發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)部件溫度實(shí)時(shí)無線測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

桑豆豆，盧洪義，楊禹成，章 斌，劉 舜

（南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

0 引 言

在航空發(fā)動機(jī)的研制試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)測試技術(shù)對其性能的提高和完善起到了至關(guān)重要的作用［1］。在發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)時(shí)，對旋轉(zhuǎn)部件，如渦輪葉片表面的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和分析，不僅可以對發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)的運(yùn)行安全提供保障［2］，同時(shí)還可為高性能發(fā)動機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要數(shù)據(jù)。但是，對處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的部件進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度測量一直是一個(gè)技術(shù)難題。

目前，航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的溫度測量技術(shù)可分為接觸式測溫法和非接觸式測溫法［3］。對于示溫漆、晶體測溫這些接觸式測溫技術(shù)［4］只能獲得試驗(yàn)狀態(tài)的最高溫度，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度變化［5，6］；非接觸測量技術(shù)如紅外輻射測溫技術(shù)，能得到連續(xù)的溫度場數(shù)據(jù)，但受發(fā)射率測量影響，存在測量誤差大、溫度分辨率及空間分辨率低等問題［4，7］。在信號采集與處理方面，利用高性能、低功耗、微小型的STM32微控制器［8～10］可實(shí)現(xiàn)信號的高速采集與處理［11，12］；劉永永等人［13］設(shè)計(jì)了一種基于運(yùn)算放大器和STM32 微處理器高效、穩(wěn)定的傳感器信號采集和處理系統(tǒng)；蔡俊等人［14］設(shè)計(jì)了一種精度高、實(shí)時(shí)、便攜并能有效濾波的多通道電機(jī)振動信號采集檢測系統(tǒng)；程遠(yuǎn)航等人［15］采用STM32F103微處理器設(shè)計(jì)了一種基于WiFi 的空氣質(zhì)量監(jiān)測無線傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。

針對航空發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)部件溫度測量具有高轉(zhuǎn)速、多測量點(diǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測、測量空間狹小等特點(diǎn)，本文利用貼片式薄膜傳感器和微小元器件，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于STM32 的多通道無線溫度實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)，可以對旋轉(zhuǎn)部件的不同部位實(shí)時(shí)監(jiān)測其表面溫度。

1 系統(tǒng)總體方案

溫度實(shí)時(shí)無線測試系統(tǒng)由多路溫度采集硬件系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)組成。多只貼片式薄膜傳感器固定在旋轉(zhuǎn)部件上，傳感器的阻值隨溫度信號變化，經(jīng)過平衡電橋輸出電壓信號到模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)，模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇信號通道，然后電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理電路放大后進(jìn)入STM32 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集與計(jì)算，上位機(jī)通過藍(lán)牙無線實(shí)時(shí)顯示、記錄、保存溫度信號數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 貼片式薄膜溫度傳感器

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇鉑（Pt）100［16］貼片式薄膜電阻溫度傳感器，其不僅具有測溫精度高、準(zhǔn)確度高、靈敏度高、測溫性能好、耐氧化、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，而且在溫度非常高的環(huán)境下性質(zhì)都很穩(wěn)定。因此，Pt電阻測溫計(jì)被國標(biāo)ITS-90 規(guī)定為基準(zhǔn)測溫儀器。

2.1.1 測溫原理

Pt電阻在溫度變化范圍-200 ～800 ℃內(nèi)可保持良好的線性程度，其所置環(huán)境溫度變化與電阻阻值滿足如下函數(shù)表達(dá)式

式中T為溫度，℃；RT為溫度T時(shí)Pt 電阻的阻值，R0為0 ℃時(shí)Pt電阻的阻值，Pt100 的R0為100 Ω；a＝3.90802 ×10-3；b＝5.801 95 ×10-7；c＝4.273 51 ×10-12；當(dāng)T大于0 ℃時(shí)，c＝0。

2.1.2 電路設(shè)計(jì)

