曾蘇凡，蔣世奇，袁世輝，曲建鳳

(1.成都信息工程學院電子工程學院，四川成都610225；2.成都信息工程學院控制工程學院，四川成都610225；3.西北工業(yè)大學能源與動力學院，陜西西安710072；4.中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

氣路碎屑監(jiān)測靜電傳感器設計及模擬實驗

曾蘇凡1，蔣世奇2，袁世輝3，4，曲建鳳1

(1.成都信息工程學院電子工程學院，四川成都610225；2.成都信息工程學院控制工程學院，四川成都610225；3.西北工業(yè)大學能源與動力學院，陜西西安710072；4.中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

基于靜電感應原理，結(jié)合航空發(fā)動機尾噴管結(jié)構(gòu)和模擬實驗環(huán)境要求，設計了一種用于氣路荷電碎屑監(jiān)測的靜電傳感器。通過荷電碎屑模擬實驗，證明了該靜電傳感器監(jiān)測荷電碎屑的有效性，并分析了碎屑荷電量、碎屑與探極表面相對位置對傳感器輸出的影響。結(jié)果表明：碎屑荷電量越多，傳感器輸出電壓幅值越大；同一軸向位置，隨著碎屑與探極表面徑向距離的增大，傳感器輸出電壓幅值迅速減??；碎屑與探極表面徑向距離一定時，碎屑與探極末端軸向距離越大，傳感器輸出電壓幅值越小。此外，還進一步分析了實驗過程中一些難以避免的影響測量結(jié)果的因素。

航空發(fā)動機；氣路故障；荷電碎屑監(jiān)測；靜電傳感器；模擬實驗；探極表面

1 引言

使用靜電技術(shù)監(jiān)測航空氣路故障的研究，始于20世紀70年代初的美國，其使用的基本前提是氣路故障產(chǎn)生的碎屑帶電[1]。發(fā)動機工作正常時，氣路環(huán)境有一個正常的靜電荷水平，而當氣體中的荷電碎屑數(shù)量增加時，氣路的總體電荷水平會隨之改變。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，可能有葉片磨損、燃燒室產(chǎn)生的大量碳粒散發(fā)出來、密封或涂層磨損及外來物等。氣路碎屑靜電監(jiān)測技術(shù)的基本原理，就是檢測發(fā)動機氣路中碎屑所攜帶的靜電電荷。本文介紹的氣路碎屑監(jiān)測系統(tǒng)，通過置于尾噴管處的靜電傳感器，來實時監(jiān)控發(fā)動機氣路靜電荷水平變化，以此來達到監(jiān)測氣路部件狀態(tài)的目的，為發(fā)動機提供初始故障狀態(tài)的早期預警信息。

1978年，Couch[2]研究并驗證了通過監(jiān)測氣路中的靜電脈沖信號，能有效監(jiān)測到發(fā)動機的性能退化，并表明采用該方法后大部分發(fā)動機至少能提前4 h預測到氣路故障。90年代，Powrie等[3-5]對靜電監(jiān)測技術(shù)做了大量實驗研究，并研制出了發(fā)動機故障監(jiān)測系統(tǒng)(EDMS)和吸入顆粒監(jiān)測系統(tǒng)(IDMS)。目前，該系統(tǒng)已成功應用在JSF、F-22等項目上，成為英、美等國限制出口的軍事技術(shù)[6]。

目前，國內(nèi)靜電監(jiān)測技術(shù)用于航空發(fā)動機氣路狀態(tài)監(jiān)測方面的研究還處于初期階段[7]，仍需進行大量的研究和實驗，才能最終實用。本文基于靜電感應原理，結(jié)合航空發(fā)動機尾噴管結(jié)構(gòu)和模擬實驗環(huán)境要求，設計了一種用于氣路荷電碎屑監(jiān)測的靜電傳感器，并通過模擬實驗驗證了其監(jiān)測荷電碎屑的有效性，分析了影響測量結(jié)果的因素。

2 靜電傳感器設計

氣路荷電碎屑監(jiān)測靜電傳感器，基于靜電感應[8]原理設計，主要分為傳感器物理結(jié)構(gòu)設計和內(nèi)部信號調(diào)理電路設計兩部分。

