航空发动机主要参数检测电路设计思路
2014-06-13赵鹏蔡忠春谢斌
赵鹏+蔡忠春+谢斌
【摘 要】航空检测设备对于航空发动机的维修保障至关重要。本文通过理论分析与外场实践相结合针对航空发动机的转速、涡轮后燃气温度、位置等主要参数的检测电路提出设计思路。
【关键词】转速检测；温度检测；位置检测
The Conception of Aero-Engine Main Parameter Detection Circuit Design
ZHAO Peng CAI Zhong-chun XIE Bin
（Department of Aircraft and Powertrains， Avation University of Air Force， Changchun Jilin 130022， China）
【Abstract】Air testing equipment for aircraft engine maintenance support is crucial. In this paper ， through theoretical analysis and field practice for aircraft engine speed ， gas temperature after the exit of turbo ，position and so on detection circuit of the main parameters ，such as design idea is put forward .
【Key words】Speed detection； Temperature detection； Position detection
0 引言
航空发动机是飞机的“心脏”，它的性能直接影响飞机的性能和安全。发动机的转速、涡轮后燃气温度、位置等参数是航空发动机内外场维护保障的重点。因此，在地面试车时需要利用航空检测设备对这些主要参数进行检测以判断发动机的性能。现在的检测设备多以单片机或者计算机为核心进行设计，因此如何将需要检测的发动机参数转换为计算机数据采集卡可接收的的信号并进行精确测量就成为电路设计的重点。本文通过理论分析与外场实践相结合对这些主要参数的检测电路的设计提出了通用的、基本的设计思路。并通过一些具体设计进行分析。
1 转速检测电路设计思路
转速是反映航空发动机性能好坏的一个主要参数。对于转速检测电路的设计主要解决的问题是如何将转速信号转换为A/D转换器或数据采集卡能够拾取、接收的电压信号，并在快速有效测量的同时保证测量的精度，从而为外场维护提供准确的参考依据。
1.1 转速信号转换为电压信号
航空发动机转速信号是从转速传感器输出的。飞机的外场维护有着严格的要求，既不能在飞机上添加任何部件（包括传感器），也不能改变和破坏任何线路，这就造成了转速信号拾取难的问题。因此在电路设计时通常将飞机上原有的转速传感器作为信号拾取点。
转速传感器是一个三相交流测速发电机，它感受发动机转速并输出与转速成正比的频率信号[1]。转速传感器的输出频率f和发动机的转速n成正比，关系式为：
f=pni/60
式中： p——交流发电机磁极对数；i—— 减速器减速比。
因此可将对发动机转速的检测转换为对频率信号的测量，再将频率信号转换为A/D转换器能够接收的直流电压信号。对于频率的测量可以采用多种方法，主要有频压转换法、测频法、测周法等，可以视检测信号频率具体选择。图1所示的为转速检测电路设计思路示意图。
图1 转速检测电路设计思路示意图
1.2 高精度检测的实现
对于转速信号的地面测量，如何保证精度是转速检测电路设计的另一个难点及重点。因此对于检测设备的设计还应考虑如何提高转速的检测精度，从而实现转速信号的高精度检测。其主要方法是对转速传感器输出的信号通过光电隔离、滤波放大和波形转换等抑制共模干扰，并通过限压电路保证检测时的安全可靠[2]。这样可以保证测量的准确性，为机务保障提供准确的信息依据，提高机务保障的效率。
2 涡轮后燃气温度检测电路设计思路
发动机涡轮后燃气温度检测是发动机性能检测的重要内容，航空发动机涡轮后燃气温度通过热电偶来测量，热电偶将发动机涡轮后燃气温度信号转化为热电势信号传送给温限系统。
2.1 温度信号转换为热电动势信号
