航空發動機中加速度傳感器的應用

美捷特（廈門）傳感器件有限公司 郭琪琦

航空發動機中加速度傳感器的應用

美捷特（廈門）傳感器件有限公司 郭琪琦

發動機是飛機的心臟，為保證飛機操作系統絕對安全可靠、飛行安全，必須在發動機上安裝相應的傳感器，用來測量發動機的工作參數，隨時監控發動機的工作狀態。加速度傳感器在發動機研制、生產和使用過程中，對發動機進行振動測量和監視。目前用于航空發動機振動測量的傳感器主要是磁電式速度傳感器和壓電加速度傳感器。航空發動機振動非常復雜，工作環境又比較惡劣，對振動傳感器的要求非常苛刻，不僅要有好的性能指標，更重要的要具有長時間工作的可靠性和穩定性。

一、航空發動機測振用傳感器

1. 壓電式振動加速度傳感器。壓電式振動加速度傳感器是根據壓電材料具有的壓電效應設計而成的。它輸出的電信號與振動加速度成正比，積分后可以測量振動速度和振動位移。

壓電式振動加速度傳感器的主要特點如下：第一，內部結構堅固，沒有活動部件，是一種慣性式固態傳感器，因而壽命較長。第二，頻率范圍很寬，從幾赫茲到幾千赫茲甚至幾十千赫茲，而且動態范圍很大，能測量從零點幾個g到幾千個g的加速度，這特別適合于寬頻帶振動測量和分析。第三，能夠設計成耐高溫型，能在高溫環境中有效地工作，現在壓電加速度計最高使用溫度為700℃以上，能滿足發動機高溫部位振動測量的要求，可在臺架試車時用于渦輪外環等高溫部位的振動測量。第四，靈敏度高，穩定性好，體積小，重量輕，安裝方便，能進行長時間的振動測量和監視，而且其工作方向是任意的。因此，用于機載振動監視的傳感器大多是壓電式振動加速度傳感器。

但是，由于壓電式振動加速度計的輸出阻抗很高，而且對高頻敏感，因此，使用時必須保證信號輸出插件絕對干燥、清潔和接觸可靠，否則，將產生嚴重的干擾噪聲，影響使用。

2. 磁電式振動加速度傳感器。磁電式振動加速度傳感器是按照電磁感應原理設計而成的，它產生的電信號與振動速度成正比，經過積分電路可以測量振動位移。

磁電式振動加速度傳感器的主要特點是輸出信號大，輸出阻抗低，抗干擾能力和信噪比都比較好，曾廣泛應用于發動機的振動測量，特別適用于裝卸頻繁而環境污染又比較嚴重的發動機臺架試車時的振動測量。但是，由于這種傳感器內部有活動元件，使它的可測頻率范圍，特別是高頻上限受到限制，不能滿足研究的需要，阻礙了它在要求不斷提高的航空發動機振動測量中的進一步應用。另外，磁電式傳感器的壽命也受到內部磨損的影響，且體積較大，不適合用于發動機的隨機振動檢測。

二、壓電式振動加速度傳感器在航空發動機振動狀況監測中的應用

1. 測振加速度傳感器的校準。目前，測振傳感器采用兩種方法來校準：絕對校準和比較校準。

（1）絕對校準法是采用適當的方法直接測定測振傳感器的特性參數。校準時，測振傳感器置于精密的激振臺上承受振動，通過直接測量振動的振幅、頻率和測振傳感器的輸出電量來確定測振器的特性參數。不斷改變試驗的激振頻率，可以校準幅頻特性、相頻特性。改變振幅大小，可以校準測振傳感器的直線性。決定校準精度是振幅、頻率和輸出電量的測量精度，以及振動臺的正弦波。校準精度高，需要使用較高精密的儀器，校準法主要有激光干涉校準法和互易校準法。

（2）比較校準法是取一個經過嚴格校準過的測振傳感器作為基準來和被測傳感器作對比試驗，確定被測傳感器的性能參數。該方法較簡單，試驗時間較短，可以獲取滿足一般要求的校準精度。

2. 測點選擇。航空發動機的振動測量，首先應選擇合適的測振點用于安裝振動傳感器。由于受到傳感器技術水平的限制，傳感器耐受溫度不高、體積較大，只能將測振點選擇在發動機的外部機匣上，而無法直接選在發動機轉子上。測振點離振源比較遠，容易受發動機結構振動的干擾，測量誤差較大。隨著傳感技術的發展，已出現耐高溫、可靠性高、密封性好、防污染能力強的振動傳感器。一些新型發動機在設計時就將測振點從發動機外部移動到內部轉子支承點上。例如，CFM-56發動機就有一測振點選擇在前端風扇的1號軸承座上。由于測點靠近振源，傳感器測出的振動信號更能準確地反映轉子的振動狀況。

3. 振動測量方法。隨著振動測量技術的不斷發展，采用可靠的壓電加速度計測量發動機外部機匣的振動加速度信息，然后將加速度計測出的信號經二次儀表放大，通過濾波器顯示發動機振動加速度總量。必要時選擇窄帶通濾波器或轉速自動跟蹤濾波器，顯示發動機轉速頻率的振動加速度。這種測量方法能夠直接測出發動機的振動加速度，不需要任何換算，減小了測量誤差。由于壓電加速度計堅固耐用，這種新的測量方法已被推廣應用。為保證飛行安全，空中飛行時也需要監視發動機的振動狀況，這已是發動機振動測量技術的新領域。一些先進的運輸機和客機已裝有發動機振動監視系統，操作員能夠通過監視儀表隨時了解發動機的振動狀況。發動機振動監視系統包括壓電加速度計、數字式振動監視儀、連接加速度計和監視儀的電纜、指示儀表、警告和控制裝置。

4. 振動分析。對傳感器獲取的振動信息進行分析，了解發動機的運行狀況，以便及時作出調整、維護。針對振動頻譜的不同頻段進行分析，目前有多種不同的分析方法：通過帶通濾波器測量發動機某一頻段的振動總量，必要時選擇窄帶通濾波器測量某一特定頻率的振動分量，進行簡單的振動分析。這類分析簡單、方便，儀器價格便宜，因此，在國內發動機振動測量中應用最普遍，但測量誤差較大。還可運用快速傅里葉變換技術的數字式振動信號分析儀分析，它可以在測量現場對發動機的振動信號實時地進行頻譜分析，顯示或打印出發動機振動頻譜。另外，可運用機載發動機數字式振動監視儀分析，它能在飛行過程中分析加速度計所測的振動信號，產生并儲存關于發動機振動幅值和相位的數據。

三、對發展航空發動機測振用加速度傳感器的建議

1. 發展航空發動機轉子軸承用加速度傳感器。在外部機匣上測量振動，增加了測量誤差。發展發動機內部測振用傳感器，應具備防污染性強、可靠性好、整體式封裝等特點。同時應開展由于測振點轉移帶來的振動信號的可靠傳輸、振動極限的控制等一系列技術研究。

2. 發展耐高溫加速度傳感器。開發新型耐高溫材料，加強耐高溫傳感器的設計、制造及裝調以滿足發動機機載振動需求。

3. 發展航空發動機測振傳感器校準研究。航空發動機振動傳感器在安裝、信號輸出、整體質量等方面都不同于一般振動傳感器。如高頻響應和高溫響應試驗，通用設備和方法根本不能實現。