滑油壓力表信號測量和處理電路設(shè)計

楊軍鋒 ，杜 軍 ，蘇 磊 ，楊 樸

(1．空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安 710038;2．陸軍航空兵學(xué)院，北京 101123)

飛機(jī)發(fā)動機(jī)滑油壓力參數(shù)是衡量飛機(jī)發(fā)動機(jī)是否正常工作的重要依據(jù)[1]，尤其在飛機(jī)科學(xué)維修、故障預(yù)防預(yù)測以及飛行事故調(diào)查時，飛行參數(shù)記錄設(shè)備(簡稱飛參)能否對壓力參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確記錄則是處理問題的關(guān)鍵[2]。

1 滑油壓力測量現(xiàn)狀

滑油壓力由壓力表系統(tǒng)進(jìn)行測量指示，該系統(tǒng)是一種二線磁電式儀表系統(tǒng),由壓力傳感器和指示器構(gòu)成[3]，原理電路如圖1所示。圖1(a)是直流磁電壓力表原理電路，圖1(b)是交流磁電壓力表原理電路，系統(tǒng)中的傳感器在油壓作用下改變指示器中兩個工作線圈的電流比值，此電流比與滑油壓力成一定函數(shù)關(guān)系，而指示器中指針的轉(zhuǎn)角與該電流比也成同樣的函數(shù)關(guān)系?，F(xiàn)在飛機(jī)所裝備的飛參記錄設(shè)備利用測量 (圖 1中A、B兩點)電壓的方法來計算滑油壓力，從多年來的使用情況看，飛參記錄的滑油壓力值誤差很大，嚴(yán)重影響了發(fā)動機(jī)工作性能的正確判定。從壓力表的工作原理可知，用A、B兩點的電壓計算滑油壓力，此方法存在原理性錯誤，因此，必須對其進(jìn)行改進(jìn)，才能保證滑油壓力的準(zhǔn)確測量。

2 壓力信號提取方法研究

2.1 壓力表工作原理分析

交、直流壓力表的工作原理相似，本文就以交流壓力表為基礎(chǔ)討論壓力信號測量方法。

滑油壓力表簡化等效原理電路如圖1(c)，指示器指針的轉(zhuǎn)角與電流比值成一定的函數(shù)關(guān)系，即:

電路中,

圖1 滑油壓力表原理電路

其中,RX=kRL，k由電路參數(shù)決定，是一個常數(shù)，令 γ=△R/RL，得:

可見，電流比只與傳感器阻抗的相對變化量有關(guān)，也就是說指針轉(zhuǎn)角只與傳感器阻抗的相對變化量有關(guān)，單值地反映壓力的變化情況。

2.2 壓力與U AB的關(guān)系

根據(jù)簡化等效電路可得

忽略微小項 γ2，有:

可見，UAB不僅與傳感器阻抗的相對變化量成正比，還與電源電壓成正比。因此單純測量UAB不能計算出壓力值，除非使用恒壓源供電方式，UAB才僅與γ成正比，單值地對應(yīng)壓力值。表1是不同電源電壓下測得UAB的實際數(shù)據(jù)。從表1可見，UAB隨著電源電壓正比例變化。

在飛機(jī)上,壓力表系統(tǒng)由DC27V供電或由AC 115 V/400 Hz經(jīng)變壓器降至約36 V供電，這兩種電源的波動同樣會正比例地傳遞給電壓測量系統(tǒng)，飛行中兩種電源的電壓波動都非常大，會造成很大的壓力測量誤差。由此可見，僅測量UAB是不能準(zhǔn)確計算壓力數(shù)值的。

表1 不同電源電壓下的U AB值

實際情況是，在飛機(jī)上不可能專門給滑油壓力表系統(tǒng)提供恒壓電源。從壓力表系統(tǒng)的原理及式(3)、式(5)可知，只要想辦法去除電源電壓的影響，就可以從根本上解決準(zhǔn)確測量的問題。

2.3 改進(jìn)方法研究

2.3.1 增加電源電壓U的測量用以修正UAB

在現(xiàn)有測量的基礎(chǔ)上增加一個測量參數(shù)——電源電壓U，以在36 V供電情況下的參數(shù)為基準(zhǔn)，用式(6)對UAB進(jìn)行修正，然后根據(jù)P～UAB對應(yīng)關(guān)系計算壓力數(shù)值，即:

2.3.2 測量電壓UA和UB，用電壓比計算壓力

如圖 1，如果選擇參考點1，可得：

則有:

由式(7)可見，電壓比與電流比一樣，僅與傳感器阻抗的相對變化量有關(guān)，可以單值地反映壓力的變化。這樣一來，就有如下兩種改進(jìn)方法實現(xiàn)對滑油壓力進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。

方法一 若飛參中有可擴(kuò)展的模擬信號測量通道，則將原測量UAB的電路在增加了參考點后改成測量UA和UB,測試程序中壓力測量函數(shù)改成P=fB(UB/UA)就可準(zhǔn)確測量壓力。該方法飛參改動大，既要對飛參系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行改造，又要對壓力計算函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

方法二 飛參外部 (即在飛機(jī)上)加裝電壓UA和UB測量電路，并完成UB/UA運(yùn)算，計算結(jié)果從原通道送給飛參系統(tǒng)，飛參系統(tǒng)硬件不作任何改動，只對壓力計算函數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整，即可完成壓力的準(zhǔn)確測量。

