萬 洋，魏 麟，劉曄璐，李忠良

(中國民用航空飛行學(xué)院，四川廣漢 618307)

0 引言

航空發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的核心部件，其健康狀態(tài)對飛行安全具有重要意義。發(fā)動機(jī)工作時，內(nèi)部機(jī)械零件的金屬屑末會進(jìn)入滑油，在發(fā)動機(jī)正常工作狀態(tài)下，金屬屑末的數(shù)量和大小會趨于一個比較低的數(shù)值，在故障發(fā)生的前期，該數(shù)值會急劇上升[1]。因此，檢測滑油系統(tǒng)中金屬屑末的大小和數(shù)目能夠有效地進(jìn)行故障預(yù)防和故障診斷。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，某型軍用發(fā)動機(jī)因潤滑油中金屬含量過多、機(jī)油濾清器上出現(xiàn)異常金屬屑而超標(biāo)。導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動過大，提前換發(fā)，嚴(yán)重威脅飛行安全[2]。因此檢測航空發(fā)動機(jī)滑油中的金屬屑末，對保障飛行安全有著重大工程意義。

對滑油系統(tǒng)中的金屬屑末檢測分為離線式和在線式檢測[3]。其中在線式檢測具備實時、準(zhǔn)確、高效等優(yōu)點。在線檢測系統(tǒng)是該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢。國內(nèi)外學(xué)者提出許多關(guān)于航空發(fā)動機(jī)金屬屑末檢測的方案，其中國外的在線檢測技術(shù)已經(jīng)有產(chǎn)品面世，而國內(nèi)的大部分研究成果均在離線檢測方面?？v觀國內(nèi)的金屬屑末在線檢測技術(shù)，尚無成熟產(chǎn)品應(yīng)用于實際。故本文針對電感式金屬屑末信號傳感器設(shè)計了一種智能檢屑裝置，實現(xiàn)國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)滑油金屬屑末在線檢測[4]。

1 原理與設(shè)計

1.1 智能檢屑裝置的工作原理

該裝置的輸入信號來源于電感式金屬屑末傳感器，該傳感器通過一組激勵線圈和感應(yīng)線圈實現(xiàn)磁激勵和磁感應(yīng)，如圖1所示，智能檢屑裝置輸出一個特定頻率和電壓的激勵信號驅(qū)動傳感器激勵線圈產(chǎn)生交變磁場，2個勵磁線圈產(chǎn)生由勵磁驅(qū)動的2個極性相反的磁場，并在感應(yīng)線圈上相互抵消，然后輸出“零點”電壓[5]。當(dāng)金屬屑末通過傳感器時對2個激勵線圈產(chǎn)生的磁場形成不同時序的干擾，鐵磁性金屬屑末對磁場產(chǎn)生增益效果，非鐵磁性金屬屑末對磁場產(chǎn)生減損效果，由此感應(yīng)線圈因磁場失衡輸出微弱調(diào)幅信號。該調(diào)幅信號進(jìn)入檢屑裝置進(jìn)行放大，檢波及識別，并通過串口將識別結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計分析。通過最終信號的幅值和周期來判斷出屑末的種類、大小。此方法能統(tǒng)計出一定時間內(nèi)發(fā)動機(jī)磨損的發(fā)生發(fā)展情況，對可能出現(xiàn)的設(shè)備失效做出趨勢分析和預(yù)警，整個系統(tǒng)具備實時、全液流的特點。

圖1 金屬屑末傳感器原理示意圖

1.2 總體框架

智能檢屑裝置的外殼采用航空機(jī)箱結(jié)構(gòu)，主要由蓋板、支柱、下殼體、插座等組成，該裝置的下殼體采用整塊鋁材銑削加工，保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

根據(jù)傳感器的特點，對智能檢屑裝置的電路進(jìn)行模塊化設(shè)計，整個大系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，其中該裝置主要包括激勵信號模塊、前置放大器、濾波模塊、檢波放大模塊、數(shù)字處理模塊以及供電濾波模塊等部分。

