t)、fl，i、φl，i分別為第l個目標分量在第i個掃頻周期的幅值、差拍頻率和相位。通過對基帶信號進行頻譜分析，根據(jù)式(3)進行多目標距離的計算分辨，并針對相鄰目標分量進行信號解耦分解，最后對各目標分量開展跨越多掃頻周期的相位演變追蹤，通過式(4)反演計算各目標的振動位移時域信息。

另外，掃頻頻率和發(fā)射帶寬(針對FMCW(Frequency-Modulated Continuous Wave)雷達)根據(jù)被測對象的固有頻率量級與范圍等先驗知識，選擇掃頻頻率，可設置為被測對象最高分析頻率的10～100倍[1]。具體到水輪機壓力鋼管振動形變的測量要求，可設置掃頻頻率為4 000 Hz以上，就可以有效保證400 Hz的振動測量頻率響應性能[6，10]。另外從測量原理上講，微波雷達測振技術能夠測量超低頻振動信號，這一點也是傳統(tǒng)磁電式低頻振動傳感器所無法比擬的。本文采用的微波測振裝置技術參數(shù)為：測量頻率范圍0～400 Hz，振動測量精度不低于10 μm，形變位移測量范圍1 000 mm內。

3 微波感知測振技術在水輪機水錘效應下壓力鋼管動態(tài)振動形變分析中的應用

3.1 在線測量點位方案

在本方案中，基于微波感知測振技術的在線測量測點位按照如圖3、4方式布設。

圖3 測量點位俯視示意

圖4 測量點位后視示意

(1)進水閥前振動Pf測點。安裝點位為進水閥伸縮節(jié)前的壓力鋼管明管段某斷面上，朝向該斷面的水平方向，并通過粘貼方式布設一個角反射器，用于增強雷達反射信號。角反射器水平朝向微波雷達測振儀。

(2)進水閥本體振動Pv測點。安裝點位為進水閥本體上中心斷面上，該測點朝向該斷面的水平方向，并通過粘貼方式布設一個角反射器，用于增強雷達反射信號。角反射器水平朝向微波雷達測振儀。

(3)進水閥后振動Pr測點。安裝點位為進水閥后的壓力鋼管明管某斷面上，該測點朝向該斷面的水平方向，并通過粘貼方式布設一個角反射器，用于增強雷達反射信號。角反射器水平朝向微波雷達測振儀。

(4)壓力鋼管支座振動Pb測點。安裝點位為壓力鋼管支座上，該測點朝向該斷面的水平方向，并通過粘貼方式布設一個角反射器，用于增強雷達反射信號。角反射器水平朝向微波雷達測振儀。

(5)機組轉速、發(fā)電機出口開關、有功功率測點。安裝點位為從電站監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通訊方式引入。

3.2 壓力鋼管在線振動形變狀態(tài)分析

在本文中，微波雷達測振儀的內部計算處理模塊實時連續(xù)同步采集上述4個測點的原始振動、位移波形信號，并從監(jiān)控系統(tǒng)實時讀取機組轉速、發(fā)電機出口開關、機組有功功率信號，根據(jù)本文提出的分析評價方法實現(xiàn)對水錘作用下對壓力鋼管振動、形變的評價。由于水錘效應主要出現(xiàn)在機組開停機以及事故緊急停機過程中，尤其以事故緊急停機過程尤為關鍵，因此在本文重點研究微波雷達振動測量技術在事故緊急停機過程的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)分析評價方法。

正如上文分析，水錘效應會引起鋼管支座位移、鋼管形變和振動等多種特征的變化，因此對壓力鋼管在水錘作用下的狀態(tài)分析需要從支座位移、鋼管形變和振動等多個方面去分析。

3.2.1 事故緊急停機過程數(shù)據(jù)的在線采集

設fs為微波雷達測振裝置的采集頻率，ΔTs為采集周期，ΔTs=1/fs。首先，持續(xù)采集機組轉速、發(fā)電機出口開關、功率信號，記為xr/min(i)、xsw(i)、xpower(i)，i為采樣點。記Rr為機組的額定轉速，Pr為機組額定有功功率。那么從xsw(ik0)=1且xsw(ik0+1)=0，滿足條件0.995Rr≤xr/min(ik0)≤1.005Rr且xpower(ik0)≥0.05Pr(即機組進入事故停機過程)時刻開始，連續(xù)同步采集多點位振動信號，存儲到vpf(i)、vpv(i)、vpr(i)、vpb(i)時間序列中，并同步記錄轉速信號xr/min(t)，直到滿足條件xr/min(i)≤0.01Rr時，停止采集。其中vpf(i)、vpv(i)、vpr(i)、vpb(i)分別為進水閥前測點、進水閥本體點、進水閥后測點、壓力鋼管基礎支座的振動波形時間序列。

