基于ECT的航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉建英，于海亭，薛 倩，李新健

(1.中國民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津，300300；2.南航河南分公司，河南新鄭 451100)

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基于ECT的航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉建英1，于海亭1，薛 倩1，李新健2

(1.中國民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津，300300；2.南航河南分公司，河南新鄭 451100)

通過檢測分析飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油，能夠反映發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。文中設(shè)計(jì)基于Xilinx Spartan-6系列FPGA芯片的ECT(electrical capacitance tomography)檢測系統(tǒng)。采用DDR Π存儲(chǔ)器和USB總線技術(shù)，顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。同時(shí)應(yīng)用數(shù)字正交解調(diào)代替模擬解調(diào)，有效提高了解調(diào)實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)精度。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)處理速度快、工作穩(wěn)定、采樣精度高，能滿足實(shí)際測量需要。

滑油檢測；ECT；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；DDR Π；正交解調(diào)

0 引言

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是一種對安全性、穩(wěn)定性要求極為苛刻的大型設(shè)備。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工藝復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境惡劣，航空維修業(yè)一直難以對其進(jìn)行精準(zhǔn)快速的檢測。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中由于機(jī)械磨損等原因會(huì)產(chǎn)生金屬屑等，金屬屑與潤滑油混合為兩相流體。通過檢測、分析滑油與固體顆粒兩相流特性，可以實(shí)時(shí)地反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)維修提供可靠信息[1]，進(jìn)而減少故障，降低運(yùn)營成本。

ECT技術(shù)的工作原理是不同的介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)，通過測量管道上分布的傳感器電極對間的電容值，重新構(gòu)建管道內(nèi)介電常數(shù)的分布，進(jìn)而獲取管道截面上各相分布信息數(shù)據(jù)，是一種無輻射、可視化、實(shí)時(shí)性高(可達(dá)1500幅/s)、可靠性強(qiáng)的無損檢測技術(shù)，目前多用于固/液、油/氣等兩相流體的檢測，如密相煤粉灰氣力輸送過程檢測等[2]。

圖1是ECT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖，由以下幾個(gè)部分組成[3]：電極陣列(傳感器)、數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理部分、圖像重建與分析顯示部分以及控制和激勵(lì)信號(hào)發(fā)生部分。

圖1 ECT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于電容層析成像技術(shù)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油油路檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)采用Spartan-6系列XC6SLX16-2CSG324,對14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9240進(jìn)行時(shí)序控制滿足乃奎斯特采樣定律完成C/V 轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)的采樣，然后將A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到DDR Π存儲(chǔ)器中。通過一定的濾波算法以及正交解調(diào)處理后，利用CY68013從控的方式將處理后的數(shù)據(jù)通過USB總線傳送給PC機(jī)以完成成像部分。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分是ECT系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由C/V轉(zhuǎn)換模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊和USB總線數(shù)據(jù)通信模塊四部分組成[4]。

2.1 C/V轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

微小電容測量是ECT系統(tǒng)所面臨的重要難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，首先：測量動(dòng)態(tài)范圍大。例如，相對電極和相鄰電極間的電容值一般相差幾十倍，這就要求硬件系統(tǒng)提出要求：既能對微弱電容值有較高的分辨率，又要避免在測量大電容時(shí)產(chǎn)生電路飽和的問題。其次是抗雜散電容能力。對于系統(tǒng)中的16電極環(huán)形陣列，被測的電容值要比耦合產(chǎn)生的雜散值小很多。屏蔽電纜線和開關(guān)控制芯片輸入引腳的電容是產(chǎn)生雜散電容的主要途徑。屏蔽電纜產(chǎn)生的雜散電容約100pF/m[5]；由于要測信號(hào)與電路產(chǎn)生的耦合電容處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，必然會(huì)對有用信號(hào)造成相當(dāng)大的影響。

消減雜散電容的干擾影響，可以通過減少耦合路徑及減少耦合電容的方法同時(shí)采用典型微小電容測量電路，這種電路具有比較好的抗雜散電容能力。交流C/V轉(zhuǎn)換電路具有信噪比小，輸出穩(wěn)定精確等優(yōu)點(diǎn)使其在微弱電容測量電路中得到了廣泛應(yīng)用[6]。其原理如圖3所示。