圖2 原理設(shè)計框圖

2 實驗電路設(shè)計

2.1 供電濾波模塊設(shè)計

航空電源的直流輸出電壓在18～36 V，并且伴有一定程度的波動，為減小電壓擾動對后級電路的影響，提高系統(tǒng)的電磁兼容性，在輸入端采用EMI模塊進(jìn)行濾波，通過DC-DC變換模塊可將輸入電壓調(diào)整為所需特定電壓，它具有外圍電路少、輸出穩(wěn)定、工作可靠等優(yōu)勢。

電源部分的穩(wěn)定性和自身產(chǎn)生的DC-DC開關(guān)脈沖都會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，一是影響基線的噪聲水平，造成顆粒大小的誤識別，另一方面影響調(diào)理電路放大參數(shù)的穩(wěn)定性。有鑒于此，在前級保留濾波器的基礎(chǔ)上，改進(jìn)DC-DC后級匹配供電濾波單元，在電源輸出后級增加扼流線圈和匹配電容。根據(jù)整個系統(tǒng)需求，電源的輸入為28 V直流航空電源，輸出分為4路，VCC1、VCC2、VCC3、VCC4的大小分別為+15、-15、+5、+3.3 V。供電濾波電路如圖3所示。

圖3 供電濾波電路圖

2.2 激勵信號模塊設(shè)計

傳感器要對金屬顆粒進(jìn)行感應(yīng)需外部提供一個穩(wěn)定并具有足夠驅(qū)動能力的激勵，為了保證在不同顆粒通過傳感器時輸出一個與顆粒大小相關(guān)的信號，傳感器激勵信號的幅值及頻率需保持穩(wěn)定。根據(jù)激勵為正弦信號這一特征可采用的實現(xiàn)形式有振蕩電路方式、DA方式、獨(dú)立信號發(fā)生器模塊方式、FPGA內(nèi)部DDS模塊方式以及專用高速DDS模塊方式。其中振蕩電路結(jié)構(gòu)簡單，但頻率穩(wěn)定度差，易受環(huán)境溫度的影響；DA輸出方式需要的電路較大，輸出的信號頻率穩(wěn)定度高，但高頻噪聲和畸變現(xiàn)象較嚴(yán)重，幅值不穩(wěn)定；獨(dú)立信號發(fā)生器模塊易受阻容器件的溫度特性的影響，頻率比較容易漂移；FPGA方式需要獨(dú)立的板卡及供電，開發(fā)流程較繁雜，數(shù)字噪聲和雜散不易控制；相對而言專用DDS信號發(fā)生芯片構(gòu)成電路比較簡單，輸出頻率穩(wěn)定性較高，電路結(jié)構(gòu)簡單，不易受環(huán)境溫度的影響，更重要的是便于數(shù)字控制頻率和相位，這對產(chǎn)品的自檢和控制都有極大的優(yōu)勢。

對比多個芯片，采用的芯片為AD9850BRS，可以工作在3.3 V和5 V，內(nèi)部最高時鐘125 MHz，可以滿足激勵需要的137 kHz正弦信號。直接數(shù)字式頻率合成電路如圖4所示。

圖4 直接數(shù)字式頻率合成電路圖

DDS模塊產(chǎn)生的信號幅值和電流都不足以驅(qū)動傳感器正常工作，需要將其幅值和輸出電流加強(qiáng)，激勵頻率相對較高、DDS模塊輸出幅值相對較小，要達(dá)到合格的輸出，需要帶寬增益積較大的大電流運(yùn)放，研制期間試驗了各種放大器，最終選擇LT1210作為激勵放大，可以得到峰峰值20 V以上的激勵信號，滿足驅(qū)動要求。具體的電流放大電路如圖5所示。