2.1 物理結(jié)構(gòu)設計

靜電傳感器的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，由探極、內(nèi)置信號調(diào)理電路、絕緣塊、屏蔽外殼和輸出電纜組成?？紤]到航空發(fā)動機尾噴管結(jié)構(gòu)和模擬實驗環(huán)境要求，傳感器探極設計為棒狀，探極與屏蔽外殼均采用耐高溫和電阻率小的不銹鋼材料制作，絕緣塊采用耐高溫(250℃)和電阻率高的聚四氟乙烯制作。在航空氣路管道中，荷電碎屑沿虛線由A處運動到B處，經(jīng)歷了遠離探極、靠近探極、再遠離探極的過程，使得靜電傳感器探極上的感應電荷隨之變化。感應電荷經(jīng)內(nèi)置信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換放大后輸出變化的電壓信號，再通過采集板卡采集到計算機中予以顯示和保存，從而監(jiān)測氣路中異常荷電碎屑的存在。

圖1 典型的發(fā)動機振動監(jiān)測原理圖Fig.1 Typical engine vibration monitoring principle

2.2 信號調(diào)理電路設計

假設靜電傳感器探極的感應電荷量為Q，靜電傳感器的電荷等效電路圖如圖2所示。圖中，Ca為靜電傳感器自身電容，Cc為傳感器輸出電纜電容，Ra為靜電傳感器的漏電阻，Ci為放大器輸入電容，Ri為放大器輸入阻抗，Cf為放大器反饋電容，Rf為并聯(lián)在反饋電容兩端的漏電阻。由于靜電傳感器的漏電阻不可能無窮大，感應電荷會通過電阻泄漏，因此電壓不能恒定不變。

圖2 靜電傳感器與電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路連接的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of electrostatic sensors and charge to voltage converting circuit

由電路理論可得放大器的輸出電壓U0：

運算放大器的開環(huán)增益K=100 dB(TL081運算放大器)即105倍、Cf=1 000 pF時，假設傳感器輸出電纜長500 m，采用低噪聲電纜STYV-1，則Cc≈50 000 pF；假設Ca=6 000 pF；則(1+K)Cf?Ca+Cc+Ci，此時Ca、Cc、Ci對電路的影響可忽略。當Ra、Ri相當大時，U0可寫為：

從式(2)中可看出：電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無關(guān)。

靜電傳感器的信號調(diào)理電路，由電荷電壓變換電路、適調(diào)放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路和電源五部分組成，其工作原理如圖3所示。

圖3 傳感器內(nèi)置信號調(diào)理電路工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of internally-installed signal conditioning circuit

(1)電荷電壓變換電路以運算放大器U1為核心，其將靜電傳感器探極上的感應電荷變換為電壓量，并將傳感器的高輸入阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?。本設計中的電路參數(shù)下，1 pC的感應電荷對應此級輸出1 mV的電壓值。

(2)適調(diào)放大電路以運算放大器U2為核心。當電路最終輸出信號大于10 V時，信號將失真，此時可調(diào)節(jié)電位器使放大倍數(shù)降低。

(3)U3構(gòu)成了二階有源低通濾波電路，截止頻率為100 kHz，用于消除高頻干擾信號對電路的影響。

(4)由C4、R4構(gòu)成一階無源高通濾波器，截止頻率為0.3 Hz，用于抑制低頻干擾信號。

(5)電源部分(圖中未給出)是通過開關(guān)電源得到儀器工作電壓±15 V。

3 實驗研究

實驗目的是驗證本文設計的靜電傳感器對荷電碎屑監(jiān)測的有效性，并通過控制實驗條件的方法，分析實際碎屑監(jiān)測中輸出信號與輸入碎屑之間的定量關(guān)系。

3.1 荷電碎屑模擬實驗裝置

實驗裝置如圖4所示，以傳感器探極的軸為圓心的虛線同心圓表示傳感器的敏感空間；電機轉(zhuǎn)動帶動絕緣桿末端的石墨小球逆時針勻速運動，以電機軸為圓心的虛線圓表示石墨小球的運動軌跡；在石墨小球運動軌跡的另一側(cè)加上高壓電場，石墨小球經(jīng)過高壓電場后表面帶上電荷，以此來模擬荷電碎屑。為避免高壓電場對傳感器輸出造成干擾，淹沒石墨小球引起的有用信號，高壓電場置于距離傳感器探極的最遠端。實驗時統(tǒng)一傳感器和高壓電場的參考電壓，傳感器屏蔽外殼和內(nèi)置信號調(diào)理電路接大地，高壓電場負極接大地。

