基于PC104的航空發(fā)動機試車參數(shù)檢測系統(tǒng)研究

摘要：發(fā)動機性能的好壞主要取決于發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、滑油壓力、燃油壓力和排氣溫度等技術(shù)參數(shù)。本文介紹了基于PC104的航空發(fā)動機試車參數(shù)檢測系統(tǒng)的特點、功能、結(jié)構(gòu)組成和工作原理。針對系統(tǒng)的主要檢測項目，討論了系統(tǒng)的檢測電路設(shè)計。
關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；試車；PC104；控制器

0 引言
    航空發(fā)動機是飛機的核心部件，是飛機的動力源。航空發(fā)動機維護質(zhì)量直接影響飛機使用情況，甚至影響到飛機的飛行安全。航空發(fā)動機在壽命期內(nèi)，為了保證飛行安全，按規(guī)定必須要定期對飛機發(fā)動機進行試車，檢查發(fā)動機各項性能的好壞。飛機座艙內(nèi)有顯示試車參數(shù)的指針式儀表，但觀察不方便、精度不高、人為誤差較大，且機務(wù)人員反映，當發(fā)動機試車時，需要記錄大量的參數(shù)，尤其發(fā)動機故障試車時，還需對試車數(shù)據(jù)進行分析，使試車時間長，數(shù)據(jù)記錄、分析處理很不方便。這些缺點與現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭要求已非常不適應(yīng)，不能滿足外場的維護要求。本試車參數(shù)檢測系統(tǒng)基于PC104總線技術(shù)，能夠?qū)崟r檢測、顯示、存儲和打印發(fā)動機試車過程中的主要技術(shù)參數(shù)，從而使機務(wù)人員能夠準確地分析、判斷和排除發(fā)動機故障，提高發(fā)動機使用可靠性。同時可大大縮短維修時間，節(jié)約人力、物力，使發(fā)動機的維修更加科學、更有針對性。

1 設(shè)計的立足點
1．1 保證可靠性
    系統(tǒng)研制中始終注重其可靠性和安全性。對外購器材，向供應(yīng)方提出所供產(chǎn)品必須滿足GJB標準的可靠性要求，供應(yīng)方提供完整的產(chǎn)品合格證書、使用維護說明等文檔材料，并簽定承包合同，以確保外購器材的可靠性。軟硬件設(shè)計嚴格按照設(shè)計規(guī)范和可靠性大綱進行，采用電磁隔離傳感器，傳感器的信號輸入與輸出端和電源都是隔離的，沒有任何電路加入到飛機上的儀表中，原有的儀表可以正常工作。當系統(tǒng)和飛機連接好后，即使試車儀沒有工作或沒有正常工作，飛機上原有的儀表都能正常工作。
1．2 保證可操作性
    系統(tǒng)研制中采用以人為本的設(shè)計思想，充分考慮到機務(wù)人員的使用要求，智能化程度高、人機界面好、操作簡單、使用方便，具有良好的可操作性。
1．3 保證互換性
    系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮到元器件的互換性，盡量選用標準的、通用性好的元器件，對于軍品盡量選用航空產(chǎn)品，保證設(shè)備具有良好的互換性，便于機務(wù)人員維修。
1．4 保證精度
    保證精度是系統(tǒng)研制過程中始終堅持的設(shè)計思想，研制中主要采取了以下方法：一是選用高精度傳感器，使采集到的信號精度能夠達到測試要求：二是采用軟件濾波方法，濾除干擾數(shù)據(jù)，保證采集數(shù)據(jù)的準確性；三是硬件設(shè)計保證精度，采集數(shù)據(jù)時不影響機上傳感器和儀表的正常工作，保證采集到的數(shù)據(jù)真實準確。

2 特點及功能
    航空發(fā)動機試車參數(shù)檢測系統(tǒng)是在借鑒國外地面檢測設(shè)備基礎(chǔ)上研制的設(shè)備。它采用PC104總線工業(yè)計算機和EL屏顯示器，使檢測系統(tǒng)具有體積小、重量輕、便于移動、操作簡單、自動化程度高、可靠性好、顯示信息豐富、人機界面好等特點，能夠全面檢測座艙顯示的發(fā)動機性能參數(shù)，且準確性高于座艙指針儀表。
    系統(tǒng)功能包括：1)實時檢測、顯示發(fā)動機的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、發(fā)動機振動速度、滑油壓力、滑油溫度、主、副油道燃油壓力和排氣溫度：2)實時繪制試車曲線；3)保存試車參數(shù)數(shù)據(jù)；4)試車結(jié)束后，可以查看試車過程中各參數(shù)的數(shù)據(jù)和試車曲線；5)試車儀與計算機數(shù)據(jù)通訊，試車過程中各參數(shù)的數(shù)據(jù)傳送到計算機上，機務(wù)人員可以在計算機查看各參數(shù)的數(shù)據(jù)，以便分析和排除故障。