2.3 前置放大調(diào)理電路設(shè)計

傳感器在有金屬顆粒通過其中心孔時輸出一個以載波為激勵頻率，調(diào)制幅度和顆粒大小相關(guān)的調(diào)幅信號，由于傳感器原始輸出信號非常微弱，經(jīng)內(nèi)部調(diào)諧放大后其輸出通常在50～150 mV之間，調(diào)制度小于1%，這對后級的檢波和分析來說非常困難，非常容易受到外部電場和偶然因素的干擾，因此傳感器輸出級的放大需保證在諧振的頻率下，要求放大器的帶寬和增益滿足要求。AD624是一種較為優(yōu)秀的儀用放大器，總GBP值為25 MHz，在輸入信號不超過150 kHz的情況下，它具有較好的信噪比和輸出穩(wěn)定性。放大器的增益有3個等級并且為固定值，在其后串聯(lián)一個反相放大器，可實現(xiàn)增益的連續(xù)調(diào)節(jié)，使信號滿足后級電路的幅值要求。另外在保證原始信號在放大后達(dá)到一定強(qiáng)度條件下對該信號進(jìn)行了帶通濾波，中心頻率設(shè)置在載波頻率，有效降低了載波頻段外的低高頻噪聲，能夠得到信噪比較高的穩(wěn)定調(diào)幅信號。具體的放大調(diào)理電路如圖6所示。

圖5 電流放大電路圖

圖6 前置放大調(diào)理電路圖

2.4 檢波放大、濾波電路設(shè)計

保證對原始調(diào)制信號的無損還原對磨損顆粒信號的檢測非常重要。對調(diào)幅信號的解調(diào)通常有包絡(luò)檢波或者同步檢波2種辦法，包絡(luò)檢波采取檢波二極管，其優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、實時性強(qiáng)，而同步檢波比較適合于雙邊帶或單邊帶振幅調(diào)制信號，我們的傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號，其包絡(luò)直接反映了調(diào)制信號的變化和特征，因而二極管包絡(luò)檢波方案比較適合該項目。經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的二極管檢波電路雖然可以解調(diào)出調(diào)制信號，但對于全頻帶范圍的輸入其輸出響應(yīng)還存在惰性失真和切削失真的現(xiàn)象。所以在傳統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上改為雙路包絡(luò)檢波電路，再緊跟一個差分放大器，使得相位相差180°的上包絡(luò)信號和下包絡(luò)信號的噪聲相減，有用信號相加，以達(dá)到加強(qiáng)輸出和降低共模噪聲之目的。

OP37共模抑制比較高，對稱性好，輸出溫漂小，并有足夠的帶寬，可以達(dá)到比較理想的放大效果。故采用OP37構(gòu)成的差分放大電路對雙路檢波輸出信號進(jìn)行處理，由于放大倍數(shù)不夠，再跟一級反相放大器，兩級放大使得增益滿足要求，便于后級A/D采樣。

最后使放大信號通過有源低通濾波器，濾波雜波達(dá)到降噪目的。該濾波器采用壓控電壓源二階低通濾波電路，電路中引用了負(fù)反饋，又引入了正反饋。檢波、差分放大電路如圖7所示。

圖7 檢波、差分放大電路圖

2.5 數(shù)字處理模塊設(shè)計

數(shù)字處理模塊需提供的功能為

(1)擁有多路A/D采集通道，被采集信號的頻率低于500 Hz；

(2)能夠?qū)DS模塊信號的產(chǎn)生提供時序脈沖信號；

(3)具備至少一路串行接口。

按照上述需采用基于ARM處理器平臺STM32F407，其自帶的ADC帶寬可達(dá)1.2 MSPS，具備3個獨(dú)立A/D和多達(dá)24路A/D測量通道，處理器工作頻率可達(dá)72 MHz，具有多組通用高速GPIO和多個通用串行接口，可以全部滿足系統(tǒng)的需求。

在處理模塊輔助電路方面由于供電電壓信號(3.3 V)、基線電壓可能產(chǎn)生波動，為提高測量精度對其進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，對因其波動而產(chǎn)生的測量波動進(jìn)行補(bǔ)償。檢波放大信號、供電電壓信號、基線電壓需將其解調(diào)放大后的信號壓縮在0～3.3 V內(nèi)，以符合采樣要求。

3 仿真和實驗結(jié)果

3.1 低通、帶通濾波器的仿真結(jié)果

該裝置的信號調(diào)理電路由反向放大器、差分放大器、低通濾波器、帶通濾波器等組成。其中，低通濾波器和帶通濾波器是重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接決定整個裝置檢屑的技術(shù)指標(biāo)。本文利用multisim軟件仿真，低通濾波器和帶通濾波器的仿真波特圖如圖8所示。