热电偶是一种能量转换型温度传感器。其由两种不同导体A和B组成一个闭合回路，当接触点温度不同时，则在回路中有电动势产生，形成回路电流，产生热电效应。
根据热电偶工作原理，热电偶感受温度变化输出热电动势[3]。热电偶回路的热电势由两部分组成，一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。其分布如图2所示。
图2 热电偶回路总热电动势
回路总热电势为：
EAB（T，T0） =EAB（T）+EB（T，T0）-EA（T，T0）-EAB（T0） （1）
其中：EA（T，T0）和EB（T，T0）为温差电动势，EAB（T）和EAB（T0）为接触电动势。
当热电极材料确定后，热电偶总的热电动势EAB（T，T0）成为温度T和T0的函数之差。
2.2 热电偶冷端温度补偿思路
热电偶输出的热电动势是感受热端温度所产生的热电动势与感受冷端温度所产生的热电动势的差。因此要检测热电偶温度必须检测其冷端温度，才能计算出热端温度[3]。基于此原理对涡轮后燃气温度检测电路的设计主要采取热电偶冷端温度补偿的思路。
根据热电偶的工作原理，可以通过补偿导线把施加到温度控制器的ET或试车时T6热电偶产生的ET通过检测插座引入到检测设备内，这相当于把热电偶延长了，这时到达T6检测电路的热电动势不再是ET而是ET1，然后通过测量ET1和补偿导线与检测电路连接点处的温度TL（冷端温度）就可以计算得到T6[4]。
对于冷端温度TL的测量，可将温度传感器放置在补偿导线与检测电路的连接点处，温度传感器输出与TL成线性关系的电流信号，经电阻成正比地转换为直流电压信号UL，再传入数据采集卡，并在数据采集卡内完成模数转换变为数字量，控制器读取该数字量，经过计算即可以得到TL，得到TL后通过热电偶在冷端温度为0℃时的分度表进行反插值就可以得到冷端补偿电压EL。通过计算机对EL、ET1进行运算就可得T6真实温度。（下转第30页）
（上接第5页）基于这种思路设计的冷端温度检测电路，已经应用于现代飞机检测中，由于此电路具有线性度好、灵敏度高、电路简单、安全可靠等特点，在实际应用中取得良好的效果。
3 位置检测电路设计思路
航空发动机位置检测是发动机地面检测的重要项目。尤其是压气机进气导流叶片位置的变化直接影响发动机的供气量，如果发动机的供气量与需气量不相一致，就可能会导致压气机发生喘振或者进气道痒振。因此设计相应的位置检测电路是必要的。
对于发动机位置检测主要是通过在检测位置加装专用电阻式位置传感器实现，电阻式位置传感器将位置的变化转换成与之呈线性关系的电阻值的变化，然后再经阻值测量电路，实现对信号的测量[5]。其示意图如图3所示。
图3 位置检测电路设计思路示意图
3.1 恒流源阻值检测电路设计思路
对于阻值的测量主要采用恒流源法。向电阻Rx （电阻式位置传感器阻值）提供恒定电流Is，通过测量输出端电压Ux即可计算出电阻Rx的阻值。输出电压关系式为：
Ux=Rx·Is（2）
恒流源的产生方法有很多，有基本恒流源法、基于OP07运算放大器的恒流源法等。但实际使用中发现，这两种恒流源电路的恒流效果并不理想。基本恒流源电路本身误差大，基于OP07运算放大器的恒流源电路的误差主要是运算放大器正相输入端电压的稳定性不好造成的。解决的办法主要是利用高精度的恒压源输出稳定电压作为运算放大器正相输入端电压，这样可以有效地提高恒流效果。因此在检测电路的设计中一定要结合实际需要对电路进行完善。
3.2 高精度检测电路设计思路
对于恒流源测电阻的电路其主要问题在于能否保证测量的精度，从而为机务保障提供准确的信息。当恒流源通过电阻时输出一定的电压，对于输出的电压可以通过减法电路将电压范围进行放大，并通过放大电路将电压放大到与数据采集卡电压相一致。这样就可以提高检测的精度。其示意图如图4所示。
图4 高精度检测电路设计思路
4 结论
本文通过理论分析与外场实践相结合对发动机主要参数的检测电路提出了通用的设计思路，不仅提出了检测电路的设计思路，而且有针对性的提出了高精度检测电路的设计思路。为航空发动机检测设备的设计与升级提供了基本的设计理念。
【参考文献】
[1]李晓明，蔡忠春，蒋宁.航空发动机转速信号的检测[J].长春工业大学学报：自然科学版，2007，28（2）.