Pt100導(dǎo)線本身帶有電阻，導(dǎo)線越長，電阻越大，而溫度每變化1 ℃，Pt100電阻的阻值變化只有0.3851 Ω，因此，導(dǎo)線本身的電阻會大大影響測量結(jié)果，所以設(shè)計(jì)采用三線制電橋設(shè)計(jì)可以消除導(dǎo)線對測量結(jié)果的影響，即將導(dǎo)線1 根接到電橋的電源端，其余2 根分別接到傳感器所在的橋臂及其相鄰的橋臂上，這樣橋臂上同時(shí)引入相同的導(dǎo)線電阻，便可消除導(dǎo)線本身電阻的變化對平衡電橋的影響，電路如圖1所示。

圖1 三線制電橋電路

在計(jì)算輸出電壓信號時(shí)，忽略所有導(dǎo)線電阻的阻值，計(jì)算電壓輸入輸出傳遞函數(shù)

式中VCC為輸入電壓；U1，U2為電橋橋臂輸出電壓；R1，R2，R3為電路圖中電阻阻值；VO為電橋輸出電壓信號的值。

2.2 多路選擇開關(guān)電路設(shè)計(jì)

由于發(fā)動機(jī)測量空間狹小問題，利用多路選擇開關(guān)，使多路傳感器信號共用信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可以簡化采集電路硬件裝置，減小采集裝置體積。

電橋的輸出信號為兩端電壓差，選用ADG507 雙8 路模擬開關(guān)。其具有高切換速度和低導(dǎo)通電阻；選擇開關(guān)先斷開后接通，這樣輸入信號就能防止瞬時(shí)短路；由于其還具有低泄漏電流使其適用于高精度電路。利用STM32 控制ADG507A的3 個(gè)二進(jìn)制地址和1 個(gè)使能輸入的狀態(tài)，將8 路差分輸入中的一路切換到公共差分輸出。接線時(shí)將每個(gè)平衡電橋的差分輸出端分別接在SxA 和SxB（x為：1，2，…，8）引腳；根據(jù)真值表在程序設(shè)計(jì)時(shí)，選擇信號通道。

2.3 信號調(diào)理電路

由于Pt100的電阻隨溫度變化而引起輸出信號的電壓變化為毫伏（mV）級，為了將信號轉(zhuǎn)換到模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC）的有效輸入范圍內(nèi)，需要將信號放大后送入ADC進(jìn)行A／D 轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)時(shí)選用AD623 可編程設(shè)置增益，增益最高可達(dá)1 000 倍。設(shè)計(jì)的電路如圖2 所示，其中，在＋RG與-RG之間連接電位器，通過改變電位器阻值改變放大倍數(shù)。

圖2 信號調(diào)理電路

其放大倍數(shù)K＝1 ＋100 000 Ω／R7。

2.4 主控芯片

為了提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，選用STM32F103ZET6 主控芯片，其內(nèi)核是32 位高性能ARM Cortex-M3處理器，時(shí)鐘高達(dá)72 MHz，是51單片機(jī)的8倍左右，具有3個(gè)12位的A／D，共有21個(gè)ADC外部通道，每個(gè)通道經(jīng)過ADG507A模擬開關(guān)可以擴(kuò)展為8 路差分信號輸入，這樣每個(gè)STM32最多可以采集168 路傳感器信號。其還具有低功耗、微型化、高速度、高精度等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足本文的數(shù)據(jù)采集要求。

主控芯片執(zhí)行程序代碼，通過控制選擇開關(guān)的二進(jìn)制控制輸入端A0、A1、A2 和使能引腳EN 選擇輸入通道；開啟A／D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；開啟串口通信，通過藍(lán)牙向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

2.5 A／D轉(zhuǎn)換

利用STM32 內(nèi)部的12 位逐次逼近型的ADC。每個(gè)ADC具有多達(dá)18 個(gè)復(fù)用通道，可測量來自16 個(gè)外部源，這些通道的A／D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果可以存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。

