一种航空发动机智能检屑装置设计

万 洋，魏 麟，刘晔璐，李忠良

(中国民用航空飞行学院，四川广汉 618307)

0 引言

航空发动机作为飞机的核心部件，其健康状态对飞行安全具有重要意义。发动机工作时，内部机械零件的金属屑末会进入滑油，在发动机正常工作状态下，金属屑末的数量和大小会趋于一个比较低的数值，在故障发生的前期，该数值会急剧上升[1]。因此，检测滑油系统中金属屑末的大小和数目能够有效地进行故障预防和故障诊断。据有关部门统计，某型军用发动机因润滑油中金属含量过多、机油滤清器上出现异常金属屑而超标。导致发动机振动过大，提前换发，严重威胁飞行安全[2]。因此检测航空发动机滑油中的金属屑末，对保障飞行安全有着重大工程意义。

对滑油系统中的金属屑末检测分为离线式和在线式检测[3]。其中在线式检测具备实时、准确、高效等优点。在线检测系统是该领域未来的发展趋势。国内外学者提出许多关于航空发动机金属屑末检测的方案，其中国外的在线检测技术已经有产品面世，而国内的大部分研究成果均在离线检测方面。纵观国内的金属屑末在线检测技术，尚无成熟产品应用于实际。故本文针对电感式金属屑末信号传感器设计了一种智能检屑装置，实现国内航空发动机滑油金属屑末在线检测[4]。

1 原理与设计

1.1 智能检屑装置的工作原理

该装置的输入信号来源于电感式金属屑末传感器，该传感器通过一组激励线圈和感应线圈实现磁激励和磁感应，如图1所示，智能检屑装置输出一个特定频率和电压的激励信号驱动传感器激励线圈产生交变磁场，2个励磁线圈产生由励磁驱动的2个极性相反的磁场，并在感应线圈上相互抵消，然后输出“零点”电压[5]。当金属屑末通过传感器时对2个激励线圈产生的磁场形成不同时序的干扰，铁磁性金属屑末对磁场产生增益效果，非铁磁性金属屑末对磁场产生减损效果，由此感应线圈因磁场失衡输出微弱调幅信号。该调幅信号进入检屑装置进行放大，检波及识别，并通过串口将识别结果发送到上位机进行统计分析。通过最终信号的幅值和周期来判断出屑末的种类、大小。此方法能统计出一定时间内发动机磨损的发生发展情况，对可能出现的设备失效做出趋势分析和预警，整个系统具备实时、全液流的特点。

图1 金属屑末传感器原理示意图

1.2 总体框架

智能检屑装置的外壳采用航空机箱结构，主要由盖板、支柱、下壳体、插座等组成，该装置的下壳体采用整块铝材铣削加工，保证了结构强度及稳定性。

根据传感器的特点，对智能检屑装置的电路进行模块化设计，整个大系统的原理框图如图2所示，其中该装置主要包括激励信号模块、前置放大器、滤波模块、检波放大模块、数字处理模块以及供电滤波模块等部分。

图2 原理设计框图

2 实验电路设计

2.1 供电滤波模块设计

航空电源的直流输出电压在18～36 V，并且伴有一定程度的波动，为减小电压扰动对后级电路的影响，提高系统的电磁兼容性，在输入端采用EMI模块进行滤波，通过DC-DC变换模块可将输入电压调整为所需特定电压，它具有外围电路少、输出稳定、工作可靠等优势。

电源部分的稳定性和自身产生的DC-DC开关脉冲都会对系统性能产生影响，一是影响基线的噪声水平，造成颗粒大小的误识别，另一方面影响调理电路放大参数的稳定性。有鉴于此，在前级保留滤波器的基础上，改进DC-DC后级匹配供电滤波单元，在电源输出后级增加扼流线圈和匹配电容。根据整个系统需求，电源的输入为28 V直流航空电源，输出分为4路，VCC1、VCC2、VCC3、VCC4的大小分别为+15、-15、+5、+3.3 V。供电滤波电路如图3所示。

