基于無線傳感器的航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

陳虹潔，肖 川

(1.煙臺黃金職業(yè)學院 信息工程系，山東 煙臺 265401；2.煙臺南山學院 工學院，山東 煙臺 265700)

0 引言

在機械應用系統(tǒng)中，無線傳感器組成模塊被完全封裝于一個足夠大的外殼結構內(nèi)，利用振動發(fā)電機與外接電池提供的傳輸電量，按需部署相關網(wǎng)絡節(jié)點，由于通信模塊、數(shù)據(jù)處理單元、微型傳感器等元件始終保持分散連接狀態(tài)，所以整個無線傳感體系一直沿用傳統(tǒng)的自組織構成模式[1]。大多數(shù)無線傳感器監(jiān)測信號都保持逐級跳動的傳輸行為，當數(shù)據(jù)信息參量在監(jiān)測節(jié)點處大量累計時，路由器設備開始快速運轉，一方面對暫存的數(shù)據(jù)信息進行打包處理，使其以數(shù)據(jù)包的形式反饋至下級應用單元之中，另一方面重新配置整個網(wǎng)絡鏈路，使得傳感器主機能夠對收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行按需調(diào)度[2]。為保證信息參量的傳輸完整性，無線傳感器體系中必須配置一個容量足夠大的數(shù)據(jù)存儲器結構。

航空發(fā)動機是一種高度復雜的熱力學精密機械元件，作為飛機的心臟，不但能夠為其提供飛行動力，還可以有效延長飛行器元件的飛行續(xù)航時間。對于航空發(fā)動機而言，最常見的就是活塞式應用結構，其工作原理是指利用活塞承載燃氣壓力作用，并以此推動火花塞在氣缸中進行反復運動。然而隨著航空發(fā)動機運行時間的延長，主軸承結構會表現(xiàn)出明顯的溫度誤差，這不但會促使所得測溫結果的準確性受到影響，還會導致發(fā)動機元件的壽命周期出現(xiàn)明顯縮短。因為，對航空發(fā)動機軸承溫度進行監(jiān)測具有重要意義。

目前相關領域學者針對軸承溫度監(jiān)測進行了研究[3]。根據(jù)實時采集和監(jiān)控系統(tǒng)的時間序列，采用輕量級梯度增強學習器主軸承的溫度預報模型，并對其進行殘差特性的估計?；诮y(tǒng)計控制的方法，在控制線范圍內(nèi)篩選出主軸承的異常溫度，并利用AC-GAN進行殘差的重建。利用自然梯度法對主軸承進行實時檢測，并對其進行了分析。該方法可以對風機軸承的工作狀況進行有效的監(jiān)控。但溫度測量誤差較大。文獻[4]提出了基于多節(jié)點熱網(wǎng)絡法的航空發(fā)動機主軸軸承溫度場分析。根據(jù)Hertz熱擴散原理，將3個軸承部件分為兩個節(jié)點，即接觸面和本體，采用Hertz擴散熱阻法進行連接。在接觸部位設有油膜節(jié)點，并對其進行加熱，由油膜熱阻將節(jié)點與支座的接觸面進行熱阻。建立了多個節(jié)點的軸承熱網(wǎng)模型，得到了更加精細的溫度分布。該方法對滑油出口溫度的計算誤差不超過7%，但該方法的溫度計算準確性有待提高。

針對上述問題，以無線傳感器元件為基礎，設計一種新型的航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)。在無線傳感器元件的作用下，根據(jù)協(xié)議棧的約束標準，計算溫度閾值，完善溫度實測數(shù)據(jù)時序條件，采集航空發(fā)動機軸承溫度數(shù)據(jù)，建模處理發(fā)動機軸承溫測數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測航空發(fā)動機軸承溫度，從而有效校正航空發(fā)動機軸承的溫度誤差曲線。

1 實時溫測系統(tǒng)的硬件開發(fā)