圖4 荷電碎屑模擬實驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of charged particles simulation experiment

傳感器探極置于屏蔽外殼以外部分長110 mm，探極直徑8 mm，石墨小球粒徑10 mm，高壓電場長度100 mm，絕緣桿長度200 mm。石墨小球運動至距離探極最近端時，探極表面與小球表面最近距離設為X。探極末端平面設為Y=0的平面，沿探極軸向越靠近傳感器屏蔽外殼，Y值越大。

3.2 實驗結(jié)果與分析

3.2.1 傳感器輸出有效性實驗

靜電傳感器的輸出由傳感器探極上感應電荷的總量產(chǎn)生，而探極上感應電荷的總量為敏感區(qū)域內(nèi)所有施感點電荷引起的感應電荷的疊加[9]。由于石墨小球粒徑遠小于其運動軌跡半徑，因此可忽略其粒徑，將其視作點電荷。

實驗中電機轉(zhuǎn)速調(diào)至2 000 r/min，石墨小球隨電機做勻速周期運動，反復多次經(jīng)過探極附近，故石墨小球經(jīng)過傳感器敏感區(qū)域的速度約為1.256 m/s，通過高壓電場充電時間約為2.33 ms。石墨小球旋轉(zhuǎn)軌跡位于Y=10 mm的平面，X=10 mm。

設置采樣頻率為1 000.0 Hz，圖5為實驗采集信號通過50.0 Hz陷波器后的輸出信號(去除工頻干擾)，圖6為該信號的頻域特性?？梢?，圖6中有一頻率為35.6 Hz的明顯峰值，與小球經(jīng)過探極附近的頻率(約33.3 Hz)十分接近。由于實驗誤差的存在，因此可確定35.6 Hz即為實際傳感器檢測到的石墨小球周期運動產(chǎn)生的信號頻率，本文設計的靜電傳感器能有效檢測到運動中的荷電碎屑。

3.2.2 參數(shù)對傳感器輸出的影響

二維靜電場中，探極上的感應電荷量由施感電荷量和施感電荷與探極表面的相對位置決定[10]。施感電荷量即石墨小球所帶電荷量，由小球充電時間決定。由于棒狀探極為軸對稱，因此施感電荷與探極表面的相對位置，可用X和Y來表示。

降低電機轉(zhuǎn)速至600 r/min，旋轉(zhuǎn)起始點在高壓電場內(nèi)，石墨小球充電一段時間后，轉(zhuǎn)動一圈，由遠端至探極附近再轉(zhuǎn)向遠端高壓電場內(nèi)停止。充電時間分別為5 s、4 s、3 s和2 s時，改變X值后重復實驗。需注意的是，每次實驗后，為避免上次實驗石墨小球上剩余電荷量對實驗造成影響，應對小球完全放電。另外，認為充電時間相同時，石墨小球每次實驗所帶的電荷量基本一致；X相同時，充電時間越長，小球荷電量越多。圖7示出了石墨小球充電5 s，旋轉(zhuǎn)軌跡位于Y=10 mm平面、X=1 mm時，石墨小球單次靠近探極引起的傳感器輸出信號。

圖8示出了小球旋轉(zhuǎn)軌跡位于Y=10 mm平面時，小球與探極表面徑向距離對傳感器輸出的影響?？梢?，荷電量相同時，X越大，傳感器輸出電壓越??；X、Y都相同時，小球荷電量越多，傳感器輸出電壓越大。

圖5 模擬實驗去工頻處理后的信號Fig.5 Signal after power frequency processing in simulation experiment

圖6 信號的頻域特性Fig.6 Frequency spectrum of the signal

圖7 石墨小球充電5 s，X=1 mm、Y=10 mm時靜電傳感器的輸出信號Fig.7 Electrostatic sensor output signal while graphite ball charging 5 s,X=1 mm,Y=10 mm

圖8 小球與探極表面徑向距離對傳感器輸出的影響(Y=10 mm)Fig.8 Influence of radial distance between the ball and the surface of the electrode on sensor output(Y=10 mm)

圖9示出了小球軸向位置對傳感器輸出的影響，其中小球充電時間統(tǒng)一為5 s?？梢姡琗一定時，小球沿探極軸向位置方向移動時，隨著Y值的增大，傳感器輸出電壓逐漸減小。

