航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)振動(dòng)通道的設(shè)計(jì)

袁雪松++皮駿

[摘 要]為了監(jiān)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)一套針對(duì)雙轉(zhuǎn)子渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括輸入、運(yùn)算和輸出三個(gè)部分。輸入部分主要由振動(dòng)通道構(gòu)成，采用多通道同時(shí)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大，針對(duì)不同航空發(fā)動(dòng)機(jī)和不同的振動(dòng)傳感器自由選擇放大倍數(shù)，濾波器采用Butterworth低通濾波器，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、通帶衰減平緩、性能穩(wěn)定，適合于此系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]航空發(fā)動(dòng)機(jī)；振動(dòng)信號(hào)；放大；濾波

中圖分類號(hào)：V217.39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）17-0330-02

1 振動(dòng)通道的設(shè)計(jì)

1.1 振動(dòng)通道數(shù)量的確定

在雙轉(zhuǎn)子渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣、進(jìn)氣機(jī)匣、渦輪機(jī)匣、發(fā)動(dòng)機(jī)前安裝節(jié)和后安裝節(jié)處各安裝兩個(gè)振動(dòng)傳感器。各處安裝兩個(gè)傳感器是為了防止其中一個(gè)傳感器損壞或相應(yīng)電路通道失效后，仍有另一組信號(hào)傳輸至振動(dòng)監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行，故需要10組振動(dòng)通道。另外在過(guò)程量通道處設(shè)計(jì)有兩組積分振動(dòng)通道，在需要的時(shí)候可以將振動(dòng)通道中10組中任意一組振動(dòng)信號(hào)接入積分通道完成積分運(yùn)算。

1.2 單通道內(nèi)信號(hào)放大

傳感器的輸出信號(hào)需經(jīng)過(guò)電壓放大后再進(jìn)行濾波，之后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。信號(hào)放大將采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。放大方式采用反向放大方式，由運(yùn)算放大器和電阻組成反向放大器。根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷”原理知：

為了保證信號(hào)強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，將單通道內(nèi)信號(hào)分為多組進(jìn)行放大，通過(guò)多組不同的反向放大器，初步設(shè)定放大值為-0.5、-1、-5、-25、-125。任意一組振動(dòng)信號(hào)可對(duì)放大到上述任意一個(gè)放大倍數(shù)。

1.3 單通道內(nèi)信號(hào)放大后的通道切換

為了順利將多組放大后的信號(hào)中的一組選用并進(jìn)行濾波，采用CMOS模擬多路復(fù)用器進(jìn)行線路選擇。CMOS模擬多路復(fù)用器選用Intersil公司的DG408。接入放大值分別為-0.5、-1、-5、-25、-125的不同信號(hào)，接地，GND接地，D端連接后端的濾波器以及其他元件。、、和EN接入數(shù)字信號(hào)，和分別接+5V與-5V。

2 低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

經(jīng)由CMOS模擬多路復(fù)用器選擇后的信號(hào)分為三組信號(hào)經(jīng)不同頻率的有源低通濾波器，之后再經(jīng)過(guò)另一個(gè)CMOS模擬多路復(fù)用器選擇低通頻率，輸出至A/D轉(zhuǎn)換。濾波器采用巴特沃斯（Butterworth）型濾波器，三組有源低通濾波器截止頻率分別為10kHz、2kHz 和500Hz。

10KHz巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)要求其通帶截止頻率（），通帶衰減；阻帶截止頻率（），阻帶衰減。

利用MATLAB軟件繪制其特性曲線，如圖1、圖2所示。從幅頻特性圖可看出所設(shè)計(jì)的低通濾波器在時(shí)信號(hào)幅值開(kāi)始明顯下降，到時(shí)信號(hào)幅值趨近于零。從信號(hào)衰減特性圖可看出信號(hào)衰減為零并開(kāi)始衰減，時(shí)信號(hào)衰減28dB，其通帶和阻帶截止頻率處衰減值均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2kHz和500Hz巴特沃斯低通濾波器要求其通帶截止頻率、，通帶衰減均約等于1dB，阻帶截止頻率、，阻帶衰減約大于25dB。

同理獲得2kHz和500Hz巴特沃斯低通濾波器傳遞函數(shù)：

利用MATLAB 軟件繪制其特性曲線，如圖3～圖6所示。從幅頻特性圖（圖3、圖5）中可以看出信號(hào)的幅值在設(shè)計(jì)頻率附近開(kāi)始衰減；從信號(hào)衰減特性圖（圖4、圖6）可看出通帶截止頻率處衰減為1dB左右，阻帶截止頻率處衰減為28dB左右，符合設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的振動(dòng)通道部分已設(shè)計(jì)完成。振動(dòng)信號(hào)經(jīng)傳感器輸出至由運(yùn)算放大器組成的放大電路進(jìn)行分組放大，各組放大倍數(shù)不同，由模擬多路復(fù)用器選擇所需要的放大信號(hào)進(jìn)行分組濾波處理，各組濾波器參數(shù)不相同，同樣由模擬多路復(fù)用器選擇濾波后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王志.航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)故障診斷技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院，2007，1：3

[2] 孫海東，傅強(qiáng).航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制，1001-3997（2007）02-0127-02.

第一作者

袁雪松，（1985-05），安徽合肥，本科，南京理工大學(xué)，工程師，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)。

第二作者

皮駿，副教授，主要研究領(lǐng)域：轉(zhuǎn)子振動(dòng)和流體力學(xué)的研究。