航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件應用結構由JTAG串口電路、DTSD720-L2型電量集中器、DS18B20溫度采集節(jié)點芯片、基于CC2430的溫感信號協(xié)調(diào)器等多個結構共同組成，在基于ARM的無線傳感器元件的調(diào)試作用下，其具體設計方法如下。

1.1 JTAG串口電路

JTAG串口電路存在于航空發(fā)動機的VCC端口與VDD端口之間，可將交變電流轉化為直流傳輸形式，并通過電量循環(huán)的方式，將這些電子信號反饋至溫測系統(tǒng)的各級硬件應用結構之中。JTAG串口電路結構如圖1所示。

圖1 JTAG串口電路結構圖

VCC端口作為交變電流輸入端，其外部負載一個阻值較大的連接電阻R，當電流輸入量較大時，轉存設備D會開啟單向輸入狀態(tài)，一方面使得電量信號能夠在JTAG串口電路中快速傳輸，另一方面也可以適度緩解WTW-16P元件所面臨的電量轉存壓力，從而使得航空發(fā)動機軸承元件的表現(xiàn)穩(wěn)定呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)[5-6]。VDD端口作為直流電量輸出端，與MCU-JTAG主板直接相連，當WTW-16P元件處于連續(xù)閉合狀態(tài)時，MCU-JTAG主板會快速更改已存儲電量信號的排列方式，從而使得無線傳感器元件能夠準確記錄航空發(fā)動機軸承元件的運行溫度數(shù)值。S主控器存在于轉存設備D的對立端，前者能夠對后者暫存的電量信號進行直接調(diào)取，并可以聯(lián)合WTW-16P元件已記錄的航空發(fā)動機軸承溫度實測數(shù)據(jù)，判定設備結構的現(xiàn)有表現(xiàn)溫度是否出現(xiàn)異常值狀態(tài)。

1.2 電量集中器

電量集中器負責對航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)中的傳輸電量信號聚合處理，由于其執(zhí)行功能的特殊性，在連接設備結構時，應按照功能分塊原理放置元件：即將電容與電容放在一起、將電阻與電阻放在一起。在設計航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)時，選取DTSD720-L2主板作為電量集中器元件的核心搭建結構[7]。DTSD720-L2主板能夠對電量脈沖信號進行全方位調(diào)試，當電量脈沖波的傳輸位置相對靠近基于ARM的無線傳感器時，航空發(fā)動機軸承所表現(xiàn)出來的瞬時溫度也就相對較高，此時主板結構會通過積極調(diào)試的方式，控制溫度系數(shù)的上升幅度，從而使得最終所獲測溫數(shù)據(jù)能夠保持相對穩(wěn)定的存在狀態(tài)。DTSD720-L2型電量集中器元件的結構模型如圖2所示。

圖2 電量集中器元件的結構模型

為使常規(guī)測溫數(shù)據(jù)與異常測溫數(shù)據(jù)得到準確區(qū)分，DTSD720-L2型電量集中器元件同時具備兩個脈沖信號顯示結構(圖2中的脈沖1與脈沖2)[8]。當航空發(fā)動機軸承的表現(xiàn)溫度相對較低時，脈沖1信號燈亮起；而當發(fā)動機軸承的表現(xiàn)溫度相對較高或溫度數(shù)值出現(xiàn)異常表現(xiàn)狀態(tài)時，脈沖2信號燈亮起。

1.3 基于ARM的無線傳感器

基于ARM的無線傳感器作為JTAG串口電路的下級調(diào)度元件，可以借助信息采集節(jié)點與電量集中器結構相連，并可以根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測主機、核心處理器與數(shù)據(jù)庫寄存元件之間的實時連接關系，判斷航空發(fā)動機軸承的溫度表現(xiàn)水平，并能夠在傳輸信道組織的作用下，將這些溫測數(shù)據(jù)參量反饋回系統(tǒng)監(jiān)測主機中[9]。對于航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)而言，基于ARM的無線傳感器保持層級連接狀態(tài)，具體結構如圖3所示。

