航空發(fā)動機主要參數(shù)檢測電路設計思路

趙 鵬 蔡忠春 謝 斌

（中國人民解放軍空軍航空大學 飛行器與動力系，吉林 長春130022）

0 引言

航空發(fā)動機是飛機的“心臟”，它的性能直接影響飛機的性能和安全。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、渦輪后燃氣溫度、位置等參數(shù)是航空發(fā)動機內(nèi)外場維護保障的重點。因此，在地面試車時需要利用航空檢測設備對這些主要參數(shù)進行檢測以判斷發(fā)動機的性能?，F(xiàn)在的檢測設備多以單片機或者計算機為核心進行設計，因此如何將需要檢測的發(fā)動機參數(shù)轉(zhuǎn)換為計算機數(shù)據(jù)采集卡可接收的的信號并進行精確測量就成為電路設計的重點。本文通過理論分析與外場實踐相結(jié)合對這些主要參數(shù)的檢測電路的設計提出了通用的、基本的設計思路。并通過一些具體設計進行分析。

1 轉(zhuǎn)速檢測電路設計思路

轉(zhuǎn)速是反映航空發(fā)動機性能好壞的一個主要參數(shù)。對于轉(zhuǎn)速檢測電路的設計主要解決的問題是如何將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)采集卡能夠拾取、接收的電壓信號，并在快速有效測量的同時保證測量的精度，從而為外場維護提供準確的參考依據(jù)。

1.1 轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電壓信號

航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號是從轉(zhuǎn)速傳感器輸出的。飛機的外場維護有著嚴格的要求，既不能在飛機上添加任何部件(包括傳感器)，也不能改變和破壞任何線路，這就造成了轉(zhuǎn)速信號拾取難的問題。因此在電路設計時通常將飛機上原有的轉(zhuǎn)速傳感器作為信號拾取點。

轉(zhuǎn)速傳感器是一個三相交流測速發(fā)電機，它感受發(fā)動機轉(zhuǎn)速并輸出與轉(zhuǎn)速成正比的頻率信號[1]。轉(zhuǎn)速傳感器的輸出頻率f和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速n成正比，關系式為：

式中：p——交流發(fā)電機磁極對數(shù)；i—— 減速器減速比。

因此可將對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的檢測轉(zhuǎn)換為對頻率信號的測量，再將頻率信號轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換器能夠接收的直流電壓信號。對于頻率的測量可以采用多種方法，主要有頻壓轉(zhuǎn)換法、測頻法、測周法等，可以視檢測信號頻率具體選擇。圖1所示的為轉(zhuǎn)速檢測電路設計思路示意圖。

圖1 轉(zhuǎn)速檢測電路設計思路示意圖

1.2 高精度檢測的實現(xiàn)

對于轉(zhuǎn)速信號的地面測量，如何保證精度是轉(zhuǎn)速檢測電路設計的另一個難點及重點。因此對于檢測設備的設計還應考慮如何提高轉(zhuǎn)速的檢測精度，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號的高精度檢測。其主要方法是對轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號通過光電隔離、濾波放大和波形轉(zhuǎn)換等抑制共模干擾，并通過限壓電路保證檢測時的安全可靠[2]。這樣可以保證測量的準確性，為機務保障提供準確的信息依據(jù)，提高機務保障的效率。

2 渦輪后燃氣溫度檢測電路設計思路

發(fā)動機渦輪后燃氣溫度檢測是發(fā)動機性能檢測的重要內(nèi)容，航空發(fā)動機渦輪后燃氣溫度通過熱電偶來測量，熱電偶將發(fā)動機渦輪后燃氣溫度信號轉(zhuǎn)化為熱電勢信號傳送給溫限系統(tǒng)。

2.1 溫度信號轉(zhuǎn)換為熱電動勢信號

熱電偶是一種能量轉(zhuǎn)換型溫度傳感器。其由兩種不同導體A和B組成一個閉合回路，當接觸點溫度不同時，則在回路中有電動勢產(chǎn)生，形成回路電流，產(chǎn)生熱電效應。

根據(jù)熱電偶工作原理，熱電偶感受溫度變化輸出熱電動勢[3]。熱電偶回路的熱電勢由兩部分組成，一部分是兩種導體的接觸電勢，另一部分是單一導體的溫差電勢。其分布如圖2所示。

圖2 熱電偶回路總熱電動勢

回路總熱電勢為：

其中：EA(T，T0)和 EB(T，T0)為溫差電動勢，EAB(T)和 EAB(T0)為接觸電動勢。

當熱電極材料確定后，熱電偶總的熱電動勢EAB(T，T0)成為溫度T和T0的函數(shù)之差。

2.2 熱電偶冷端溫度補償思路

熱電偶輸出的熱電動勢是感受熱端溫度所產(chǎn)生的熱電動勢與感受冷端溫度所產(chǎn)生的熱電動勢的差。因此要檢測熱電偶溫度必須檢測其冷端溫度，才能計算出熱端溫度[3]?；诖嗽韺u輪后燃氣溫度檢測電路的設計主要采取熱電偶冷端溫度補償?shù)乃悸贰?/p>

