某發(fā)動機進氣道畸變信號調理系統(tǒng)設計

段小維 丁旭

摘 要：針對某飛行臺某被試發(fā)動機試驗要求，設計研發(fā)了一套被試發(fā)動機進氣道畸變信號調理系統(tǒng)。介紹了該動態(tài)壓力測量的原理，完成了直流放大系統(tǒng)及交流放大系統(tǒng)的電路設計，實現(xiàn)了對進氣畸變動態(tài)壓力信號的預處理，可以為后續(xù)不同型號發(fā)動機進氣道畸變調理器設計提供參考。

關鍵詞：進氣道畸變；飛行臺；調理器

中圖分類號：V233 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0077-02

Abstract： According to the test requirements of a certain test engine on a flight platform， a set of conditioning system of signals for the intake port distortion of the tested engine was designed and developed. The principle of the dynamic pressure measurement is introduced， the circuit design of the DC amplification system and the AC amplification system is completed， and the preprocessing of the input air distortion dynamic pressure signal is realized， which can provide reference for the design of the distortion adjuster of different engine intake ports.

Keywords： intake port distortion； flight station； regulator

1 概述

在飛機的飛行過程中，飛機發(fā)動機的進氣道進口，存在著速度、溫度以及壓力分布的不均勻性，其引起的進氣道/發(fā)動機相容性問題，均可造成發(fā)動機性能降低、喘振，甚至引起發(fā)動機空中停車等嚴重飛行事故。所以對進氣道進氣畸變的檢測，是實施進氣道發(fā)動機所具有的相容方面的性質進行有效評估的必要步驟。對于進氣道畸變檢測系統(tǒng)來說，傳感器以及其信號調理設備是其不可或缺的組成元件，對測試系統(tǒng)進行有效分析的大部分任務都是在準確獲得被測信號的基礎上進行的，測量準確是整個系統(tǒng)動態(tài)特性的關鍵環(huán)節(jié)，占有重要地位。

由于進氣氣流脈動頻率分布的復雜性，使得對于進氣道動態(tài)壓力數(shù)據(jù)測試具有精度高、采樣率高的特點。用于動態(tài)壓力測量的傳感器輸出通常為微弱速變信號，因此在后續(xù)的信號采集過程中，需要對微弱動態(tài)壓力信號進行預處理，實現(xiàn)信號的交直流分離、信號放大，濾波和橋壓激勵，以使其匹配采集器的信號采集范圍，便于后續(xù)的采集處理，該部分工作主要通過進氣道畸變調理器來實現(xiàn)。本文基于某型號發(fā)動機飛行試驗臺進氣畸變測試系統(tǒng)，從工作原理和所設計的電路方面介紹了進氣道畸變動態(tài)壓力測量調理系統(tǒng)，驗證了其工作可靠性。

2 系統(tǒng)設計

2.1 動態(tài)壓力測量調理系統(tǒng)

進氣道畸變測量是一種場信號采集，是通過在進氣道出口加裝穩(wěn)態(tài)、動態(tài)壓力傳感器，在進氣道與發(fā)動機的氣動界面上測量進氣道出口總壓畸變，以便解決流場畸變獲得可靠數(shù)據(jù)。用于動態(tài)壓力測量的傳感器輸出通常為0V～100mV±10mV，頻譜范圍0～2000Hz的微弱速變電壓信號。為了實現(xiàn)對于該信號的采集及分析處理，需要針對信號本身進行進一步的調理，在保證其頻譜范圍的基礎上，完成信號的濾波及與采集器的匹配。整個信號調理過程包括信號的交直流分離、信號放大，濾波和橋壓激勵。其實際的信號處理過程對應一個交流測試通道和一個直流測量通道，如下圖1所示，交流通道測量動態(tài)分量信號，從直流通道全壓力信號中提取，經(jīng)過隔離和進一步放大處理得到；直流通道用于全信號測量及動態(tài)壓力信號在地面的檢查及標定。整個信號調理系統(tǒng)采用4路差分輸入，系統(tǒng)采樣頻率2000Hz，橋壓激勵10V，各通道獨立輸出，具備短路保護功能。整個系統(tǒng)關鍵點在于信號的提取及處理，對調理器的要求比較嚴格，包括高精度的信號放大，嚴格的通道一致性，合理的頻域分解等等方面。

2.2 直流信號放大系統(tǒng)

直流通道用于全信號測量及動態(tài)壓力信號在地面的檢查及標定，整個電路分為信號的直流放大及濾波兩個部分，其電路原理圖如圖2所示。

由放大器INA101M實現(xiàn)對于直流信號的放大，INA101采用雙電源±12V供電，放大增益=1+40K/R3。由于信號直流幅度最大大約在110mV，因此放大倍數(shù)設為45倍，直流放大輸出信號0～4.95V，增益電阻值909Ω，運算放大器A2用來調零。由于巴特沃思濾波器具有最大平坦幅度響應特性，其在線性相位，衰減斜率和加載特性方面具備特性均衡的優(yōu)點，系統(tǒng)采用由兩個放大器電路串聯(lián)組成的4階巴特沃思低通濾波器實現(xiàn)信號濾波，具體電路如圖2所示。調零運放和濾波運放都采用低電流噪聲、輸入失調和輸入偏置電流的AD704，溫漂1μV/℃，單電源5V供電。采用濾波器仿真軟件對直流放大電路進行了仿真，結果如圖3所示，系統(tǒng)頻響0～2000±20Hz，40～1200Hz通帶內波動≤0.1dB，帶外衰減-6dB/倍頻程，滿足后續(xù)信號采集及處理要求。

2.3 交流信號放大系統(tǒng)

交流通道用來測量動態(tài)分量信號，其信號在直流放大、濾波后直接輸出，放大電路采用電容耦合在直流放大器之后，通過進一步的2次放大、濾波，完成對信號的預處理，其電路原理圖如圖3所示。

其中，C1用來隔直，R1提供直流偏置電流。由放大器INA101M實現(xiàn)對于直流信號的放大，系統(tǒng)增益=1+40K/R3，由于系統(tǒng)交流幅度大約在±10mV，前級放大45倍后，約為±450mV，因此交流部分放大倍數(shù)設為5倍，放大到±2.25V，增益電阻值為10kΩ，INA101采用雙電源±5V供電。A2用來調零。信號濾波則采用2階巴特沃思高通濾波器，與前級低通濾波器組成帶通濾波器，具體電路如圖4所示。調零運放和濾波運放都采用低電流噪聲、輸入失調和輸入偏置電流的AD704，溫漂1μV/℃，單電源5V供電。采用濾波器仿真軟件對交流放大電路進行了仿真，結果如圖5所示，系統(tǒng)頻響1±0.2Hz～2000±20Hz，40～1400Hz通帶內波動≤0.1dB，帶外衰減-60dB/倍頻程，滿足后續(xù)信號采集及處理要求。

3 結束語

本文針對某飛行臺某型被試發(fā)動機試驗要求，設計研發(fā)了一套被試發(fā)動機進氣道畸變信號調理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對某發(fā)動機實驗過程中進氣畸變脈動壓力信號的前期預處理。經(jīng)實驗室調試試驗及20多架次的飛行試驗證明，該系統(tǒng)性能可靠，系統(tǒng)精度，濾波特性及頻譜響應特性均滿足測量及后續(xù)數(shù)據(jù)采集處理分析要求，可以為后續(xù)不同型號發(fā)動機進氣道畸變調理器設計提供參考。

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