图3 供电滤波电路图

2.2 激励信号模块设计

传感器要对金属颗粒进行感应需外部提供一个稳定并具有足够驱动能力的激励，为了保证在不同颗粒通过传感器时输出一个与颗粒大小相关的信号，传感器激励信号的幅值及频率需保持稳定。根据激励为正弦信号这一特征可采用的实现形式有振荡电路方式、DA方式、独立信号发生器模块方式、FPGA内部DDS模块方式以及专用高速DDS模块方式。其中振荡电路结构简单，但频率稳定度差，易受环境温度的影响；DA输出方式需要的电路较大，输出的信号频率稳定度高，但高频噪声和畸变现象较严重，幅值不稳定；独立信号发生器模块易受阻容器件的温度特性的影响，频率比较容易漂移；FPGA方式需要独立的板卡及供电，开发流程较繁杂，数字噪声和杂散不易控制；相对而言专用DDS信号发生芯片构成电路比较简单，输出频率稳定性较高，电路结构简单，不易受环境温度的影响，更重要的是便于数字控制频率和相位，这对产品的自检和控制都有极大的优势。

对比多个芯片，采用的芯片为AD9850BRS，可以工作在3.3 V和5 V，内部最高时钟125 MHz，可以满足激励需要的137 kHz正弦信号。直接数字式频率合成电路如图4所示。

图4 直接数字式频率合成电路图

DDS模块产生的信号幅值和电流都不足以驱动传感器正常工作，需要将其幅值和输出电流加强，激励频率相对较高、DDS模块输出幅值相对较小，要达到合格的输出，需要带宽增益积较大的大电流运放，研制期间试验了各种放大器，最终选择LT1210作为激励放大，可以得到峰峰值20 V以上的激励信号，满足驱动要求。具体的电流放大电路如图5所示。

2.3 前置放大调理电路设计

传感器在有金属颗粒通过其中心孔时输出一个以载波为激励频率，调制幅度和颗粒大小相关的调幅信号，由于传感器原始输出信号非常微弱，经内部调谐放大后其输出通常在50～150 mV之间，调制度小于1%，这对后级的检波和分析来说非常困难，非常容易受到外部电场和偶然因素的干扰，因此传感器输出级的放大需保证在谐振的频率下，要求放大器的带宽和增益满足要求。AD624是一种较为优秀的仪用放大器，总GBP值为25 MHz，在输入信号不超过150 kHz的情况下，它具有较好的信噪比和输出稳定性。放大器的增益有3个等级并且为固定值，在其后串联一个反相放大器，可实现增益的连续调节，使信号满足后级电路的幅值要求。另外在保证原始信号在放大后达到一定强度条件下对该信号进行了带通滤波，中心频率设置在载波频率，有效降低了载波频段外的低高频噪声，能够得到信噪比较高的稳定调幅信号。具体的放大调理电路如图6所示。

图5 电流放大电路图

图6 前置放大调理电路图

2.4 检波放大、滤波电路设计

保证对原始调制信号的无损还原对磨损颗粒信号的检测非常重要。对调幅信号的解调通常有包络检波或者同步检波2种办法，包络检波采取检波二极管，其优势在于结构简单、实时性强，而同步检波比较适合于双边带或单边带振幅调制信号，我们的传感器输出标准调幅信号，其包络直接反映了调制信号的变化和特征，因而二极管包络检波方案比较适合该项目。经过大量实验发现，传统的二极管检波电路虽然可以解调出调制信号，但对于全频带范围的输入其输出响应还存在惰性失真和切削失真的现象。所以在传统方案的基础上改为双路包络检波电路，再紧跟一个差分放大器，使得相位相差180°的上包络信号和下包络信号的噪声相减，有用信号相加，以达到加强输出和降低共模噪声之目的。

OP37共模抑制比较高，对称性好，输出温漂小，并有足够的带宽，可以达到比较理想的放大效果。故采用OP37构成的差分放大电路对双路检波输出信号进行处理，由于放大倍数不够，再跟一级反相放大器，两级放大使得增益满足要求，便于后级A/D采样。

最后使放大信号通过有源低通滤波器，滤波杂波达到降噪目的。该滤波器采用压控电压源二阶低通滤波电路，电路中引用了负反馈，又引入了正反馈。检波、差分放大电路如图7所示。

图7 检波、差分放大电路图

2.5 数字处理模块设计

数字处理模块需提供的功能为

(1)拥有多路A/D采集通道，被采集信号的频率低于500 Hz；

(2)能够对DDS模块信号的产生提供时序脉冲信号；

(3)具备至少一路串行接口。

按照上述需采用基于ARM处理器平台STM32F407，其自带的ADC带宽可达1.2 MSPS，具备3个独立A/D和多达24路A/D测量通道，处理器工作频率可达72 MHz，具有多组通用高速GPIO和多个通用串行接口，可以全部满足系统的需求。