3 結(jié)構(gòu)組成和工作原理
    試車參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計思想是在不影響飛機儀表正常工作和保證發(fā)動機工作安全、可靠的前提下，利用飛機原有的傳感器加以實現(xiàn)。檢測系統(tǒng)的工作不影響維護人員的正常操作，使用時按地面檢測發(fā)動機程序試車。此系統(tǒng)包括各傳感器、控制器、數(shù)據(jù)采集卡、檢測電路、鍵盤、供電電源和顯示屏等部分。檢測原理見圖1所示。

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    試車時，發(fā)動機輸出的高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速模擬信號、振動速度模擬信號、滑油壓力模擬信號、滑油溫度模擬信號和排氣溫度模擬信號從飛機的連接插頭處引出，經(jīng)過檢測電路把各參數(shù)的模擬信號隔離轉(zhuǎn)換為直流電壓信號。主、副油道燃油壓力變送器與燃油主、副輸油圈上的測量接頭相連，壓力變送器感受油壓變化，輸出與主、副油道燃油壓力成正比的直流電壓信號。這些直流電壓信號通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入到控制器中，在控制器內(nèi)通過程序計算得到各參數(shù)的數(shù)值?？刂破魍ㄟ^程序控制把檢測到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器，并在EL顯示屏上顯示各參數(shù)的試車數(shù)據(jù)和試車曲線等。
    控制器是核心部分，主要功能是根據(jù)用戶程序從數(shù)據(jù)采集卡中讀取與各參數(shù)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算得到各參數(shù)的實際值并存儲到數(shù)據(jù)存儲器上；控制EL平板顯示屏顯示人機交互的界面、各參數(shù)的試車數(shù)據(jù)、試車曲線等。它采用盛博科技有限公司生產(chǎn)的PC104總線的嵌入式工業(yè)計算機，型號為SysCentreModule／SDXpn。其主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：1)嵌入式486處理器，工作頻率50MHz；2)16M字節(jié)的RAM；3)1M顯存；4)標準DMA，中斷定時控制器；5)帶擴展的工業(yè)標準BIOS；6)VGA支持單色LCD，EL顯示屏，以及模擬CkT；7)支持DOC電子盤；8)電源要求：+5V ±5％，0．8A；10)工作環(huán)境溫度：-40～+80℃。
    數(shù)據(jù)采集卡完成各參數(shù)模擬量信號的采集，采用由北京中泰研創(chuàng)計算科技有限公司生產(chǎn)的PC104總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡PM511P，具有16路A／D轉(zhuǎn)換通道、4路D／A通道、24路可編程開關(guān)量輸入輸出、3路計數(shù)通道，并且能夠在-40～+80℃的環(huán)境條件下進行工作。此外該采集
卡還完成鍵盤信號的采集。
    供電電源用來把機場的27V的直流電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部電路需要的+5V、±12V，+24V直流電，采用兩塊DC-DC變換器，把27V直流電轉(zhuǎn)換為PC104以及其它用電元件所需要的+12V、-12V、+24V和+5V的直流電源。它的轉(zhuǎn)換精度高并且能在-40～55℃的環(huán)境下穩(wěn)定工作。
    EL顯示屏用于顯示人機交互時的提示字符和檢測到的各參數(shù)的數(shù)據(jù)以及試車曲線等，采用的型號是EL640．480-AGI-ET。它的主要技術(shù)參數(shù)為：1)分辨率：640×480；2)尺寸：8．1英寸；3)供電電源：12V；4)工作溫度：-40～+85℃。
    DOC電子盤用來保存試車過程中檢測得到的各參數(shù)數(shù)據(jù)，另外還用來存儲控制器的操作系統(tǒng)文件、儀器的控制程序文件等。DOC電子盤的容量為128M。鍵盤采用的是簡單的開關(guān)式鍵盤，鍵盤信號通過數(shù)據(jù)采集卡送入到PC104總線的工業(yè)計算機中。
    面板上的鍵盤用于人機交互，向控制器輸入命令和數(shù)據(jù)。它有6個鍵，選用簡單的開關(guān)式鍵盤，鍵盤信號通過數(shù)據(jù)采集卡進入到控制器中，接口簡單、方便適用。