圖3 基于ARM的無線傳感器的層級結構示意圖

由于基于ARM的無線傳感器始終保持層級連接狀態(tài)，所以各個元件結構的應用能力也會有所不同。

1)傳感器主板：利用ARM主機同時管理電量信號寄存器、溫度數(shù)據(jù)寄存器與傳感行為分析元件，且由于電量節(jié)點、寄存節(jié)點、溫測節(jié)點、信息采集節(jié)點四類基礎連接結構的存在，已被記錄的溫度信息參量能夠被無誤傳輸至數(shù)據(jù)庫主機之中，在此過程中，數(shù)據(jù)信息順次通過數(shù)據(jù)監(jiān)測主機與核心處理器結構，但其中的信息參量卻不會被相關元件設備所記錄[10]；監(jiān)測系統(tǒng)溫度傳感器的溫度范圍為5～95 ℃，響應速度為5 ms，工作電源為AC220V±10%，50 Hz，控溫穩(wěn)定度優(yōu)于0.01 ℃/10 min；

2)數(shù)據(jù)監(jiān)測主機：管控電量節(jié)點、寄存節(jié)點、溫測節(jié)點、信息采集節(jié)點的連接狀態(tài)，并可以對ARM主機輸出的數(shù)據(jù)信息參量進行初步加工；

3)核心處理器：航空發(fā)動機軸承溫度實測數(shù)據(jù)的傳輸過渡裝置；

4)數(shù)據(jù)庫主機：寄存航空發(fā)動機軸承的溫度實測數(shù)據(jù)，并生成具有傳輸能力的數(shù)據(jù)信息存儲文件。

1.4 溫度采集節(jié)點芯片

選用DS18B20作為溫度采集節(jié)點芯片，主要負責處理與航空發(fā)動機軸承溫度相關的實測數(shù)據(jù)，由電阻接入?yún)^(qū)域、溫感芯片接入?yún)^(qū)域、節(jié)點接觸區(qū)域、連接觸點四部分共同組成，溫度采集節(jié)點芯片的平面結構如圖4所示。

圖4 溫度采集節(jié)點芯片平面結構

其中，電阻接入?yún)^(qū)域負責對電量集中器、基于ARM的無線傳感器元件中的感應電阻進行聚合處理，并可以分辨出電量信號的實時傳輸行為，從而使得傳感器主機的信息查詢需求得到較好滿足。溫感芯片接入?yún)^(qū)域作為溫度數(shù)據(jù)采集模塊與溫感信號協(xié)調(diào)器元件的連接端口，可以根據(jù)負載電阻的接入數(shù)值，調(diào)節(jié)無線傳感器結構的行為模式，從而使其能夠準確監(jiān)測航空發(fā)動機軸承的實時表現(xiàn)溫度[11-12]。節(jié)點接觸區(qū)域內(nèi)負載了大量的連接管腳，能夠將其他硬件應用結構與主芯片連接起來，進而實現(xiàn)對電量集中器元件執(zhí)行能力的有效維護。連接觸點負責區(qū)分處于傳輸狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息參量，并可以將滿足監(jiān)測需求的信息文件，反饋回系統(tǒng)核心運行主機中。在溫度采集節(jié)點芯片模塊中，數(shù)據(jù)信息參量不可以自主選擇其傳輸路徑，這也是設備元件之間始終保持穩(wěn)定連接狀態(tài)的主要原因。

1.5 溫感信號協(xié)調(diào)器

溫感信號協(xié)調(diào)器負責對無線傳感器設備進行管理與配置，可以將提取到的航空發(fā)動機軸承穩(wěn)定實測數(shù)據(jù)存儲于CC2430調(diào)試模塊中，再聯(lián)合電量供應裝置與指示燈元件，向核心監(jiān)測主機反饋發(fā)動機軸承溫度的實時量測數(shù)據(jù)[13]。溫感信號協(xié)調(diào)器的模塊框架結構如圖5所示。

