袁雪松++皮駿

[摘 要]為了監(jiān)測航空發(fā)動機的運行狀態(tài)，設計一套針對雙轉(zhuǎn)子渦輪風扇發(fā)動機的振動信號監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)包括輸入、運算和輸出三個部分。輸入部分主要由振動通道構成，采用多通道同時對振動信號進行放大，針對不同航空發(fā)動機和不同的振動傳感器自由選擇放大倍數(shù)，濾波器采用Butterworth低通濾波器，其設計簡單、通帶衰減平緩、性能穩(wěn)定，適合于此系統(tǒng)。

[關鍵詞]航空發(fā)動機；振動信號；放大；濾波

中圖分類號：V217.39 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0330-02

1 振動通道的設計

1.1 振動通道數(shù)量的確定

在雙轉(zhuǎn)子渦輪發(fā)動機的風扇機匣、進氣機匣、渦輪機匣、發(fā)動機前安裝節(jié)和后安裝節(jié)處各安裝兩個振動傳感器。各處安裝兩個傳感器是為了防止其中一個傳感器損壞或相應電路通道失效后，仍有另一組信號傳輸至振動監(jiān)測硬件系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運行，故需要10組振動通道。另外在過程量通道處設計有兩組積分振動通道，在需要的時候可以將振動通道中10組中任意一組振動信號接入積分通道完成積分運算。

1.2 單通道內(nèi)信號放大

傳感器的輸出信號需經(jīng)過電壓放大后再進行濾波，之后進行A/D轉(zhuǎn)換。信號放大將采用運算放大器實現(xiàn)。放大方式采用反向放大方式，由運算放大器和電阻組成反向放大器。根據(jù)運算放大器“虛短”和“虛斷”原理知：

為了保證信號強度可以實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，將單通道內(nèi)信號分為多組進行放大，通過多組不同的反向放大器，初步設定放大值為-0.5、-1、-5、-25、-125。任意一組振動信號可對放大到上述任意一個放大倍數(shù)。

1.3 單通道內(nèi)信號放大后的通道切換

為了順利將多組放大后的信號中的一組選用并進行濾波，采用CMOS模擬多路復用器進行線路選擇。CMOS模擬多路復用器選用Intersil公司的DG408。接入放大值分別為-0.5、-1、-5、-25、-125的不同信號，接地，GND接地，D端連接后端的濾波器以及其他元件。、、和EN接入數(shù)字信號，和分別接+5V與-5V。

2 低通濾波器的設計與仿真

經(jīng)由CMOS模擬多路復用器選擇后的信號分為三組信號經(jīng)不同頻率的有源低通濾波器，之后再經(jīng)過另一個CMOS模擬多路復用器選擇低通頻率，輸出至A/D轉(zhuǎn)換。濾波器采用巴特沃斯（Butterworth）型濾波器，三組有源低通濾波器截止頻率分別為10kHz、2kHz 和500Hz。

10KHz巴特沃斯低通濾波器設計要求其通帶截止頻率（），通帶衰減；阻帶截止頻率（），阻帶衰減。

利用MATLAB軟件繪制其特性曲線，如圖1、圖2所示。從幅頻特性圖可看出所設計的低通濾波器在時信號幅值開始明顯下降，到時信號幅值趨近于零。從信號衰減特性圖可看出信號衰減為零并開始衰減，時信號衰減28dB，其通帶和阻帶截止頻率處衰減值均優(yōu)于設計指標。

2kHz和500Hz巴特沃斯低通濾波器要求其通帶截止頻率、，通帶衰減均約等于1dB，阻帶截止頻率、，阻帶衰減約大于25dB。

同理獲得2kHz和500Hz巴特沃斯低通濾波器傳遞函數(shù)：

利用MATLAB 軟件繪制其特性曲線，如圖3～圖6所示。從幅頻特性圖（圖3、圖5）中可以看出信號的幅值在設計頻率附近開始衰減；從信號衰減特性圖（圖4、圖6）可看出通帶截止頻率處衰減為1dB左右，阻帶截止頻率處衰減為28dB左右，符合設計要求。

4 總結

航空發(fā)動機的振動信號監(jiān)測硬件系統(tǒng)的振動通道部分已設計完成。振動信號經(jīng)傳感器輸出至由運算放大器組成的放大電路進行分組放大，各組放大倍數(shù)不同，由模擬多路復用器選擇所需要的放大信號進行分組濾波處理，各組濾波器參數(shù)不相同，同樣由模擬多路復用器選擇濾波后的振動信號進行后續(xù)處理。

參考文獻：

[1] 王志.航空發(fā)動機整機故障診斷技術研究[D].沈陽航空工業(yè)學院，2007，1：3

[2] 孫海東，傅強.航空發(fā)動機振動監(jiān)測研究[J].機械設計與制，1001-3997（2007）02-0127-02.

第一作者

袁雪松，（1985-05），安徽合肥，本科，南京理工大學，工程師，研究方向：發(fā)動機。

第二作者

皮駿，副教授，主要研究領域：轉(zhuǎn)子振動和流體力學的研究。