任瑞冬，李國鴻，范小明，馬 昌

(中國飛行試驗研究院發(fā)動機所，陜西西安 710089)

1 引言

目前，在國內(nèi)航空發(fā)動機飛行試驗中，對整機振動監(jiān)視的要求越來越高，急需要對發(fā)動機高壓(或低壓)轉(zhuǎn)子基頻激起的振動加速度、速度、位移分量進行實時跟蹤監(jiān)視［1］。為了解決這一問題，獲得準確的轉(zhuǎn)速信號是關鍵。

當前可用于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量的方法和設備基本分為三類，第一類是采用計數(shù)器測頻率實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量;第二類是采用頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路或芯片，將頻率信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栠M行轉(zhuǎn)速測量;第三類是測量周期［2-5］。無論采用哪種方法，輸入轉(zhuǎn)速測量設備的信號的波形和電壓范圍必須滿足要求，而實際上航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號比較復雜，甚至出現(xiàn)奇異波形。波形不規(guī)則的原因除工頻、高頻干擾信號疊加外，主要是發(fā)動機試車過程隨機大振動引起傳感器信號發(fā)生器與切割磁力線的導磁葉片之間位移隨機變化、導磁葉片磁性不均勻、介質(zhì)流動不穩(wěn)定等因素造成信號波形奇異、復雜［6-7］。這樣的波形不能滿足轉(zhuǎn)速測量設備高可靠、高精度的測量要求。因此必須對轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號進行預先調(diào)理，將其轉(zhuǎn)換為頻率與原信號相同，且電壓范圍滿足一定要求的方波信號。

筆者以常用的電壓比較器為主要元件，以遲滯比較電路為核心電路，搭建滿足使用要求的不規(guī)則周期電壓信號方波整形電路，達到了將周期固定、波形為不規(guī)則正弦或方波的電壓信號整理為周期不變，波形滿足目前常用頻率信號測量模塊輸入要求的方波信號的目的。

2 電路設計

轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊的目的主要是將不規(guī)則的復雜信號轉(zhuǎn)換成規(guī)律、滿足測量系統(tǒng)輸入幅值要求的信號。因此核心部分使用電壓比較電路實現(xiàn)波形整形的目的。圖1為遲滯電壓比較器的傳輸特性圖。

圖1 遲滯電壓比較器傳輸特性

若單限比較器如果輸入信號Ui在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會產(chǎn)生相應的抖動(起伏)，而遲滯電壓比較器就可以克服這一缺點。遲滯比較器加有正反饋可以加快比較器的響應速度，這是它的另一個優(yōu)點。除此之外，由于遲滯比較器加的正反饋很強，遠比電路中的寄生耦合強得多，故遲滯比較器還可免除由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩［8-12］。鑒于遲滯比較器的優(yōu)點，將其用于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊，能夠提高轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性，為發(fā)動機振動的實時監(jiān)視提供保障。

經(jīng)過大量調(diào)研，市面上常用電壓比較器供電電壓均為5 V，該文采用的電壓比較器為TI的LM2903P。由于機載直流電源為27 V，沒有穩(wěn)定的5 V的直流電可以直接使用，因此設計了一個將27 V的直流電轉(zhuǎn)換為+5 V的穩(wěn)壓直流電源模塊，該模塊能夠在機載電壓值有波動的情況下，提供給比較器穩(wěn)定的5 V電壓，保證比較器的正常穩(wěn)定工作，所選用的穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)器為TI公司的LM317。

2.1 遲滯比較電路

圖2為遲滯比較電路的原理圖。圖中已經(jīng)給出了外圍電阻的配置，其大小是在滿足預期指標的前提下仿真試驗得到。LM2903P要求差動輸入電壓范圍限制在±36 V之間，而航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號電壓范圍未知，因此，在信號輸入前LM2903P之間，增加了信號限幅電路，該電路主要由兩個反向并聯(lián)設置的穩(wěn)壓二極管實現(xiàn)，可限制LM2093輸入信號的大小，滿足LM2903P的可靠工作的使用要求。LM2903P的供電電壓為5 V，由筆者設計的穩(wěn)壓電源模塊實現(xiàn)。

圖2 遲滯比較電路原理電路

2.2 穩(wěn)壓電源模塊

圖3 為轉(zhuǎn)速調(diào)理電路的穩(wěn)壓電源部分電路，作用是將機載的27 V直流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5 V電壓，保證LM2903P的正常使用。

圖3給出了核心器件LM317外圍電路的設計，并標明了各個電阻值及電容的大小，其大小同樣是經(jīng)過實驗室仿真試驗得到的。為了驗證輸出電壓的穩(wěn)定性，在實驗室按圖3所示搭建電路，使用萬用表測得穩(wěn)壓電源模塊的輸出電壓Sout，從表1可以清楚的看到，輸入直流電壓在10～30 V之間變化時，輸出電壓在4.919 ～4.926 V 之間變化，變化幅度為0.01 V，基本滿足設計提出的在機載電壓有波動的前提下輸出穩(wěn)定的5 V電壓的要求。

