峰值采樣電路在渦輪葉片溫度檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

隨著航天航空、汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和推力，需要盡可能提高渦輪入口溫度，進(jìn)而關(guān)系到渦輪葉片工作時(shí)的表面溫度。目前國(guó)外新型的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前的溫度已達(dá)到1 811～2 144 K，熾熱的燃?xì)庵苯优c渦輪葉片接觸，渦輪葉片需承受很高的熱負(fù)荷，然而，渦輪人口溫度受葉片材料限制，金屬材料的強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，因此不允許渦輪葉片在超溫狀態(tài)下工作，所以需要精確而快速地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)渦輪葉片溫度。

2 峰值采樣電路原理

渦輪葉片的溫度場(chǎng)表現(xiàn)為沿葉片弦向中間高、兩邊低的曲線(xiàn)形式，如圖1所示。


渦輪葉片高速旋轉(zhuǎn)，可將其弦向溫度曲線(xiàn)近似看作正弦曲線(xiàn)。為準(zhǔn)確找出每個(gè)葉片溫度的最大值，可僅在溫度信號(hào)到達(dá)峰值的瞬間對(duì)其采樣，得到溫度最大值，這種方法稱(chēng)為峰值采樣。因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)只采樣一次(在峰值點(diǎn))，并直接得到溫度最大值，無(wú)需復(fù)雜運(yùn)算，所以峰值采樣速度較快。

3 峰值采樣電路設(shè)計(jì)

峰值采樣電路通常由采樣／保持器和比較器組成。如圖2所示。LF398是采樣／保持器，CMP是比較器，CAP是保持電容。當(dāng)Vi>Vo時(shí)，V1為高電平，并控制LF398采樣；當(dāng)經(jīng)過(guò)峰值后，Vi<Vo，此時(shí)V1為低電平，使LF398處于保持狀態(tài)，此時(shí)VO不變，即峰值被保持。


實(shí)驗(yàn)證明此電路應(yīng)用于被測(cè)信號(hào)小于10 kHz的系統(tǒng)效果較好，由于被測(cè)溫度信號(hào)在30 kHz以上。頻率較高。該峰值采樣電路已不再適用，主要原因一是其保持時(shí)間太短，要求A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，改用高速A/D轉(zhuǎn)換器又不經(jīng)濟(jì)：二是對(duì)于峰值時(shí)刻與控制脈沖跳變時(shí)刻的偏移無(wú)法調(diào)節(jié)。這種電路用于較低頻率(10 kHz以下)系統(tǒng)效果較好，但隨著頻率的升高，偏移就越大。

基于以上原因，對(duì)該電路進(jìn)行改進(jìn)，給出一種由集成和分立元件組合的跨導(dǎo)型峰值采樣電路，如圖3所示。


圖3中，G是跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，B是跟隨器，CAP是保持電容。峰值采樣利用二極管的單向?qū)щ娦院碗娙萜鞯拇鎯?chǔ)作用構(gòu)成的，當(dāng)脈沖信號(hào)到來(lái)時(shí)，如果模擬輸入信號(hào)的幅度Vi大于A2的輸出幅度，則A1輸出高電平，并通過(guò)二極管對(duì)電容器CAP充電。只有當(dāng)A2的輸出上升到和模擬輸入值相等時(shí)，A1的輸出為低電平，則CAP才停止通電。這時(shí)電容CAP將保持輸入電壓值。

針對(duì)電壓型峰值采樣電路的缺點(diǎn)，提出由跨導(dǎo)運(yùn)算放大器代替電壓型中的一般運(yùn)算放大器。

跨導(dǎo)運(yùn)算放大器又稱(chēng)“OTA”。由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)。它將電壓輸入變?yōu)殡娏鬏敵?，并通過(guò)外加偏壓控制運(yùn)算放大器的工作電流。使其輸出電流在較大的范圍內(nèi)變化，具有電流輸出范圍寬、轉(zhuǎn)換速率高等特點(diǎn)，且無(wú)需外接電流源提供靜態(tài)回路。利用高速比較器直接比較保持信號(hào)與輸入脈沖來(lái)產(chǎn)生峰值信號(hào)。

4 電路分析及討論

對(duì)于跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的輸出電流有：


式中，g為跨導(dǎo)，當(dāng)在峰值電壓時(shí)，vi-vo。趨向于零，電流i也趨向于零，即在tL(回路時(shí)間，指信號(hào)從輸入到反饋回來(lái)的時(shí)間)的時(shí)間內(nèi)，電流i由最大向零變化。過(guò)沖也隨之變小。

同樣，計(jì)算該電路的頻率特性。

則系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

電路的轉(zhuǎn)折頻率為
此電路只有一個(gè)極點(diǎn)。

由以上計(jì)算可知，跨導(dǎo)型峰值采樣解決了電壓型峰值采樣的兩個(gè)缺點(diǎn)，如圖4所示，提高了峰值采樣的性能。實(shí)際電路的調(diào)試結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。CA3080是一種單片集成跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，具有電流輸出范圍寬、轉(zhuǎn)換速率高等特點(diǎn)，且無(wú)需外接電流源提供靜態(tài)回路。


具體電路如圖5所示。圖5電路中需注意C1值的選擇，根據(jù)不同的通頻帶上限頻率f所用的C1值是不同的。選擇方法如下：



對(duì)于跨導(dǎo)運(yùn)算放大器CA3080，其輸出最大電流時(shí)典型正向跨導(dǎo)為g=10 ms，在理想情況下，該電路的通頻帶極寬，主要原因在于OTA的輸出阻抗極大(約107Ω)，可近似認(rèn)為其輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)。

5 結(jié)束語(yǔ)

該峰值采樣電路線(xiàn)性較好，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖，通過(guò)調(diào)節(jié)電容C1的值，可調(diào)節(jié)帶寬。電路中的跟隨器LM358N輸入阻抗大，輸出阻抗小，起到阻抗匹配的作用。而且無(wú)需增設(shè)溫度補(bǔ)償特性電路，使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易調(diào)試維護(hù)，可靠性和一致性較好。

編輯：博子