圖8 高通、低通濾波器仿真圖

由仿真波形圖可得，低通濾波器的-3 dB處為950 Hz，說明其截止頻率為950 Hz，根據(jù)傳感器的線管長度和滑油流速可以計算，金屬屑末相關(guān)的調(diào)制信號小于1 kHz，故其滿足設(shè)計要求。帶通濾波器的通帶為24～500 kHz，由前級的測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，儀用放大器引入了2 MHz的噪聲，而AM波的頻率在137 kHz左右，帶通濾波器可以篩選出有用信號，得到干凈的AM波，便于后級檢波，滿足設(shè)計要求。

3.2 實驗結(jié)果分析

將傳感器與智能檢屑裝置連接，將0.5、0.3、0.2、0.125 mm的標(biāo)準(zhǔn)鐵磁顆粒分別固定在一根塑料棒上，從傳感器一端插入和抽出，利用示波器測量，可以得到相應(yīng)的波形如圖9、圖10、圖11、圖12所示。

圖9 0.5 mm鐵磁顆粒波形圖

圖10 0.3 mm鐵磁顆粒波形圖

圖11 0.2 mm鐵磁顆粒波形圖

圖12 0.125 mm鐵磁顆粒波形圖

圖13 0.6 mm非鐵磁顆粒波形圖

鐵磁性金屬顆粒插入和抽出傳感器時，會產(chǎn)生兩個標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，其相位相反，幅值相同。當(dāng)顆粒正向通過傳感器時，正弦波先有波峰后有波谷，其相位與前文分析一致。

再將0.6、0.45 mm非鐵磁性金屬顆粒，采取同樣的實驗方法，可以得到相應(yīng)的波形如圖13、圖14所示。波形同樣為2個相位相反，幅值相同的正弦波形，可以看出，當(dāng)非鐵磁性金屬顆粒正向通過傳感器時，正弦波先有波谷后有波峰，其相位與鐵磁性顆粒相反，即通過相位可判斷出金屬顆粒的性質(zhì)。

圖14 0.45 mm非鐵磁顆粒波形圖

通過測量上述實驗檢測波形，當(dāng)鐵磁性顆粒由大到小通過傳感器時，最終的波形峰峰值分別為3.31 V、1.75 V、0.72 V、0.32 V；當(dāng)非鐵磁性顆粒由大到小通過傳感器時，最終的波形峰峰值分別為0.73 V、0.33 V。通過對解調(diào)后反映顆粒大小的正弦信號進(jìn)行峰峰值采樣，軟件規(guī)定相應(yīng)的閾值，即可識別金屬屑末大小；對波形的周期測量，即可統(tǒng)計出金屬屑末的數(shù)量；對相位的測量，即可判斷出金屬屑末為鐵磁性還是非鐵磁性。每一個波形的電壓都在0～3.5 V，便于后級的A/D采樣，滿足芯片對采樣信號的電壓要求。其中0.2 mm 及以上的鐵磁性顆粒、0.5 mm以上的非鐵磁性顆粒波形干凈，信噪比高，使得最終的檢出率較高，可達(dá)90%以上。而直徑極小的0.125 mm的鐵磁性顆粒、0.45 mm的非鐵磁性顆粒噪聲干擾較大，但是配合算法能夠達(dá)到75%的檢出率。

4 結(jié)論

智能檢屑裝置的電路設(shè)計與研制，實現(xiàn)了信號的實時檢測，能夠?qū)鞲衅鬏敵龅娜秶盘栠M(jìn)行解調(diào)輸出，并且能夠?qū)饘兕w粒的種類和數(shù)量以及大小進(jìn)行分析和統(tǒng)計，具備一定的抗噪能力。結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對低至0.125 mm鐵磁性屑末及0.45 mm非鐵磁性金屬屑末的大小數(shù)目檢測，提高了該領(lǐng)域的技術(shù)指標(biāo)，對航空發(fā)動機(jī)滑油技術(shù)屑末在線檢測技術(shù)的工程化應(yīng)用，提供了參考。研究過程中發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)在振動條件下的識別精度有所下降，下一步研究方向為加深對算法的研究，通過數(shù)字濾波器和小波變換進(jìn)一步減少振動信號的干擾。