航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)檢測電路設(shè)計(jì)思路

趙 鵬 蔡忠春 謝 斌

（中國人民解放軍空軍航空大學(xué) 飛行器與動(dòng)力系，吉林 長春130022）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，它的性能直接影響飛機(jī)的性能和安全。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、渦輪后燃?xì)鉁囟取⑽恢玫葏?shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外場維護(hù)保障的重點(diǎn)。因此，在地面試車時(shí)需要利用航空檢測設(shè)備對(duì)這些主要參數(shù)進(jìn)行檢測以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。現(xiàn)在的檢測設(shè)備多以單片機(jī)或者計(jì)算機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此如何將需要檢測的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡可接收的的信號(hào)并進(jìn)行精確測量就成為電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本文通過理論分析與外場實(shí)踐相結(jié)合對(duì)這些主要參數(shù)的檢測電路的設(shè)計(jì)提出了通用的、基本的設(shè)計(jì)思路。并通過一些具體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計(jì)思路

轉(zhuǎn)速是反映航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能好壞的一個(gè)主要參數(shù)。對(duì)于轉(zhuǎn)速檢測電路的設(shè)計(jì)主要解決的問題是如何將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集卡能夠拾取、接收的電壓信號(hào)，并在快速有效測量的同時(shí)保證測量的精度，從而為外場維護(hù)提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

1.1 轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)是從轉(zhuǎn)速傳感器輸出的。飛機(jī)的外場維護(hù)有著嚴(yán)格的要求，既不能在飛機(jī)上添加任何部件(包括傳感器)，也不能改變和破壞任何線路，這就造成了轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取難的問題。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)通常將飛機(jī)上原有的轉(zhuǎn)速傳感器作為信號(hào)拾取點(diǎn)。

轉(zhuǎn)速傳感器是一個(gè)三相交流測速發(fā)電機(jī)，它感受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并輸出與轉(zhuǎn)速成正比的頻率信號(hào)[1]。轉(zhuǎn)速傳感器的輸出頻率f和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n成正比，關(guān)系式為：

式中：p——交流發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；i—— 減速器減速比。

因此可將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測轉(zhuǎn)換為對(duì)頻率信號(hào)的測量，再將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換器能夠接收的直流電壓信號(hào)。對(duì)于頻率的測量可以采用多種方法，主要有頻壓轉(zhuǎn)換法、測頻法、測周法等，可以視檢測信號(hào)頻率具體選擇。圖1所示的為轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計(jì)思路示意圖。

圖1 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計(jì)思路示意圖

1.2 高精度檢測的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)的地面測量，如何保證精度是轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)及重點(diǎn)。因此對(duì)于檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮如何提高轉(zhuǎn)速的檢測精度，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)的高精度檢測。其主要方法是對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號(hào)通過光電隔離、濾波放大和波形轉(zhuǎn)換等抑制共模干擾，并通過限壓電路保證檢測時(shí)的安全可靠[2]。這樣可以保證測量的準(zhǔn)確性，為機(jī)務(wù)保障提供準(zhǔn)確的信息依據(jù)，提高機(jī)務(wù)保障的效率。

2 渦輪后燃?xì)鉁囟葯z測電路設(shè)計(jì)思路

發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后燃?xì)鉁囟葯z測是發(fā)動(dòng)機(jī)性能檢測的重要內(nèi)容，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后燃?xì)鉁囟韧ㄟ^熱電偶來測量，熱電偶將發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后燃?xì)鉁囟刃盘?hào)轉(zhuǎn)化為熱電勢信號(hào)傳送給溫限系統(tǒng)。

2.1 溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為熱電動(dòng)勢信號(hào)

熱電偶是一種能量轉(zhuǎn)換型溫度傳感器。其由兩種不同導(dǎo)體A和B組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)接觸點(diǎn)溫度不同時(shí)，則在回路中有電動(dòng)勢產(chǎn)生，形成回路電流，產(chǎn)生熱電效應(yīng)。

根據(jù)熱電偶工作原理，熱電偶感受溫度變化輸出熱電動(dòng)勢[3]。熱電偶回路的熱電勢由兩部分組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電勢。其分布如圖2所示。

圖2 熱電偶回路總熱電動(dòng)勢

回路總熱電勢為：

其中：EA(T，T0)和 EB(T，T0)為溫差電動(dòng)勢，EAB(T)和 EAB(T0)為接觸電動(dòng)勢。

當(dāng)熱電極材料確定后，熱電偶總的熱電動(dòng)勢EAB(T，T0)成為溫度T和T0的函數(shù)之差。

2.2 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償思路

熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢是感受熱端溫度所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢與感受冷端溫度所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢的差。因此要檢測熱電偶溫度必須檢測其冷端溫度，才能計(jì)算出熱端溫度[3]。基于此原理對(duì)渦輪后燃?xì)鉁囟葯z測電路的設(shè)計(jì)主要采取熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)乃悸贰?/p>