圖3 C/V轉(zhuǎn)換電路

電路中，C1與激勵(lì)信號(hào)Vi(t)并聯(lián)，其上的電流直接接地?zé)o法通過運(yùn)放，因此這部分雜散電容不會(huì)對輸出Vo(t)產(chǎn)生干擾；雜散電容C2，一端與運(yùn)放反相端連接，處于虛地狀態(tài)，另一端直接接地，兩端電壓差為零，不產(chǎn)生電流，可知流入運(yùn)放的電流都是Vi(t)經(jīng)Cx產(chǎn)生的與雜散電容無關(guān)因此該電路可以抑制雜散電容對測量信號(hào)的干擾。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換電路的的精度和速度直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度和速度，系統(tǒng)應(yīng)用AD9240芯片。AD9240 是一款14位，單電源供電，最高采樣速度高達(dá)10MSPS的高性能AD轉(zhuǎn)換器。芯片使用了分階段差分流水線架構(gòu)，同時(shí)采用數(shù)字輸出錯(cuò)誤校正邏輯，以確保在各溫度范圍內(nèi)輸出的正確性;該芯片提供了OTR位輸出，用來判斷輸入是否在允許范圍之內(nèi);AD9240的模擬輸入范圍比較寬松，直流或交流耦合的單端或差分輸入[7]都可以應(yīng)用在此芯片。如圖4所示。方便起見本系統(tǒng)采用了單端輸入的交流耦合方式。

圖4 AD9240單端輸入方式

在該模式下，SENSE 端接地，從而將 VREF配置為2.5 V。為了把輸入的-2～2 V的電壓偏置到0.5～4.5 V。以便于充分利用A/D的量程。VINB通過R5和 VREF相連，電壓被偏置到2.5 V。0.1 μF的陶瓷電容，10 μF的鉭電容和R5構(gòu)成了一個(gè)高通濾波器。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

為對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲(chǔ)以提高數(shù)據(jù)處理速度，系統(tǒng)使用128M的DDR Π SDRAM芯片。它有8Mbit的數(shù)據(jù)容量、16位的數(shù)據(jù)總線和8個(gè)Banks[8]。

圖5是DDR Π工作時(shí)，狀態(tài)機(jī)的工作結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)完成初始化以后，狀態(tài)機(jī)首先進(jìn)入IDLE狀態(tài)；然后根據(jù)各種的請求指令，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換到對應(yīng)的狀態(tài)[9]，將請求指令發(fā)送到DDR Π存儲(chǔ)器，同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。滿足時(shí)間間隔后，控制器再次接受新的指令并根據(jù)請求轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的工作狀態(tài)，同時(shí)計(jì)數(shù)器清零，開始新的計(jì)時(shí)。

圖5 DDR Π控制器狀態(tài)機(jī)

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用CY68013A USB 2.0芯片。應(yīng)用GPIF模式，通過GPIF端口與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，電路連接結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。此時(shí)通過設(shè)置CY68013A的GPIF輸出讀寫控制波形，使其工作于EPP模式。相應(yīng)的，F(xiàn)PGA內(nèi)部也需要編寫HDL程序以實(shí)現(xiàn)EPP 協(xié)議，便與CY68013A通信。在通信時(shí)，由CY68013A作為主機(jī)(HOST)，F(xiàn)PGA作為從機(jī)(SLAVE)，在兩者之間實(shí)現(xiàn)EPP協(xié)議。

圖6 USB與FPGA的通訊

CY68013A從FPGA中讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行如下步驟：

(1)寫地址。把被讀取數(shù)據(jù)的地址寫入FPGA的地址寄存器中。

(2)讀取數(shù)據(jù)。FPGA根據(jù)地址寄存器中的地址，把對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)取出送至總線，由CY68013A讀取。

本設(shè)計(jì)采用一種簡單的方式實(shí)現(xiàn)CY68013A與FPGA之間的通訊。在EPP協(xié)議的4種操作中，只用數(shù)據(jù)讀、寫操作，即在FPGA內(nèi)只設(shè)置2個(gè)寄存器，如寄存器一和寄存器二，數(shù)據(jù)讀、寫操作分別只對寄存器一和寄存器二操作。這樣就減去了地址讀/寫的步驟，使傳輸數(shù)據(jù)的速度變?yōu)樵瓉淼?倍，也降低了編程復(fù)雜性。