在处理模块辅助电路方面由于供电电压信号(3.3 V)、基线电压可能产生波动，为提高测量精度对其进行动态监控，对因其波动而产生的测量波动进行补偿。检波放大信号、供电电压信号、基线电压需将其解调放大后的信号压缩在0～3.3 V内，以符合采样要求。

3 仿真和实验结果

3.1 低通、带通滤波器的仿真结果

该装置的信号调理电路由反向放大器、差分放大器、低通滤波器、带通滤波器等组成。其中，低通滤波器和带通滤波器是重要组成部分，其性能的优劣直接决定整个装置检屑的技术指标。本文利用multisim软件仿真，低通滤波器和带通滤波器的仿真波特图如图8所示。

图8 高通、低通滤波器仿真图

由仿真波形图可得，低通滤波器的-3 dB处为950 Hz，说明其截止频率为950 Hz，根据传感器的线管长度和滑油流速可以计算，金属屑末相关的调制信号小于1 kHz，故其满足设计要求。带通滤波器的通带为24～500 kHz，由前级的测量结果发现，仪用放大器引入了2 MHz的噪声，而AM波的频率在137 kHz左右，带通滤波器可以筛选出有用信号，得到干净的AM波，便于后级检波，满足设计要求。

3.2 实验结果分析

将传感器与智能检屑装置连接，将0.5、0.3、0.2、0.125 mm的标准铁磁颗粒分别固定在一根塑料棒上，从传感器一端插入和抽出，利用示波器测量，可以得到相应的波形如图9、图10、图11、图12所示。

图9 0.5 mm铁磁颗粒波形图

图10 0.3 mm铁磁颗粒波形图

图11 0.2 mm铁磁颗粒波形图

图12 0.125 mm铁磁颗粒波形图

图13 0.6 mm非铁磁颗粒波形图

铁磁性金属颗粒插入和抽出传感器时，会产生两个标准正弦波形，其相位相反，幅值相同。当颗粒正向通过传感器时，正弦波先有波峰后有波谷，其相位与前文分析一致。

再将0.6、0.45 mm非铁磁性金属颗粒，采取同样的实验方法，可以得到相应的波形如图13、图14所示。波形同样为2个相位相反，幅值相同的正弦波形，可以看出，当非铁磁性金属颗粒正向通过传感器时，正弦波先有波谷后有波峰，其相位与铁磁性颗粒相反，即通过相位可判断出金属颗粒的性质。

图14 0.45 mm非铁磁颗粒波形图

通过测量上述实验检测波形，当铁磁性颗粒由大到小通过传感器时，最终的波形峰峰值分别为3.31 V、1.75 V、0.72 V、0.32 V；当非铁磁性颗粒由大到小通过传感器时，最终的波形峰峰值分别为0.73 V、0.33 V。通过对解调后反映颗粒大小的正弦信号进行峰峰值采样，软件规定相应的阈值，即可识别金属屑末大小；对波形的周期测量，即可统计出金属屑末的数量；对相位的测量，即可判断出金属屑末为铁磁性还是非铁磁性。每一个波形的电压都在0～3.5 V，便于后级的A/D采样，满足芯片对采样信号的电压要求。其中0.2 mm 及以上的铁磁性颗粒、0.5 mm以上的非铁磁性颗粒波形干净，信噪比高，使得最终的检出率较高，可达90%以上。而直径极小的0.125 mm的铁磁性颗粒、0.45 mm的非铁磁性颗粒噪声干扰较大，但是配合算法能够达到75%的检出率。

4 结论

智能检屑装置的电路设计与研制，实现了信号的实时检测，能够对传感器输出的全范围信号进行解调输出，并且能够对金属颗粒的种类和数量以及大小进行分析和统计，具备一定的抗噪能力。结果表明，该装置能够实现对低至0.125 mm铁磁性屑末及0.45 mm非铁磁性金属屑末的大小数目检测，提高了该领域的技术指标，对航空发动机滑油技术屑末在线检测技术的工程化应用，提供了参考。研究过程中发现整个系统在振动条件下的识别精度有所下降，下一步研究方向为加深对算法的研究，通过数字滤波器和小波变换进一步减少振动信号的干扰。