圖5 溫感信號協(xié)調(diào)器模塊的結構示意圖

CC2430信號協(xié)調(diào)模塊負責建立基于無線傳感器的監(jiān)測網(wǎng)絡，能夠按照數(shù)據(jù)信息的傳輸位置，對其進行分配處理，并可以借助數(shù)據(jù)輸入設備，更改這些信息參量的編碼形式，從而使得監(jiān)測主機的運行需求得到較好滿足[14]。指示燈能夠顯示溫感信號協(xié)調(diào)器模塊的實時連接狀態(tài)，當電量供應裝置的連接形式與CC2430信號協(xié)調(diào)模塊完全相同時，指示燈元件則表示為“熄滅”狀態(tài)；而當電量供應裝置的連接形式不滿足CC2430信號協(xié)調(diào)模塊的運行需求時，指示燈元件則表示為“亮起”狀態(tài)。

2 航空發(fā)動機軸承溫度數(shù)據(jù)采集

在無線傳感器元件的作用下，按照協(xié)議棧設置、溫度閾值計算、數(shù)據(jù)時序條件建立的執(zhí)行流程，完成對航空發(fā)動機軸承溫度數(shù)據(jù)的采集與處理。

2.1 ZigBee協(xié)議棧與Z-Stack協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議棧同時作用于電量集中器元件與基于ARM的無線傳感器結構，能夠管理與航空發(fā)動機軸承溫度監(jiān)測指令相關的數(shù)據(jù)信息參量，并可以將不同類型的信息參量，存儲于不同的數(shù)據(jù)庫空間之中[15]。將航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)的ZigBee協(xié)議棧定義條件表示為：

(1)

式(1)中，V表示航空發(fā)動機軸承溫測數(shù)據(jù)的初始賦值，χ表示標準測溫系數(shù)，α1表示基于ZigBee協(xié)議的溫測參量。

Z-Stack協(xié)議棧的作用能力與ZigBee協(xié)議棧相反，隨著該類型協(xié)議文件的應用，協(xié)調(diào)器設備能夠直接調(diào)度已存儲的航空發(fā)動機軸承溫測數(shù)據(jù)，并對其進行加工與處理[16]。將航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)的Z-Stack協(xié)議棧定義條件表示為：

x2=χα2-V2

(2)

式(2)中，α2表示基于Z-Stack協(xié)議的溫測參量。

為使無線傳感器元件能夠準確監(jiān)測航空發(fā)動機軸承的實時溫度，在采集數(shù)據(jù)信息參量時，必須同時參考ZigBee協(xié)議棧與Z-Stack協(xié)議棧。

2.2 溫度閾值設定

溫度閾值決定了無線傳感器元件所能記錄的最大溫度數(shù)值。對于航空發(fā)動機設備而言，隨著其運轉速率的增大，航空發(fā)動機軸承設備的表現(xiàn)溫度也會不斷增大，出于安全性考慮，若表現(xiàn)溫度的數(shù)值過大，則會導致無線傳感器元件的穩(wěn)定運行能力受到影響，從而使其實測準確性大幅下降。而由于溫度閾值條件的存在，溫感信號協(xié)調(diào)器可在溫度測量值接近極大值條件時，促使指示燈亮起，并以此實現(xiàn)對無線傳感器元件的有效保護[17-18]。將航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)的溫度閾值設定表達式定義為：

(3)

式(3)中，β表示軸承表現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)，δ表示與無線傳感器元件相關的實測溫感。為使航空發(fā)動機元件的運行能力得到保障，溫度閾值指標的選取應盡量趨近其物理極大值。

2.3 數(shù)據(jù)時序條件

數(shù)據(jù)時序條件也叫航空發(fā)動機軸承溫度數(shù)據(jù)的實測排列條件，在已知溫度閾值設定條件的前提下，只有確保信息參量存儲位置不發(fā)生改變，才能最大化激發(fā)無線傳感器元件的實時監(jiān)測能力[19-20]。將航空發(fā)動機軸承溫度數(shù)據(jù)的傳輸序列條件定義為：