圖9 軸向位置對傳感器輸出的影響Fig.9 Influence of axial position on sensor output

用實驗的方法改變碎屑荷電量、碎屑與探極表面的相對位置，探極表面的感應電荷會產(chǎn)生變化，引起傳感器輸出變化，從而可分析得到傳感器的靈敏度分布情況。但由于實驗過程中的參數(shù)難以精確控制，因此存在著一些難以避免的誤差，如：

(1)文中認為小球充電時間一致時，其荷電量基本相同，但實驗中充電時間難以精確控制，另外即使充電時間完全一致，小球荷電量也不能保證完全相同。因此，實驗中設計的充電時間相差較大(1 s)，這樣不同充電時間下小球荷電量相差較多，在實驗結(jié)果趨勢存在的情況下可使其誤差在允許范圍內(nèi)。

(2)石墨小球與傳感器探極表面的相對位置難以精確控制，因此對探極表面的感應電荷量也會產(chǎn)生影響。通過優(yōu)化實驗裝置可減小該誤差，且該誤差不影響實驗結(jié)果趨勢。

(3)探極表面的感應電荷量會受濕度、溫度等實驗環(huán)境變化的影響，實驗環(huán)境變化較大時其影響較大。本文所用實驗數(shù)據(jù)集中在較短時間內(nèi)采集、存儲，環(huán)境溫度、濕度變化不大，環(huán)境引起的誤差較小，可忽略不計。

4 結(jié)論

本文基于靜電感應原理設計的靜電傳感器，能有效監(jiān)測到荷電碎屑。通過荷電碎屑模擬實驗表明：碎屑荷電量越多，傳感器輸出電壓幅值越大。同一軸向位置，碎屑與探極表面徑向距離越大，傳感器輸出電壓幅值減小越迅速；碎屑與探極表面徑向距離一定時，隨著碎屑距探極末端軸向距離的增大，傳感器輸出電壓幅值逐漸減小。本文所做工作，為氣路碎屑監(jiān)測系統(tǒng)的后續(xù)研究提供了依據(jù)。

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[3]Powrie H E G，Mcnicholas K.Gas Path Condition Monitor?ing During Accelerated Mission Testing of a Demonstrator Engine[R].AIAA 97-2904，1997.

[4]Powrie H E G，F(xiàn)isher C E.Monitoring of Foreign Objects Ingested into the Intake of a Gas Turbine Aero-Engine [C]//.International Conference on Condition Monitoring Proceedings.UK：University of Wales Swansea，1999：175—190.

[5]Powrie H E G，F(xiàn)isher C E.Engine Health Monitoring To?wards Total Prognostics[C]//.IEEE Aerospace Applica?tions Conference Proceedings，Colorado：IEEE，1999.

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[9]張祖壽.導體達到靜電平衡所需時間的數(shù)量級估計[J].物理與工程，2003，12(2)：20—21.

[10]蔡圣善，朱耘，徐建軍.電動力學[M].北京：高等教育出版社，2002.

Electrostatic Sensor Design for Debris Monitoring in Gas Path and Simulation Test

ZENG Su-fan1，JIANG Shi-qi2，YUAN Shi-hui3，4，QU Jian-feng1
(1.College of Electronic Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610025，China；2.College of Control Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610025，China；3.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；4.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Based on the principle of electrostatic induction,combining the structure of aero-engine nozzle and the requirements of simulation environment,an electrostatic sensor for charged particles monitoring in gas path was designed.The validity of the electrostatic sensor in charged particles monitoring was proved by charged particles simulation experiments.The effects of the particles charge,and the distance between the particles position and the electrode surface on the output of the sensor were also analyzed.The experimental results show that the more the charge of particles is,the bigger the output voltage amplitude of sensor is;the sensor output voltage amplitude decreases rapidly as the radial distance of debris and the surface of the electrode increases in the same axial location;the sensor output voltage amplitude gets smaller as the dis?tance between the debris and the electrode surface in the axial gets larger in case the radial distance be?tween the debris and the electrode surface is fixed.Some inevitable factors which affect the measuring re?sults in the experiments were further analyzed.

aero-engine；gas path fault；charged particles monitoring；electrostatic sensor；simulation test；surface of the electrode

V263.6

：A

：1672-2620(2014)05-0058-05

2014-02-14；

：2014-10-27

航空科學基金(20101024005)；成都信息工程學院科研基金(KYTZ201106)

曾蘇凡(1987-)，女，江西南昌人，碩士研究生，研究方向為信號獲取技術(shù)及處理。