3.2.2 壓力鋼管基礎位移和形變特征分析

由于本文所描述的微波雷達測振技術具有同步測量多點位的能力，其多點位的振動信號通過同一套采集和計算處理模塊獲得，因此多點位信號在頻率特性、增益特性以及同步性上具有良好的一致性，故而利用同一套微波雷達測振系統(tǒng)測量得到的多點位之間的數(shù)據(jù)比較是可行的。在本文中，利用微波雷達測振這一特性對壓力鋼管的基礎位移和形變特征進行分析。具體方法為：以1 s時長為單位，分段截取vpf(i)、vpv(i)、vpr(i)、vpb(i)的原始振動時間序列信號，并計算進水閥前測點、進水閥本體測點、進水閥后測點、壓力鋼管基礎支座測點每一段時間振動信號的平均值形成新的時間序列Apf(j)、Apv(j)、Apr(j)、Apb(j)。以過程起始時刻測值為基準點，計算全過程相對于支座的形變/位移時間序列，并計算過程最大基礎位移和形變特征，計算方法為

Dp_base=max(Apb(j)-Apb(0))

(6)

Df_pf=max((Apf(j)-Apb(j))-(Apf(0)-Apb(0)))

(7)

Df_pr=max((Apr(j)-Apb(j))-(Apr(0)-Apb(0)))

(8)

Df_pv=max((Apv(j)-Apb(j))-(Apv(0)-Apb(0)))

(9)

式中，j=0，…，n；n為全過程平均位移數(shù)據(jù)序列的總數(shù)量；Dp_base為壓力鋼管基礎位移；Df_pf為進水閥前壓力鋼管最大形變；Df_pv為進水閥本體最大形變；Df_pr為進水閥后壓力鋼管最大形變。

3.2.3 壓力鋼管振動狀態(tài)特征的分析

在事故緊急停機過程，由于流量的減小導致輸入水流力矩減小，同時轉輪入口水流速度減小進而導致水泵水輪機偏離最優(yōu)工況點，并引起過流部件內壓力脈動的急劇上升變化，從而引起壓力鋼管和進水閥的振動。主要的振動成分包括[11-12]：

(1)轉輪葉片通過頻率振動及其二階頻率振動，測試表明該頻率振動是水錘作用下，壓力鋼管的主要振動頻率，尤其是二階頻率振動[10]。該振動信號的振動頻率與機組轉速成正比關系，即

flb(t)=lNbfr(t)=lNbxr/min(t)/60 (l=1，2)

(10)

式中，flb(t)為轉輪葉片通過頻率振動的瞬時頻率；l為階數(shù)，通常只取1、2倍；Nb為機組轉輪葉片數(shù)，這是個固定的數(shù)值；在停機過程、事故緊急停機過程，機組轉速是時變信號，因而該振動信號也是時變信號。

(2)水錘作用下引起的壓力鋼管、進水閥的共振、水力激振，其振動頻率與機組轉速無關[13]。

(3)其他由于壓力脈動引起的振動，其特征是振動幅值、相位不穩(wěn)定，具有一定的隨機性。

(4)其他頻率振動，如機組轉速頻率等。

在壓力鋼管狀態(tài)評價中，需要對上述多種振動信號進行特征識別提取。本文重點討論轉輪葉片通過頻率振動及其二階頻率振動以及共振、水力激振頻率特征的分析與提取方法。

3.2.3.1 轉輪葉片通過頻率振動及其分量的分析提取

由于微波雷達測量到的振動信號中并不包含轉速鍵相信號，直接采用原始振動信號通過傅里葉變換或者短時傅里葉變換提取時變的葉片頻率及其二階頻率進行提取會產(chǎn)生較大誤差，因此，本文提出了采用基于轉速估計的變頻率重采樣方法，實現(xiàn)對葉片頻率及其二階頻率幅值較為精確的分析提取，當然該方法也可以應用于變轉速過程轉頻振動等其他與轉速相關的振動頻率提取與分析。具體如下：