[2]孟凡娟，姚进，任德均.飞机发动机转速实时检测与仪表系统的研制[J].机械，2004，31（8）.
[3]蔡忠春，李晓明，姜晓莲.航空发动机热电偶冷端温度检测电路设计[J].计量与测试技术，2011，38（7）.
[4]谢斌，蒋宁，姜涛.某型航空发动机温度限制系统检测仪的硬件设计[J].长春工业大学学报：自然科学版，2010，31（2）.
[5]徐浩.检测技术与仪器[M].北京：清华大学出版社，2004：15-20.
[责任编辑：程龙]
对于冷端温度TL的测量，可将温度传感器放置在补偿导线与检测电路的连接点处，温度传感器输出与TL成线性关系的电流信号，经电阻成正比地转换为直流电压信号UL，再传入数据采集卡，并在数据采集卡内完成模数转换变为数字量，控制器读取该数字量，经过计算即可以得到TL，得到TL后通过热电偶在冷端温度为0℃时的分度表进行反插值就可以得到冷端补偿电压EL。通过计算机对EL、ET1进行运算就可得T6真实温度。（下转第30页）
（上接第5页）基于这种思路设计的冷端温度检测电路，已经应用于现代飞机检测中，由于此电路具有线性度好、灵敏度高、电路简单、安全可靠等特点，在实际应用中取得良好的效果。
3 位置检测电路设计思路
航空发动机位置检测是发动机地面检测的重要项目。尤其是压气机进气导流叶片位置的变化直接影响发动机的供气量，如果发动机的供气量与需气量不相一致，就可能会导致压气机发生喘振或者进气道痒振。因此设计相应的位置检测电路是必要的。
对于发动机位置检测主要是通过在检测位置加装专用电阻式位置传感器实现，电阻式位置传感器将位置的变化转换成与之呈线性关系的电阻值的变化，然后再经阻值测量电路，实现对信号的测量[5]。其示意图如图3所示。
图3 位置检测电路设计思路示意图
3.1 恒流源阻值检测电路设计思路
对于阻值的测量主要采用恒流源法。向电阻Rx （电阻式位置传感器阻值）提供恒定电流Is，通过测量输出端电压Ux即可计算出电阻Rx的阻值。输出电压关系式为：
Ux=Rx·Is（2）
恒流源的产生方法有很多，有基本恒流源法、基于OP07运算放大器的恒流源法等。但实际使用中发现，这两种恒流源电路的恒流效果并不理想。基本恒流源电路本身误差大，基于OP07运算放大器的恒流源电路的误差主要是运算放大器正相输入端电压的稳定性不好造成的。解决的办法主要是利用高精度的恒压源输出稳定电压作为运算放大器正相输入端电压，这样可以有效地提高恒流效果。因此在检测电路的设计中一定要结合实际需要对电路进行完善。
3.2 高精度检测电路设计思路
对于恒流源测电阻的电路其主要问题在于能否保证测量的精度，从而为机务保障提供准确的信息。当恒流源通过电阻时输出一定的电压，对于输出的电压可以通过减法电路将电压范围进行放大，并通过放大电路将电压放大到与数据采集卡电压相一致。这样就可以提高检测的精度。其示意图如图4所示。
图4 高精度检测电路设计思路
4 结论
本文通过理论分析与外场实践相结合对发动机主要参数的检测电路提出了通用的设计思路，不仅提出了检测电路的设计思路，而且有针对性的提出了高精度检测电路的设计思路。为航空发动机检测设备的设计与升级提供了基本的设计理念。
【参考文献】
[1]李晓明，蔡忠春，蒋宁.航空发动机转速信号的检测[J].长春工业大学学报：自然科学版，2007，28（2）.
[2]孟凡娟，姚进，任德均.飞机发动机转速实时检测与仪表系统的研制[J].机械，2004，31（8）.