目前，由于飛參系統(tǒng)可用于擴(kuò)展的模擬輸入通道很緊張，對飛參系統(tǒng)硬件改動的難度很大，故方法二是最佳的改進(jìn)方法。

3 電壓U A和U B信號測量處理電路設(shè)計

3.1 信號特性分析

從圖1可知，對于直流磁電儀表，電壓的測量相對要簡單一些，而交流表則復(fù)雜一些，其兩條電流支路是半波整流電路，即流過各支路的電流是半波脈動直流。若取參考點 1，則測得的 UA和 UB波形見圖 2,其中(a)、(d)是完整波形，可見出現(xiàn)了嚴(yán)重的畸變，這是由于電路中存在感性元件的緣故；(b)、(c)是壓力為零時 UA和UB的正半周有效波形，(e)、(f)是壓力為8 kg/cm2時 UA和 UB的正半周有效波形。通過分析可知，只要正確提取每個電壓的正半周信號，濾波后再完成UB/UA運(yùn)算，壓力就可準(zhǔn)確計算。同理，若取參考點2，據(jù)圖3所示波形可知，只要正確提取每個電壓的負(fù)半周信號，然后完成UB/UA運(yùn)算，壓力同樣可準(zhǔn)確計算。

圖2 選擇參考點1時的電壓波形

圖3 選擇參考點2時的電壓波形

3.2 信號測量和處理電路設(shè)計

通過信號分析可知，“同相輸入正輸出”半波整流電路可用于圖2所示有效電壓信號的測量，“反相輸入正輸出”半波整流電路可用于圖3所示有效電壓信號的測量[4]。圖 4就是設(shè)計的半波整流電路，圖中C1和C2的作用是濾波，即將脈動直流信號濾成比較平滑的直流信號，開關(guān)K用于切換不同參考點時的整流方式。當(dāng)選擇參考點1時，K應(yīng)為圖中同相輸入位置，否則應(yīng)選擇向下反相輸入位置，整流器的增益為1/4。

3.3 模擬混合四則運(yùn)算電路設(shè)計

為了使處理電路的輸出能夠適應(yīng)不同的測試需求而設(shè)置了參數(shù)K1和K2調(diào)整電路[5]，以完成如下計算：

圖5是按式(7)設(shè)計的運(yùn)算電路，其核心運(yùn)算器U6是模擬混合四則運(yùn)算電路，其中U3為緩沖器，U4和其外圍的各元件構(gòu)成了一個同相放大器,以調(diào)整參數(shù)K1，U5和其外圍的各元件構(gòu)成了參數(shù)K2調(diào)整電路，U7為2.5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓源。當(dāng)設(shè)定時，電路對滑油壓力表系統(tǒng)進(jìn)行信號處理的結(jié)果在表2、表3中列出。

圖4 半波整流器檢測有效信號電路

圖5 四則運(yùn)算電路

3.4 測量結(jié)果分析

從表3中的計算誤差可見,電源電壓超出36 V±10%且在極端壓力時測量誤差超過1.0%,但小于2.5%;當(dāng)電源電壓在36 V±10%以內(nèi)時,電路測量誤差小于1.0%，且?guī)缀醪浑S電源電壓的波動而變化.由此證明：用半波整流和模擬混合四則運(yùn)算電路組成的壓力信號測量電路可以準(zhǔn)確地測算壓力表系統(tǒng)的電壓比UB/UA，并方便地以合適的直流模擬電壓形式傳遞給飛參系統(tǒng)，壓力數(shù)值計算準(zhǔn)確。

表2 壓力表供電電壓36 V時的U B/U A值

表3 不同電源電壓時各值及其相對誤差

3.5 誤差分析

通過對壓力給定設(shè)備、實驗電路進(jìn)行分析，測試中出現(xiàn)誤差的原因主要有以下三個方面：(1)壓力給定設(shè)備誤差，會對測量造成一定的影響。(2)從測量數(shù)據(jù)來看，傳感器兩個電感線圈存在一定的不對稱誤差，尤其在電源電壓超過±10%以后，其不對稱性造成的非線性誤差加大。且傳感器對稱中點(4.0 kg/c)有一定偏差，也增加了測量的誤差。(3)在測量電路中，由于使用的運(yùn)算放大器沒有設(shè)置失調(diào)調(diào)整電路，故放大器失調(diào)也造成了一定的測量誤差。

實驗證明，用半波整流電路結(jié)合模擬混合四則運(yùn)算電路可以很好地完成UB/UA的測算，從而可以不改變飛參設(shè)備內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，通過在飛機(jī)上加裝測量電路，實現(xiàn)將與滑油壓力成函數(shù)關(guān)系的直流電壓信號從原輸入電路送給飛參設(shè)備，實現(xiàn)滑油壓力的準(zhǔn)確測量。

[1]劉波,周強(qiáng),程禮.構(gòu)建航空發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型[J].推進(jìn)技術(shù),2005,26(6):556-559.

[2]馬壯,程禮.航空發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)壓力模型研究[J].航空動力學(xué)報,2004,19(3):398-401.

[3]楊軍鋒,邱先強(qiáng).某型飛機(jī)發(fā)動機(jī)三用表的故障及其改進(jìn)[J].航空維修與工程，2003(6):42-44.

[4][美]戴維德F斯圖特.運(yùn)算放大器電路設(shè)計手冊[M].北京：人民郵電出版社,1983.

[5]何希才.常用集成電路應(yīng)用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.