(1)基于分段多項式的機組轉速估計。圖5為某機組事故緊急停機過程轉速變化，可以看出，在事故緊急停機過程中，首先從tt0時刻開始，機組轉速急劇上升，達到最高轉速之后開始單調下降，直至停機。在本文中，采用分段式多項式來逼近機組轉速的變化函數(shù)

圖5 某機組事故緊急停機過程的轉速變化曲線

yr(t)=c0+c1t+c2t2t≥0且t≤tin-tk0

(11)

yr(t)=k0+k1t+k2t2+k3t3t≥tin-tk0

(12)

(13)

(14)

(3)對上述vpf(j)、vpv(j)、vpr(j)、vpb(j)時間序列做快速傅里葉變換，計算獲得各部位振動測點較為精確的轉輪葉片通過頻率振動幅值及其二階振動頻率幅值。

3.2.3.2 壓力鋼管共振及水力激振頻率分量的分析提取

當水錘產(chǎn)生后，在水錘的短時沖擊作用下，可能引起鋼管、進水閥的短時共振，該振動頻率與鋼管和進水閥的剛度、結構有關，與機組轉速無關。另外，壓力鋼管中的水力激振頻率也與轉速無關[13-14]。當水錘的沖擊作用消失之后，共振信號也逐漸衰減消失。而對共振信號特征的識別提取的目的是為用以識別壓力鋼管、進水閥本體的剛度變化，進而評價壓力鋼管、進水閥本體是否產(chǎn)生結構缺陷。在本文中，采用分段頻域疊加平均濾波方法，識別共振頻率以及水力激振頻率并對其幅值進行提取[15]。以進水閥前振動測點為例，具體為：從事故緊急停機過程開始，以Δτ(比如0.5 s)時長為單位，從vpf(i)的原始振動時間序列信號中截取M段時間序列(每組時間序列時長為Δτ)vpf(j0)，…，vpf(jM-1)。分別對上述M組時間序列數(shù)據(jù)vpf(j0)，…，vpf(jM-1)做FFT變換獲得頻域數(shù)據(jù)[Rpf_j0(ω)，Ipf_j0(ω)]，…，[Rpf_jM-1(ω)，Ipf_jM-1(ω)]。其中Rpf_j0(ω)，…，Rpf_jM-1(ω)為M組數(shù)據(jù)對應的頻域實部數(shù)據(jù)，Ipf_j0(ω)，…，Ipf_jM-1(ω)為虛部數(shù)據(jù)。對上述M組實部和虛部分別做累加平均

(15)

(16)

對上述歸一化處理

(17)

那么rpf_j0_M-1(ω)就是M組連續(xù)振動序列經(jīng)過頻譜分段累加平均濾波后獲得歸一化函數(shù)的頻域數(shù)據(jù)。其每個頻率對應的幅值，反應了在這M段振動信號中對應頻率重復出現(xiàn)的時間相關性。如果該幅值趨近于1.0，那么提示該頻率信號重復出現(xiàn)；如果趨近于0，則說明，該頻率的信號并不是重復出現(xiàn)的周期信號。經(jīng)過多疊加重濾波之后，頻率穩(wěn)定的周期性信號會被增強，而頻率變化或者隨機振動信號，則會被抑制或削弱。具體來說，由于轉輪葉片通過頻率振動及其二階頻率振動頻率是個與轉速相關的時變頻率，以及一定隨機性的壓力脈動引起的振動將會在rpf_j0_M-1(ω)中削弱，而不隨轉速變化的共振信號或者水力激振的信號被增強。M組數(shù)越大，對共振信號的增強效果越好。

從rpf_j0_M-1(ω)查找|rpf_j0_M-1(ω)|趨近于1.0的頻率，該頻率就是該測點位的共振頻率或者水力激振頻率。對vpf(j0)…vpf(jM-1)分別采用FFT計算其頻域幅值數(shù)據(jù)，并計算共振頻率對應的振動幅值，并從其中計算最大值，則對應該過程共振頻率的幅值。

采用相同方法，計算進水閥本體測點共振頻率及共振幅值及進水閥本后壓力鋼管測點共振頻率及共振幅值。

3.2.3.3 其他振動特征參數(shù)的提取

其他振動特征參數(shù)包括振動信號峰峰值、振動信號有效值、振動信號峭度值和振動信號偏度值等，在本文中不再贅述。

4 測試案例分析

4.1 實驗室對比測試

為了驗證微波振動測量技術和準確性和有效性，在實驗室激振器臺面上布設磁電式低頻振動傳感器以及電渦流傳感器測量振動。同時在激振器臺面上布設角反射器，微波振動雷達同步測量激振器臺面振動。給定不同頻率下的正弦波信作為激勵信號，驅動激振器做單一頻率的振動，波形如圖6所示。