圖3 穩(wěn)壓電源模塊電路

表1 穩(wěn)壓電源模塊輸入輸出電壓 /V

3 電路軟件仿真試驗

在Mutisim軟件環(huán)境下對第2節(jié)設計的遲滯比較電路和穩(wěn)壓電路進行了仿真試驗，仿真過程的結(jié)果截圖如圖4、5所示。需特別說明的是，在遲滯比較電路模塊仿真過程中，已經(jīng)將輸入信號限幅模塊包括在了仿真電路中，就不再單獨對先付模塊進行仿真。由于轉(zhuǎn)速信號調(diào)理模塊設計最初的目標是同時能完成對高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號進行調(diào)理，因此共設計了2個圖4所示的調(diào)理電路，只是激勵電壓和頻率有所不同，以模擬不同轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號。

從圖4、5來看，此文所設計的遲滯比較電路和穩(wěn)壓模塊電路仿真結(jié)果符合設計要求，實現(xiàn)了將不同頻率和幅值的正弦信號轉(zhuǎn)換為頻率不變幅值基本固定的方波信號。

4 電路PCB板及外殼設計

根據(jù)電路設計、仿真、調(diào)試結(jié)果，選購元器件(電壓比較器芯片、穩(wěn)壓電源芯片、二極管、電阻、電容)、航空插頭(四芯、六芯)。設計了轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊PCB板，合理安排各個元器件的位置和走線，使得模塊體積盡可能小，占用空間小，方便安裝和測試，且可實現(xiàn)兩路信號(高、低壓轉(zhuǎn)速信號)的同時調(diào)理整形。為保證輸入輸出電氣接口在機載環(huán)境下的可靠性，輸入輸出接口選用了滿足國軍標要求的四芯、六芯航空插頭，其型號分別為:XK11J4JE、XK14K6ZE。

圖4 遲滯比較電路仿真結(jié)果

圖5 穩(wěn)壓模塊電路仿真結(jié)果

此文設計的轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊主要面向飛行試驗方便機載使用，因此考慮了殼體強度剛度、PCB在外殼殼體上的安裝、殼體的密封性、外殼的安裝等各種因素，設計出了圖6所示的模塊殼體。將制作好的PCB板固定在圖6所示的殼體內(nèi)封裝完畢即可作為成品裝機使用。圖7為最終的物理樣機。

圖6 殼體三維圖

5 實驗室調(diào)試結(jié)果

如圖8為試驗試測試的框圖。將設計電路中的所有元器件焊接在制作好的電路板上，并裝入設計的殼體內(nèi)，組成了轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊。使用函數(shù)/信號發(fā)生器輸入頻率，波形，幅值可調(diào)的信號。一路送入轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊中進行預處理，并輸出。使用動態(tài)采集系統(tǒng)采集原始輸入信號，和輸出信號，比較二者的區(qū)別，檢測轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊的功能。

圖7 轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊物理樣機

圖8 測試框圖

測試中電源提供±27 V電壓，信號源依次產(chǎn)生標準正弦信號10 Hz、±0.5 V;10 Hz、±1 V;10 Hz、±5 V;10 Hz、±6 V、10 Hz;±9 V，100 Hz;±1 V;1 000 Hz、±1 V;3 000 Hz、±1 V。這些標準正弦信號通過轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊輸出方波，最后由動態(tài)信號數(shù)采系統(tǒng)進行采集、記錄并顯示。采集系統(tǒng)的采樣率設置為50 kbs，圖9、10分別是10 Hz、±1 V 的輸入信號和經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊調(diào)理后的輸出信號。其他的測試結(jié)果如表2所列。

圖9 輸入信號(10Hz、±1V)

圖10 輸出信號

表2 轉(zhuǎn)速調(diào)理模塊測試結(jié)果統(tǒng)計

從表2中的輸入輸出信號比較來看，無論輸入信號的頻率、幅值有多大，輸出信號的頻率都與輸入信號頻率一致，輸出幅值基本穩(wěn)定在4.2 V左右。滿足將轉(zhuǎn)速信號調(diào)理為同周期，且幅值滿足一般轉(zhuǎn)速測量模塊輸入要求的目的。制作完成的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號調(diào)理模塊樣機各項參數(shù)符合預期結(jié)果。

6 結(jié)語

轉(zhuǎn)速調(diào)理是獲得準確轉(zhuǎn)速信號的關鍵，也是發(fā)動機振動實時監(jiān)視的基礎。轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號頻率、幅值都不盡相同，多數(shù)波形不正規(guī)或奇異。此文設計的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)理電路，能夠?qū)D(zhuǎn)速傳感器輸出的復雜信號進行預處理，得到幅值固定，頻率與原信號一致的方波信號，為進一步發(fā)動機轉(zhuǎn)速的準確測量測量奠定基礎。

此文設計的轉(zhuǎn)速信號調(diào)理模塊可為一個獨立設備，在其他轉(zhuǎn)速信號測量設備前對其輸入信號進行預先調(diào)理，也可以將轉(zhuǎn)速信號調(diào)理模塊所用的電路直接集成到航空發(fā)動機實時振動監(jiān)視系統(tǒng)中，作為一個轉(zhuǎn)速信號預調(diào)理模塊使用。在發(fā)動機飛行試驗中有一定應用價值。

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