根據(jù)熱電偶的工作原理，可以通過補(bǔ)償導(dǎo)線把施加到溫度控制器的ET或試車時(shí)T6熱電偶產(chǎn)生的ET通過檢測插座引入到檢測設(shè)備內(nèi)，這相當(dāng)于把熱電偶延長了，這時(shí)到達(dá)T6檢測電路的熱電動(dòng)勢不再是ET而是ET1，然后通過測量ET1和補(bǔ)償導(dǎo)線與檢測電路連接點(diǎn)處的溫度TL（冷端溫度）就可以計(jì)算得到

對(duì)于冷端溫度TL的測量，可將溫度傳感器放置在補(bǔ)償導(dǎo)線與檢測電路的連接點(diǎn)處，溫度傳感器輸出與TL成線性關(guān)系的電流信號(hào)，經(jīng)電阻成正比地轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)UL，再傳入數(shù)據(jù)采集卡，并在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量，控制器讀取該數(shù)字量，經(jīng)過計(jì)算即可以得到TL，得到TL后通過熱電偶在冷端溫度為0℃時(shí)的分度表進(jìn)行反插值就可以得到冷端補(bǔ)償電壓EL。通過計(jì)算機(jī)對(duì)EL、ET1進(jìn)行運(yùn)算就可得T6真實(shí)溫度。

基于這種思路設(shè)計(jì)的冷端溫度檢測電路，已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)代飛機(jī)檢測中，由于此電路具有線性度好、靈敏度高、電路簡單、安全可靠等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。

3 位置檢測電路設(shè)計(jì)思路

航空發(fā)動(dòng)機(jī)位置檢測是發(fā)動(dòng)機(jī)地面檢測的重要項(xiàng)目。尤其是壓氣機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)流葉片位置的變化直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣量，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣量與需氣量不相一致，就可能會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)發(fā)生喘振或者進(jìn)氣道癢振。因此設(shè)計(jì)相應(yīng)的位置檢測電路是必要的。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)位置檢測主要是通過在檢測位置加裝專用電阻式位置傳感器實(shí)現(xiàn)，電阻式位置傳感器將位置的變化轉(zhuǎn)換成與之呈線性關(guān)系的電阻值的變化，然后再經(jīng)阻值測量電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的測量[5]。其示意圖如圖3所示。

圖3 位置檢測電路設(shè)計(jì)思路示意圖

3.1 恒流源阻值檢測電路設(shè)計(jì)思路

對(duì)于阻值的測量主要采用恒流源法。向電阻Rx(電阻式位置傳感器阻值)提供恒定電流Is，通過測量輸出端電壓Ux即可計(jì)算出電阻Rx的阻值。輸出電壓關(guān)系式為：

恒流源的產(chǎn)生方法有很多，有基本恒流源法、基于OP07運(yùn)算放大器的恒流源法等。但實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，這兩種恒流源電路的恒流效果并不理想。基本恒流源電路本身誤差大，基于OP07運(yùn)算放大器的恒流源電路的誤差主要是運(yùn)算放大器正相輸入端電壓的穩(wěn)定性不好造成的。解決的辦法主要是利用高精度的恒壓源輸出穩(wěn)定電壓作為運(yùn)算放大器正相輸入端電壓，這樣可以有效地提高恒流效果。因此在檢測電路的設(shè)計(jì)中一定要結(jié)合實(shí)際需要對(duì)電路進(jìn)行完善。

3.2 高精度檢測電路設(shè)計(jì)思路

對(duì)于恒流源測電阻的電路其主要問題在于能否保證測量的精度，從而為機(jī)務(wù)保障提供準(zhǔn)確的信息。當(dāng)恒流源通過電阻時(shí)輸出一定的電壓，對(duì)于輸出的電壓可以通過減法電路將電壓范圍進(jìn)行放大，并通過放大電路將電壓放大到與數(shù)據(jù)采集卡電壓相一致。這樣就可以提高檢測的精度。其示意圖如圖4所示。

圖4 高精度檢測電路設(shè)計(jì)思路

4 結(jié)論

本文通過理論分析與外場實(shí)踐相結(jié)合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)的檢測電路提出了通用的設(shè)計(jì)思路，不僅提出了檢測電路的設(shè)計(jì)思路，而且有針對(duì)性的提出了高精度檢測電路的設(shè)計(jì)思路。為航空發(fā)動(dòng)機(jī)檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)與升級(jí)提供了基本的設(shè)計(jì)理念。

［1］李曉明，蔡忠春，蔣寧.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的檢測[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，28（2）.

［2］孟凡娟，姚進(jìn)，任德均.飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)檢測與儀表系統(tǒng)的研制[J].機(jī)械，2004，31（8）.

［3］蔡忠春，李曉明，姜曉蓮.航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱電偶冷端溫度檢測電路設(shè)計(jì)[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2011，38（7）.

［4］謝斌，蔣寧，姜濤.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度限制系統(tǒng)檢測儀的硬件設(shè)計(jì)[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（2）.

［5］徐浩.檢測技術(shù)與儀器[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：15－20.