根據(jù)熱電偶的工作原理，可以通過補償導線把施加到溫度控制器的ET或試車時T6熱電偶產(chǎn)生的ET通過檢測插座引入到檢測設備內(nèi)，這相當于把熱電偶延長了，這時到達T6檢測電路的熱電動勢不再是ET而是ET1，然后通過測量ET1和補償導線與檢測電路連接點處的溫度TL（冷端溫度）就可以計算得到

對于冷端溫度TL的測量，可將溫度傳感器放置在補償導線與檢測電路的連接點處，溫度傳感器輸出與TL成線性關系的電流信號，經(jīng)電阻成正比地轉(zhuǎn)換為直流電壓信號UL，再傳入數(shù)據(jù)采集卡，并在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量，控制器讀取該數(shù)字量，經(jīng)過計算即可以得到TL，得到TL后通過熱電偶在冷端溫度為0℃時的分度表進行反插值就可以得到冷端補償電壓EL。通過計算機對EL、ET1進行運算就可得T6真實溫度。

基于這種思路設計的冷端溫度檢測電路，已經(jīng)應用于現(xiàn)代飛機檢測中，由于此電路具有線性度好、靈敏度高、電路簡單、安全可靠等特點，在實際應用中取得良好的效果。

3 位置檢測電路設計思路

航空發(fā)動機位置檢測是發(fā)動機地面檢測的重要項目。尤其是壓氣機進氣導流葉片位置的變化直接影響發(fā)動機的供氣量，如果發(fā)動機的供氣量與需氣量不相一致，就可能會導致壓氣機發(fā)生喘振或者進氣道癢振。因此設計相應的位置檢測電路是必要的。

對于發(fā)動機位置檢測主要是通過在檢測位置加裝專用電阻式位置傳感器實現(xiàn)，電阻式位置傳感器將位置的變化轉(zhuǎn)換成與之呈線性關系的電阻值的變化，然后再經(jīng)阻值測量電路，實現(xiàn)對信號的測量[5]。其示意圖如圖3所示。

圖3 位置檢測電路設計思路示意圖

3.1 恒流源阻值檢測電路設計思路

對于阻值的測量主要采用恒流源法。向電阻Rx(電阻式位置傳感器阻值)提供恒定電流Is，通過測量輸出端電壓Ux即可計算出電阻Rx的阻值。輸出電壓關系式為：

恒流源的產(chǎn)生方法有很多，有基本恒流源法、基于OP07運算放大器的恒流源法等。但實際使用中發(fā)現(xiàn)，這兩種恒流源電路的恒流效果并不理想?；竞懔髟措娐繁旧碚`差大，基于OP07運算放大器的恒流源電路的誤差主要是運算放大器正相輸入端電壓的穩(wěn)定性不好造成的。解決的辦法主要是利用高精度的恒壓源輸出穩(wěn)定電壓作為運算放大器正相輸入端電壓，這樣可以有效地提高恒流效果。因此在檢測電路的設計中一定要結(jié)合實際需要對電路進行完善。

3.2 高精度檢測電路設計思路

對于恒流源測電阻的電路其主要問題在于能否保證測量的精度，從而為機務保障提供準確的信息。當恒流源通過電阻時輸出一定的電壓，對于輸出的電壓可以通過減法電路將電壓范圍進行放大，并通過放大電路將電壓放大到與數(shù)據(jù)采集卡電壓相一致。這樣就可以提高檢測的精度。其示意圖如圖4所示。

圖4 高精度檢測電路設計思路

4 結(jié)論

本文通過理論分析與外場實踐相結(jié)合對發(fā)動機主要參數(shù)的檢測電路提出了通用的設計思路，不僅提出了檢測電路的設計思路，而且有針對性的提出了高精度檢測電路的設計思路。為航空發(fā)動機檢測設備的設計與升級提供了基本的設計理念。

［1］李曉明，蔡忠春，蔣寧.航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號的檢測[J].長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2007，28（2）.

［2］孟凡娟，姚進，任德均.飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速實時檢測與儀表系統(tǒng)的研制[J].機械，2004，31（8）.

［3］蔡忠春，李曉明，姜曉蓮.航空發(fā)動機熱電偶冷端溫度檢測電路設計[J].計量與測試技術，2011，38（7）.

［4］謝斌，蔣寧，姜濤.某型航空發(fā)動機溫度限制系統(tǒng)檢測儀的硬件設計[J].長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2010，31（2）.

［5］徐浩.檢測技術與儀器[M].北京：清華大學出版社，2004：15－20.