1）分辨率：STM32的ADC輸出范圍為0 ～3.3 V，其分辨輸入電壓變化最小值為3.3 V×1／212＝0.8 mV。

2）轉(zhuǎn)換時(shí)間：STM32 內(nèi)部ADC 的輸入時(shí)鐘（ADC_CLK）由APB2（外設(shè)總線2）時(shí)鐘經(jīng)過分頻產(chǎn)生，最大值為14 MHz，APB2 總線時(shí)鐘為72 MHz，而ADC 最大工作頻率為14 MHz，所以設(shè)計(jì)時(shí)選擇設(shè)置分頻因子為6，這樣ADC_CLK為12 MHz。ADC 要完成對輸入電壓的采樣需若干個(gè)ADC_CLK周期，其中采樣周期最小是1.5 個(gè)，即要達(dá)到最快的采樣，那么應(yīng)該設(shè)置采樣周期為1.5 個(gè)周期，ADC 的總轉(zhuǎn)換時(shí)間跟ADC_CLK 和采樣時(shí)間有關(guān)，其公式為Tcovn＝采樣時(shí)間＋12.5 個(gè)周期，其中，Tcovn為ADC 總轉(zhuǎn)換時(shí)間。當(dāng)ADC_CLK為12 MHz時(shí)，并設(shè)置1.5 個(gè)周期的采樣時(shí)間，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)間Tcovn＝1.5 ＋12.5 ＝14 個(gè)周期＝1.17 μs。

2.6 信號無線傳輸與接收

利用ADC轉(zhuǎn)換后的A／D值經(jīng)過STM32計(jì)算后通過藍(lán)牙無線傳輸，可以在上位機(jī)（此設(shè)計(jì)為電腦和手機(jī)）實(shí)時(shí)顯示溫度傳感器所檢測到的溫度值，并在上位機(jī)進(jìn)行保存，以便后續(xù)分析。

利用藍(lán)牙無線通信技術(shù)［17，18］實(shí)現(xiàn)信號的傳輸，相比較于WiFi、紅外等無線通信，藍(lán)牙具有低成本、低功耗、穿透性強(qiáng)等特點(diǎn)。藍(lán)牙的工作頻段在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，采用快跳頻和短包技術(shù)，該技術(shù)具有高效的抗干擾能力，使藍(lán)牙在工作頻段可有效避免干擾源，設(shè)備間的藍(lán)牙通信可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸且數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到1 Mbps，非常適用于設(shè)備間短距離的通信，通信傳輸距離為10 m，滿足測試要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序首先調(diào)用硬件初始化函數(shù)，包括開啟系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷分組、配置STM32引腳端口以及藍(lán)牙傳輸?shù)取Ｈ缓蟪跏蓟?shù)轉(zhuǎn)換，讀取1 次通道1 的轉(zhuǎn)換值，將A／D 轉(zhuǎn)換值轉(zhuǎn)換為溫度值并保存，然后通過配置模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)A0、A1、A2引腳的高低電平，以改變采樣通道，依次將傳感器所檢測到的溫度值通過藍(lán)牙發(fā)送出到上位機(jī)，最后進(jìn)入程序循環(huán)，實(shí)時(shí)不間斷地向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程

3.2 A／D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

首先使能A／D 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和端口時(shí)鐘，并配置引腳端口（PA1）為模擬輸入模式，然后初始化ADC 結(jié)構(gòu)體，包括A／D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換模式、觸發(fā)方式、數(shù)據(jù)對齊方式、規(guī)則序列等參數(shù)，最后使能ADC 并校準(zhǔn)；配置好后再設(shè)置規(guī)則序列里面的通道，采樣順序以及通道的采樣周期，然后啟動A／D轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過讀取函數(shù)獲取轉(zhuǎn)換結(jié)果值。

3.3 無線通信程序設(shè)計(jì)

