某新型航空發(fā)動機測振儀信號電路調(diào)理設(shè)計研究

史志鵬 何輝 王立云 王亞平

摘要：本文提出的航空發(fā)動機測振儀調(diào)理電路結(jié)構(gòu)簡單，低通濾波截至頻率更改方便，通過成熟的濾波芯片和交直流轉(zhuǎn)換芯片使電路穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強，能夠完全滿足在航空發(fā)動機修理過程中，壓氣機、渦輪起動機和機匣等部位振動參數(shù)進行測量。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機;測振儀;電路;芯片;壓氣機;渦輪;振動

國家某新型航空發(fā)動機進行首次試修，相關(guān)修理技術(shù)有待研究。其中壓氣機、渦輪起動機部分是該發(fā)動機的重要組成部分，該部分振動性能參數(shù)正確及穩(wěn)定性，對發(fā)動機工作穩(wěn)定起著至關(guān)重要性，已由于振動參數(shù)問題引起多起危及飛行安全的故障[1]。本文提出一種可靠對的新方法，設(shè)計一種通過模擬電路實現(xiàn)的測振儀表，配合振動傳感器完成航空發(fā)動機壓氣機、渦輪起動機部分振動信號的可靠測量，消除質(zhì)量隱患，保證發(fā)動機在外場飛行使用中的可靠性具有重要意義。該論文研究成果可產(chǎn)生較大的軍事效益和經(jīng)濟效益，可推廣應用到航空發(fā)動機類似零部件振動性能參數(shù)測量工藝制定以及改進。

1 研究設(shè)計思路

振動傳感器將振動信號轉(zhuǎn)換為微弱的交流電壓信號，再由測振儀[2]對該信號進行調(diào)理，測振儀經(jīng)過一個高輸入阻抗放大器后，進入濾波電路，再經(jīng)直流轉(zhuǎn)換后輸出給數(shù)采系統(tǒng)，完成航空發(fā)動機壓氣機、渦輪起動機振動參數(shù)測量。

2.電路設(shè)計及測試結(jié)果

2.1濾波器設(shè)計

測振儀表電路的核心是高通濾波器和低通濾波器的設(shè)計。濾波器[3～4]是一種選擇通過一定波段的頻率信號，而阻止或衰減其他波段頻率信號的部件，能通過的頻率信號構(gòu)成通帶，被衰減的頻率信號構(gòu)成阻帶。由于測量位置不同，我們設(shè)計的測振儀需要分別通過（50～180）Hz、（50～230）Hz、（50～280）Hz三種頻率范圍的信號，阻止其他頻率信號的通過。

高通濾波器的設(shè)計，我們選擇了4階雙二次濾波器，雙二次濾波器的優(yōu)點是穩(wěn)定性好、易于調(diào)整到需要的響應。

低通濾波器采用的是美國MAXIM公司生產(chǎn)的單片八階低通濾波器MAX297，其頻率特性：過渡比-80dB，典型紋波0.15dB。MAX297內(nèi)置振蕩器，可產(chǎn)生時鐘信號，所以設(shè)計和使用起來極為方便。MAX297的時鐘可調(diào)轉(zhuǎn)角頻率范圍為：0.1Hz～50kHz，時鐘對轉(zhuǎn)角頻率比為50：1;另外MAX297內(nèi)部還有一個獨立放大器，可組成一個二階濾波器，該電路放在開關(guān)電路濾波器前以降低時鐘噪聲。基于該濾波器的優(yōu)良性能，使用時只需改變電路中的電容Clock，就能得到不同截止頻率，這也方便與我們通過改變開關(guān)的位置去接不同的電容，從而得到180Hz、230Hz、280Hz三個不同的截止頻率。

由于數(shù)采系統(tǒng)只能接受（0～10）V 的直流電壓信號，因此還需對通過濾波器后的信號進行處理，我們采用了一片真有效值/直流變換集成芯片AD637（圖2），其優(yōu)點是：使用簡單、調(diào)整方便、所需穩(wěn)定時間短、讀數(shù)準確穩(wěn)定、輸入電壓幅值可達7V，并且采用了峰值系數(shù)補償，在測量峰值系數(shù)高達10的信號時附加誤差僅為1%。在實際設(shè)計應用中唯一的外部調(diào)整元件為絕對值平方的平均電容C22，C22影響到平均值時間、低頻精度、輸出紋波水平及輸出穩(wěn)定時間。RP45、R43為輸出調(diào)零電路，R42、CP3、R46和C21及內(nèi)置緩沖器構(gòu)成輸出二級低通濾波器，可以幫助減小紋波。

2.2測試結(jié)果

以（50～180）Hz頻率范圍為例進行頻率響應試驗，其高、低通濾波器的衰減約為-30dB/倍頻程，結(jié)果符合預期要求。

3 結(jié)論

本文提出的測振儀調(diào)理電路結(jié)構(gòu)簡單，低通濾波截至頻率更改方便，通過成熟的濾波芯片和交直流轉(zhuǎn)換芯片使電路穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強，能夠完全滿足在航空發(fā)動機修理過程中，壓氣機、渦輪起動機和機匣等部位振動參數(shù)進行測量。測振儀表信號調(diào)理電路的性能指標主要是幅頻特性、穩(wěn)定性以及紋波等，配合振動傳感器適用于各種旋轉(zhuǎn)機械振動加速度、速度和位移的測量，在航空發(fā)動機試車過程中有助于對各部位振動參數(shù)的管控。

參考文獻：

[1]場博學.某型發(fā)動機振動故障分析研究[J]，航空維修與工程，2017.

[2]張徐生.便攜式測振儀的研制.華北電力大學，2005.

[3]曾志華.帶通濾波器的優(yōu)化設(shè)計和可制造性分析[J]，西安電子科技大學報，2003.

[4]宋波.調(diào)頻濾波器研制初探[J].軍事通信技術(shù)，2001.

基金項目：一種航空發(fā)動機測振儀表信號調(diào)理電路的設(shè)計

作者簡介：史志鵬，男，陜西，本科，主要從事航空發(fā)動機儀器儀表測試。