(4)

式(4)中，A0表示航空發(fā)動機軸承溫度數(shù)據(jù)的初始測量值，An表示航空發(fā)動機軸承溫度數(shù)據(jù)的最終測量值，d表示實測溫度數(shù)據(jù)的時序排列標準值。

在實際應用過程中，無線傳感器元件對于航空發(fā)動機軸承溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)測與處理，必須嚴格遵循數(shù)據(jù)時序條件。

3 監(jiān)測程序配置

3.1 溫測節(jié)點布置

在航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)中，為使數(shù)據(jù)信息參量得到有序傳輸，在布置溫測節(jié)點時必須遵循同向化原則。所謂同向化就是指所有溫測數(shù)據(jù)都必須保持相同的初始傳輸位置與目標傳輸位置，且在傳輸過程中，數(shù)據(jù)信息參量之間的相互干擾能力較弱[21-22]。具體的溫測節(jié)點布置原理如圖6所示。

圖6 溫測節(jié)點布置原理

在圖6所示的溫測節(jié)點布局結構中，每一個實心圓點都表示一個溫度數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點。

3.2 傳輸數(shù)據(jù)建模

傳輸數(shù)據(jù)建模是航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)搭建的末尾設計環(huán)節(jié)，若將溫測節(jié)點布置位置看作已知條件，則可認為單一建模標注所包含的數(shù)據(jù)信息參量越多，無線傳感器元件對于發(fā)動機軸承元件表現(xiàn)溫度的測量準確性也就越強[23-24]。對于無線傳感器元件來說，在進行傳輸數(shù)據(jù)建模時，應同時參考軸承溫度實測信息定標值、特征監(jiān)測向量等多項物理指標。軸承溫度實測信息定標值可表示為i，在航空發(fā)動機運行體系中，i指標的最小取值只能等于自然數(shù)“1”。pi表示i條件下的溫度數(shù)據(jù)建模定標值，當i指標參量的物理取值保持不變時，pi系數(shù)的賦值結果也始終保持不變。ρ表示軸承溫度實測數(shù)據(jù)的傳輸密度，f表示一個隨機選取的數(shù)據(jù)信息建模系數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(4)，可將航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)建模條件表示為：

(5)

式中，θ表示與無線傳感器元件匹配的溫度數(shù)據(jù)測度參量，l表示航空發(fā)動機軸承溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)測標準值，h表示溫度數(shù)據(jù)的實時測度權限。傳輸數(shù)據(jù)建模條件能夠影響主監(jiān)測程序在無線傳感器元件中的配置形式，一般來說，只有建模表達式取值結果與實際應用情況無限接近，才能使得航空發(fā)動機軸承溫度數(shù)據(jù)得到準確地監(jiān)測與處理。

4 實驗分析

為了驗證基于無線傳感器的航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，選取航空發(fā)動機主軸承作為實驗對象，在Matlab仿真軟件中進行實驗驗證。設置測溫傳感器的具體性能參數(shù)如表1所示。

設置航空發(fā)動機主軸承結構如圖7所示。

圖7 航空發(fā)動機主軸承結構

在圖7所示的航空發(fā)動機主軸承結構中，令低壓軸與主軸承元件直接相連，將高壓軸放置于低壓軸之上，在主軸承元件兩側分設兩個連接節(jié)點，其中一個節(jié)點作為主軸承元件與供電設備的連接端口，另一個節(jié)點負責將主軸承元件與外部傳感器設備連接起來，從而使得航空發(fā)動機軸承的運行需求得以保障。

確保航空發(fā)動機軸承處于正常運行狀態(tài)后，對軸承元件表現(xiàn)溫度進行測量。在實驗過程中，首先利用基于無線傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)測量航空發(fā)動機軸承的運行溫度，將所得溫度數(shù)據(jù)作為實驗組變量；然后利用基于瞬時能量密度譜的監(jiān)測系統(tǒng)測量航空發(fā)動機軸承的運行溫度，將所得溫度數(shù)據(jù)作為對照組變量；最后對比實驗組、對照組變量數(shù)據(jù)，總結本次實驗的變化規(guī)律。