CY68013A與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)40 Mbps，完全滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Y68013A與FPGA都使用3.3 V電平，因而，兩者不需要電匹配電路[10]。

3 信號(hào)相敏解調(diào)

為了將有用的信號(hào)從混合噪聲的載波信號(hào)里提取出來，必須對采集得到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。相敏解調(diào)廣泛應(yīng)用于ECT系統(tǒng)中，相敏解調(diào)又稱為鎖相檢測或者相關(guān)解調(diào)。數(shù)字相敏解調(diào)是將高速A/D采集得的數(shù)據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)在數(shù)字處理器中，然后利用相應(yīng)的數(shù)字算法獲得被測信號(hào)的幅值和相位信息[11]。本文采用數(shù)字正交解調(diào)，由于采用16電極電容傳感器，一共120個(gè)獨(dú)立電容值，而解調(diào)每個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)都需要至少1個(gè)周期的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采樣頻率為載波頻率的8倍，故解調(diào)1個(gè)電容值至少要8個(gè)數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)選用的AD轉(zhuǎn)換器采樣精度為14位，所以，需要2個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)，在傳輸過程中要傳兩次才能完成，所以整個(gè)測量過程一共120×2×8=1920個(gè)數(shù)據(jù)，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7 相敏解調(diào)流程圖

4 計(jì)算機(jī)成像

在16電極ECT系統(tǒng)中，采取單電極電壓激勵(lì)，單電極測量模式。先對1號(hào)電極施加交流激勵(lì)，其它極板接地并作為檢測極板，測量1-2、1-3…1-16電極板之間的電容值；再對2號(hào)極板加激勵(lì)，測量2-1、2-3…2-16之間的電容值；依次循環(huán)[12]，共有120個(gè)有效的完全測量數(shù)，電容層析成像就是對這組數(shù)據(jù)通過一定的算法反演管路內(nèi)介質(zhì)分布圖像。實(shí)驗(yàn)中，在9號(hào)電極中插入吸管，從右邊解調(diào)電壓情況可以驗(yàn)證在第84、92、110個(gè)電極處，最終的顯示結(jié)果如圖8所示。

圖8 重建圖像

圖9所示為管路中加入相對介電常數(shù)為3的物質(zhì)流所得部分重建圖像。如圖所示ECT系統(tǒng)的成像效果滿足基本的檢測要求，可以從圖像上得到管路兩相流流相特性信息。

圖9 物質(zhì)流部分圖像

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)通過采用DDR Π存儲(chǔ)技術(shù)和USB總線技術(shù)，顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取Ｍ瑫r(shí)應(yīng)用數(shù)字正交相敏解調(diào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬解調(diào)，有效提高了相敏解調(diào)實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)精度。使ECT技術(shù)在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油檢測的應(yīng)用提供了一定的前提條件。

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Aeroengine Lubricating Oil Detection System Design Based on ECT

LIU Jian-ying1，YU Hai-ting1，XUE Qian1，LI Xin-jian2

(1.College of Aeronautical Automation,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China 2.China Southern Airlines Henan branch，Xinzheng 451100,China)

The engine working condition can be reflected through testing and analysis of aircraft engine lubricating oil. An ECT (electrical capacitance tomography) detection system based on a Xilinx Spartan-6 FPGA chip was designed in this paper. DDR Π memory and USB bus technology were utilized. At the same time application of digital orthogonal demodulation to replace analog demodulation can improve the demodulation real-time and accuracy of system. The simulation experiment show that the system possesses the advantages of stability and reliablitiy,high sampling accuracy and fast processing speed，thus meeting needs in practical measurements．

lubricating oil detection; ECT; aero engine; DDR Π; orthogonal demodulation

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61401466，61102096)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)中國民航大學(xué)專項(xiàng)項(xiàng)目(3122013C007)；中國民航大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2013QD01S)。

2014-11-10 收修改稿日期：2015-06-25

TP277

A

1002-1841(2015)09-0050-03

劉建英(1963—)副教授，碩士。研究方向：航空電源、檢測及自動(dòng)化裝置。 于海亭(1989—)碩士研究生。研究方向：無損檢測。