[3]蔡忠春，李晓明，姜晓莲.航空发动机热电偶冷端温度检测电路设计[J].计量与测试技术，2011，38（7）.
[4]谢斌，蒋宁，姜涛.某型航空发动机温度限制系统检测仪的硬件设计[J].长春工业大学学报：自然科学版，2010，31（2）.
[5]徐浩.检测技术与仪器[M].北京：清华大学出版社，2004：15-20.
[责任编辑：程龙]
对于冷端温度TL的测量，可将温度传感器放置在补偿导线与检测电路的连接点处，温度传感器输出与TL成线性关系的电流信号，经电阻成正比地转换为直流电压信号UL，再传入数据采集卡，并在数据采集卡内完成模数转换变为数字量，控制器读取该数字量，经过计算即可以得到TL，得到TL后通过热电偶在冷端温度为0℃时的分度表进行反插值就可以得到冷端补偿电压EL。通过计算机对EL、ET1进行运算就可得T6真实温度。（下转第30页）
（上接第5页）基于这种思路设计的冷端温度检测电路，已经应用于现代飞机检测中，由于此电路具有线性度好、灵敏度高、电路简单、安全可靠等特点，在实际应用中取得良好的效果。
3 位置检测电路设计思路
航空发动机位置检测是发动机地面检测的重要项目。尤其是压气机进气导流叶片位置的变化直接影响发动机的供气量，如果发动机的供气量与需气量不相一致，就可能会导致压气机发生喘振或者进气道痒振。因此设计相应的位置检测电路是必要的。
对于发动机位置检测主要是通过在检测位置加装专用电阻式位置传感器实现，电阻式位置传感器将位置的变化转换成与之呈线性关系的电阻值的变化，然后再经阻值测量电路，实现对信号的测量[5]。其示意图如图3所示。
图3 位置检测电路设计思路示意图
3.1 恒流源阻值检测电路设计思路
对于阻值的测量主要采用恒流源法。向电阻Rx （电阻式位置传感器阻值）提供恒定电流Is，通过测量输出端电压Ux即可计算出电阻Rx的阻值。输出电压关系式为：
Ux=Rx·Is（2）
恒流源的产生方法有很多，有基本恒流源法、基于OP07运算放大器的恒流源法等。但实际使用中发现，这两种恒流源电路的恒流效果并不理想。基本恒流源电路本身误差大，基于OP07运算放大器的恒流源电路的误差主要是运算放大器正相输入端电压的稳定性不好造成的。解决的办法主要是利用高精度的恒压源输出稳定电压作为运算放大器正相输入端电压，这样可以有效地提高恒流效果。因此在检测电路的设计中一定要结合实际需要对电路进行完善。
3.2 高精度检测电路设计思路
对于恒流源测电阻的电路其主要问题在于能否保证测量的精度，从而为机务保障提供准确的信息。当恒流源通过电阻时输出一定的电压，对于输出的电压可以通过减法电路将电压范围进行放大，并通过放大电路将电压放大到与数据采集卡电压相一致。这样就可以提高检测的精度。其示意图如图4所示。
图4 高精度检测电路设计思路
4 结论
本文通过理论分析与外场实践相结合对发动机主要参数的检测电路提出了通用的设计思路，不仅提出了检测电路的设计思路，而且有针对性的提出了高精度检测电路的设计思路。为航空发动机检测设备的设计与升级提供了基本的设计理念。
【参考文献】
[1]李晓明，蔡忠春，蒋宁.航空发动机转速信号的检测[J].长春工业大学学报：自然科学版，2007，28（2）.
[2]孟凡娟，姚进，任德均.飞机发动机转速实时检测与仪表系统的研制[J].机械，2004，31（8）.
[3]蔡忠春，李晓明，姜晓莲.航空发动机热电偶冷端温度检测电路设计[J].计量与测试技术，2011，38（7）.
[4]谢斌，蒋宁，姜涛.某型航空发动机温度限制系统检测仪的硬件设计[J].长春工业大学学报：自然科学版，2010，31（2）.
[5]徐浩.检测技术与仪器[M].北京：清华大学出版社，2004：15-20.
[责任编辑：程龙]
