段小維 丁旭

摘 要：針對某飛行臺某被試發(fā)動機(jī)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套被試發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道畸變信號調(diào)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對進(jìn)氣畸變動態(tài)壓力信號的預(yù)處理，可以為后續(xù)不同型號發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道畸變調(diào)理器設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣道畸變；飛行臺；調(diào)理器

中圖分類號：V233 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)的飛行過程中，飛機(jī)發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道進(jìn)口，存在著速度、溫度以及壓力分布的不均勻性，其引起的進(jìn)氣道/發(fā)動機(jī)相容性問題，均可造成發(fā)動機(jī)性能降低、喘振，甚至引起發(fā)動機(jī)空中停車等嚴(yán)重飛行事故。所以對進(jìn)氣道進(jìn)氣畸變的檢測，是實(shí)施進(jìn)氣道發(fā)動機(jī)所具有的相容方面的性質(zhì)進(jìn)行有效評估的必要步驟。對于進(jìn)氣道畸變檢測系統(tǒng)來說，傳感器以及其信號調(diào)理設(shè)備是其不可或缺的組成元件，對測試系統(tǒng)進(jìn)行有效分析的大部分任務(wù)都是在準(zhǔn)確獲得被測信號的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，測量準(zhǔn)確是整個(gè)系統(tǒng)動態(tài)特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，占有重要地位。

由于進(jìn)氣氣流脈動頻率分布的復(fù)雜性，使得對于進(jìn)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(diǎn)。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(jìn)行預(yù)處理，實(shí)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(jìn)氣道畸變調(diào)理器來實(shí)現(xiàn)。本文基于某型號發(fā)動機(jī)飛行試驗(yàn)臺進(jìn)氣畸變測試系統(tǒng)，從工作原理和所設(shè)計(jì)的電路方面介紹了進(jìn)氣道畸變動態(tài)壓力測量調(diào)理系統(tǒng)，驗(yàn)證了其工作可靠性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 動態(tài)壓力測量調(diào)理系統(tǒng)

進(jìn)氣道畸變測量是一種場信號采集，是通過在進(jìn)氣道出口加裝穩(wěn)態(tài)、動態(tài)壓力傳感器，在進(jìn)氣道與發(fā)動機(jī)的氣動界面上測量進(jìn)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(shí)現(xiàn)對于該信號的采集及分析處理，需要針對信號本身進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)理，在保證其頻譜范圍的基礎(chǔ)上，完成信號的濾波及與采集器的匹配。整個(gè)信號調(diào)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(shí)際的信號處理過程對應(yīng)一個(gè)交流測試通道和一個(gè)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(jìn)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(biāo)定。整個(gè)信號調(diào)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(dú)立輸出，具備短路保護(hù)功能。整個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)在于信號的提取及處理，對調(diào)理器的要求比較嚴(yán)格，包括高精度的信號放大，嚴(yán)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(biāo)定，整個(gè)電路分為信號的直流放大及濾波兩個(gè)部分，其電路原理圖如圖2所示。

由放大器INA101M實(shí)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(shè)為45倍，直流放大輸出信號0～4.95V，增益電阻值909Ω，運(yùn)算放大器A2用來調(diào)零。由于巴特沃思濾波器具有最大平坦幅度響應(yīng)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(diǎn)，系統(tǒng)采用由兩個(gè)放大器電路串聯(lián)組成的4階巴特沃思低通濾波器實(shí)現(xiàn)信號濾波，具體電路如圖2所示。調(diào)零運(yùn)放和濾波運(yùn)放都采用低電流噪聲、輸入失調(diào)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(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖3所示，系統(tǒng)頻響0～2000±20Hz，40～1200Hz通帶內(nèi)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(jìn)一步的2次放大、濾波，完成對信號的預(yù)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(shí)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(shè)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(diào)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(diào)零運(yùn)放和濾波運(yùn)放都采用低電流噪聲、輸入失調(diào)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(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖5所示，系統(tǒng)頻響1±0.2Hz～2000±20Hz，40～1400Hz通帶內(nèi)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(jié)束語

本文針對某飛行臺某型被試發(fā)動機(jī)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套被試發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道畸變信號調(diào)理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對某發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)氣畸變脈動壓力信號的前期預(yù)處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試試驗(yàn)及20多架次的飛行試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)性能可靠，系統(tǒng)精度，濾波特性及頻譜響應(yīng)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(jī)進(jìn)氣道畸變調(diào)理器設(shè)計(jì)提供參考。

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