圖6 對激振器臺架上單一頻率振動不同測量方式測量獲得的振動波形

對上述3種測試方法同步測試并計算振動峰峰值，測試結果對比如表3所示。

表3 不同頻率振動下不同傳感器測量峰峰值對比

從表3中可以看出，微波測振雷達測量結果與電渦流測量的峰峰值誤差不超過5.0%；另外，對于0.3 Hz的低頻振動信號，微波雷達測振的誤差僅為2.9%；而對照磁電式傳感器，該傳感器對于0.3 Hz的低頻振動信號測量誤差達到了63.5%，從而也證明了微波測振雷達良好的超低頻測量性能。

4.2 機組測試數(shù)據(jù)分析

4.2.1 轉輪葉片振動狀態(tài)特征通過頻率振動分量及其倍頻的分析提取

圖7 某機組事故緊急停機過程進水閥后振動信號未經(jīng)重采樣的頻譜

圖8 某機組事故緊急停機過程進水閥后振動信號經(jīng)重采樣的頻譜

表4為不同方式計算頻率特征值對比，可以看出，直接采用原始定時采樣數(shù)據(jù)計算頻率幅值與重采樣數(shù)據(jù)計算頻率幅值相比有較大誤差，采用轉速跟蹤重采樣方法能提高相關特征頻率的計算精度。

表4 不同方式計算頻率特征值對比

4.2.2 壓力鋼管共振及水力激振頻率分量的分析提取

圖9為某機組事故緊急停機轉速變化過程中進水閥后壓力鋼管振動測點的振動信號時間分段頻譜。從圖9可以看出，在該過程中，機組轉速從150 r/min上升到207 r/min。從頻譜中可以看出，信號中包含了葉片通過頻率(16～22 Hz之間)、二階葉片通過頻率(優(yōu)勢頻率)、20 Hz以上的壓力脈動引起的振動信號、在75～80 Hz之間的固定頻率成分，該頻率應為共振頻率或者水力激振頻率，其頻率幅值甚至小于二階葉片通過頻率的幅值。經(jīng)采用本文提出的頻譜分段累加平均濾波(Δτ設定為0.5 s，M設定為16)之后，其歸一化頻譜如圖10所示。

圖9 緊急事故過程的轉速變化過程中進水閥后壓力鋼管振動分段頻譜

圖10 分段累加平均后濾波后的歸一化頻譜

從圖10中可以看出，75～80 Hz之間的共振頻率被增強了，其歸一化幅值為1.0，而葉片通過頻率(16～22 Hz之間)則被抑制到0.6左右，其二階頻率則被削弱到0.5以下。其他的頻率成分則被抑制到0.1以下。由此，識別出該機組在事故停機轉速上升過程中存在約78 Hz的不隨轉速變化的振動頻率成分，該振動應該為壓力鋼管的共振頻率或為水力激振頻率。再從原始進水閥后壓力鋼管振動信號經(jīng)FFT分解，計算78 Hz頻率對應的最大幅值約為70 μm，從而準確提取到過程中壓力鋼管的共振頻率或水力激振頻率。通過持續(xù)監(jiān)測該特征的頻率變化和幅值變化，則可用于評價壓力鋼管、閥體的松動、剛度變化等缺陷。

5 結 語

本文研究了微波感知測振技術及其在水輪機水錘作用下壓力鋼管的振動形變狀態(tài)評價方面的應用，并通過實際測試數(shù)據(jù)的對比分析證明了該方法的有效性和實用價值。從實際意義來說，基于微波感知測振技術具有多點位同步測量、非接觸式測量、幅值精度較高、能同時測量形變位移和微振動的特點，而且能適應溫度變化較大、濕度較高等惡劣環(huán)境下振動的測量。具體到微波雷達測振技術在壓力鋼管狀態(tài)測量分析評價應用，本文也提出了基于轉速估計變頻率重采樣方法的葉片通過頻率等振動倍頻提取技術和基于頻譜累加平均濾波方法提取共振、水力激振等頻率特征的方法，用以提高壓力鋼管振動特征參數(shù)的準確性和有效性，從另外一個側面，驗證了微波測振技術的頻率特性在水電機組壓力鋼管振動形變測量的適應性。