通過藍(lán)牙控制指令將藍(lán)牙分別設(shè)置為發(fā)送和接收模式。程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先，使能通信串口及端口時(shí)鐘，并初始化串口通信引腳為復(fù)用功能；其次，配置串口結(jié)構(gòu)體，使能串口并開啟接收中斷，為了防止串口發(fā)送狀態(tài)標(biāo)志位的影響，需要清除串口狀態(tài)標(biāo)志位；最后，配置相應(yīng)的嵌套向量中斷控制器，并使能對應(yīng)中斷通道，將串口通信的搶占優(yōu)先級設(shè)置為2，響應(yīng)優(yōu)先級設(shè)置為2；藍(lán)牙獲得通信串口的數(shù)據(jù)，向上位機(jī)發(fā)送，上位機(jī)通過與發(fā)送藍(lán)牙配對進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，并保存。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

4.1 硬件系統(tǒng)搭建與程序設(shè)計(jì)

基于以上設(shè)計(jì)的電路，將各元器件焊接在電路板上，編寫程序代碼，下載到芯片，對硬件電路進(jìn)行調(diào)試，確保電路板可以正常工作。

4.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

多通道溫度實(shí)時(shí)無線測量系統(tǒng)的驗(yàn)證以3 通道為例，利用標(biāo)準(zhǔn)溫度儀和本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行測溫，分析該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，由測量結(jié)果可知：該系統(tǒng)的測量精度優(yōu)于0.1 ℃，分辨率達(dá)到0. 01 ℃。其實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析℃

4.3 系統(tǒng)測試與分析

采用的紐扣溫度記錄儀是堅(jiān)固耐用的自供電系統(tǒng)，能夠測量溫度并將測量的結(jié)果記錄在受保護(hù)的存儲器內(nèi)，其測量溫度范圍0 ～120 ℃，采集時(shí)間間隔最小為1 s，采樣分辨率0.062 5 ℃，該裝置采用低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)，無須外界電源，具有體積?。ㄖ睆?6 mm，厚度6 mm）等優(yōu)點(diǎn)。使用時(shí)只需通過軟件設(shè)置啟動時(shí)間、采用速率，然后放置在測溫點(diǎn)，完成試驗(yàn)后，通過軟件讀取記錄儀記錄的溫度值，并可自動生成溫度隨時(shí)間的曲線。試驗(yàn)時(shí)利用紐扣記錄儀記錄的溫度數(shù)據(jù)作為參考溫度。

傳感器與測量部件固定有多種方式，為了盡量減少對測量部件表面氣體流動的影響，試驗(yàn)時(shí)利用粘貼膠將傳感器與物體緊緊固定在一起。

本文試驗(yàn)利用渦槳發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺，分別將3 個(gè)貼片式薄膜傳感器固定在槳葉的50%葉高、50%軸向位置，來測量該點(diǎn)槳片的溫度，將紐扣溫度記錄儀緊挨著傳感器1 安裝；溫度采集與發(fā)送裝置固定在中心旋轉(zhuǎn)軸上隨旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，上位機(jī)在滿足藍(lán)牙通信距離的試驗(yàn)臺附近。

試驗(yàn)時(shí)，上位機(jī)通過藍(lán)牙無線實(shí)時(shí)顯示采集系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，將上位機(jī)和紐扣記錄儀保存的溫度值，繪制成溫度隨時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。由于槳葉高速旋轉(zhuǎn)且所受條件相同，不同槳葉相同位置點(diǎn)的溫度值應(yīng)該幾乎相等。由圖4 可以看出，4 條溫度曲線重合度較高，說明該測溫系統(tǒng)能夠較好地完成該試驗(yàn)。

圖4 溫度曲線

5 結(jié)束語

為了滿足測試系統(tǒng)微小化，利用多路選擇開關(guān)設(shè)計(jì)，減少了測試系統(tǒng)的硬件元器件，降低了測試系統(tǒng)的體積，有利于在測試空間狹小的發(fā)動機(jī)安裝；采用信號無線傳輸技術(shù)，解決了以往在旋轉(zhuǎn)部件試驗(yàn)時(shí)無法引出信號線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測信號問題；通過實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)的測量精度優(yōu)于0.1 ℃，分辨率達(dá)到0.01 ℃；對于測量時(shí)對測量部件氣流流動的影響問題還需進(jìn)一步研究，以優(yōu)化測試裝置。