4 檢測電路設(shè)計
    檢測電路的功用是把能夠反映各參數(shù)大小的電流、電壓、頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡能夠拾取的0～5V的直流電壓信號。
4．1 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計
    發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測原理如圖2所示。隔離電壓傳感器把轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號進行隔離，輸出與轉(zhuǎn)速傳感器的輸出頻率信號的電壓成正比的-5v～+5V電壓信號，經(jīng)濾波電路對輸出的信號進行濾波，濾掉高頻干擾信號，再經(jīng)整形電路把輸出的信號轉(zhuǎn)換為標準的5V方波信號并保持頻率不變。通過單片機測量5V方波信號的頻率并經(jīng)過計算得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，向D／A轉(zhuǎn)換器輸出與轉(zhuǎn)速成正比的數(shù)字量。D／A轉(zhuǎn)換器把與轉(zhuǎn)速成正比的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)速成正比的0～5V直流電壓，然后送入到數(shù)據(jù)采集卡中。在數(shù)據(jù)采集卡中經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量，然后送入到控制器內(nèi)。在控制器內(nèi)經(jīng)過計算就可以得到轉(zhuǎn)速的實際值。

4．2 振動速度檢測電路設(shè)計
    在圖3中上面虛框表示的是發(fā)動機上原有的振動速度檢測裝置的工作原理。圖中電子組合用來感受發(fā)動機兩個振動速度傳感器輸出的微弱交流電壓信號，然后把它轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，再送入到振動指示器中進行指示。

    在圖3中下面虛框表示的就是發(fā)動機振動速度檢測電路。把送入到振動指示器的與振動速度一一對應(yīng)的直流電壓信號引出到振動速度檢測電路中，隔離電壓傳感器把與振動速度一一對應(yīng)的直流電壓信號進行隔離，輸出成正比的直流電壓信號，然后經(jīng)過濾波器濾掉高頻干擾信號，最后送入到數(shù)據(jù)采集卡中。在數(shù)據(jù)卡中經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后送入控制器中。在控制器內(nèi)經(jīng)過計算就可以得到振動速度的實際值。[!--empirenews.page--]
4．3 滑油壓力檢測電路設(shè)計
    在圖4中左側(cè)虛框內(nèi)表示一個滑油壓力傳感器，右側(cè)虛框內(nèi)表示一個滑油壓力表，它們組成飛機上原有的滑油壓力檢測裝置。滑油壓力決定滑油壓力傳感器內(nèi)的活動銜鐵的位移，活動銜鐵的位移決定兩線圈的感抗，兩線圈感抗的變化又改變了滑油壓力表的流比計的兩線框的電流變化，且兩線框的電流比i1／i2與滑油壓力是一一對應(yīng)的。滑油壓力表是一個電流比值表。它的指針偏轉(zhuǎn)角度與電流比i1／i2一一對應(yīng)，即一定的滑油壓力對應(yīng)一定的滑油壓力指示值。

    如果通過檢測兩線框的電流比來確定滑油壓力的大小，必將破壞飛機上原有的滑油壓力表，這顯然是不允許的。通過理論分析發(fā)現(xiàn)滑油壓力傳感器與滑油壓力表的兩根連線的電流比I1／I2與滑油壓力表流比計的兩線框的電流比i1／i2一一對應(yīng)，所以通過測量滑油壓力傳感器與滑油壓力表的兩根連線的電流比I1／I2來確定滑油壓力的大小。
    在圖4中中間虛框表示的就是滑油壓力檢測電路。隔離電流傳感器將滑油壓力傳感器與滑油壓力表的兩根連線的電流信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，然后再通過比例放大電路把隔離電流傳感器輸出的電壓信號調(diào)整為控制器能夠識別的0～5V的直流電壓信號送入到數(shù)據(jù)采集卡中。在數(shù)據(jù)采集卡中經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入到控制器中，在控制器中經(jīng)過計算就可以得到滑油壓力的實際值。
    滑油壓力傳感器與滑油壓力表相連的兩根導線上的脈動直流電的電流I1、I2與其對應(yīng)的隔離電流傳感器的輸出電壓關(guān)系是u1=0．1×l1，u2=0．1×l2。I1、I2的范圍為0～50mA，隔離電流傳感器的輸出電壓為0～5V。I1／I2與滑油壓力的關(guān)系見表1。

5 結(jié)論
    航空發(fā)動機試車參數(shù)檢測系統(tǒng)是外場維護發(fā)動機的重要設(shè)備，已交付使用。從反饋的信息來看，本系統(tǒng)具有體積小、重量輕、便于移動、自動化程度高、操作方便和便于外場使用的特點。此系統(tǒng)的應(yīng)用避免了在故障排除過程中反復拆裝換件、反復試車，節(jié)省時間、人力和物力，減少發(fā)動機磨損，提高發(fā)動機的使用壽命，極大地提高了維護工作效率，節(jié)約維護成本，將為用戶帶來很大的經(jīng)濟效益。