監(jiān)測主機對于航空發(fā)動機軸承溫度的校正能力，反映了溫度測量值結果的準確性。通常情況下，校正后航空發(fā)動機軸承溫度曲線與設定曲線之間的偏差程度越小，就表示監(jiān)測主機對于溫度測量值結果的監(jiān)測準確能力越強，此時所得數(shù)據(jù)能夠較好反映出發(fā)動機元件的運行能力，對于延長航空發(fā)動機設備的壽命周期能夠起到促進性影響作用；反之，若校正后航空發(fā)動機軸承溫度曲線與設定曲線之間的偏差程度越大，就表示監(jiān)測主機對于溫度測量值結果的監(jiān)測準確能力越弱，此時所得數(shù)據(jù)并不能反映出發(fā)動機元件的運行能力，對于延長航空發(fā)動機設備的壽命周期也就無法起到促進性影響作用。設定的航空發(fā)動機軸承溫度曲線如圖8所示。

圖8 設定的航空發(fā)動機軸承溫度曲線

分析圖8可知，當航空發(fā)動機運行時間處于0～15 min的實驗時間之內(nèi)，軸承溫度呈現(xiàn)出不斷上升的數(shù)值變化狀態(tài)；當航空發(fā)動機運行時間處于15～50 min的實驗時間之內(nèi)，軸承溫度則保持下降、上升連續(xù)出現(xiàn)的數(shù)值變化狀態(tài)，整個實驗過程中，航空發(fā)動機軸承溫度的最大數(shù)值達到了49.8 ℃。

校正后實驗組、對照組航空發(fā)動機軸承溫度曲線如圖9所示。

圖9 校正后實驗組、對照組航空發(fā)動機軸承溫度曲線

分析圖9可知，隨著運行時間的延長，實驗組、對照組航空發(fā)動機軸承溫度校正數(shù)值的變化趨勢均與設定數(shù)值保持一致，整個實驗過程中，實驗組溫度校正數(shù)值最大值達到了47.8 ℃，對照組溫度校正數(shù)值最大值達到了51.2 ℃，二者差值為3.4 ℃。

對照圖8、圖9中的溫度數(shù)值，計算實驗組校正值、對照組校正值與設定數(shù)值之間的差值水平。具體計算結果如表2所示。

分析表2可知，當運行時間為35 min時，實驗組溫度差達到其最大數(shù)值0.3 ℃，整個實驗過程中，實驗組溫度差均值為0.17 ℃；當運行時間為18 min時，對照組溫度差達到其最大數(shù)值2.4 ℃，整個實驗過程中，對照組溫度差均值為1.16 ℃，高于實驗組差值水平。

表2 溫度數(shù)值差

綜上可知，隨著基于無線傳感器的實時監(jiān)測系統(tǒng)的應用，航空發(fā)動機軸承的溫度誤差曲線確實得到了較好校正，可以輔助監(jiān)測主機對于溫度測量值結果進行準確監(jiān)測，在延長航空發(fā)動機設備壽命周期方面，能夠起到促進性影響作用。

5 結束語

與基于瞬時能量密度譜的監(jiān)測系統(tǒng)相比，新型航空發(fā)動機軸承溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)在無線傳感器元件的作用下，聯(lián)合JTAG串口電路、電量集中器等多個硬件應用結構，對溫度閾值指標進行計算，又根據(jù)溫測節(jié)點的實際布置情況，建立完善的傳輸數(shù)據(jù)建模條件。從實用性角度來看，在這種新型監(jiān)測系統(tǒng)的作用下，航空發(fā)動機軸承溫度誤差曲線得到了更好校正，對于監(jiān)測主機而言，可在準確獲得溫度測量結果的同時，使得發(fā)動機元件的壽命周期得到充分延長，符合實際應用需求。