陳虹潔，肖 川

(1.煙臺(tái)黃金職業(yè)學(xué)院 信息工程系，山東 煙臺(tái) 265401；2.煙臺(tái)南山學(xué)院 工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265700)

0 引言

在機(jī)械應(yīng)用系統(tǒng)中，無(wú)線傳感器組成模塊被完全封裝于一個(gè)足夠大的外殼結(jié)構(gòu)內(nèi)，利用振動(dòng)發(fā)電機(jī)與外接電池提供的傳輸電量，按需部署相關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，由于通信模塊、數(shù)據(jù)處理單元、微型傳感器等元件始終保持分散連接狀態(tài)，所以整個(gè)無(wú)線傳感體系一直沿用傳統(tǒng)的自組織構(gòu)成模式[1]。大多數(shù)無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)都保持逐級(jí)跳動(dòng)的傳輸行為，當(dāng)數(shù)據(jù)信息參量在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處大量累計(jì)時(shí)，路由器設(shè)備開(kāi)始快速運(yùn)轉(zhuǎn)，一方面對(duì)暫存的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行打包處理，使其以數(shù)據(jù)包的形式反饋至下級(jí)應(yīng)用單元之中，另一方面重新配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路，使得傳感器主機(jī)能夠?qū)κ占降谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行按需調(diào)度[2]。為保證信息參量的傳輸完整性，無(wú)線傳感器體系中必須配置一個(gè)容量足夠大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜的熱力學(xué)精密機(jī)械元件，作為飛機(jī)的心臟，不但能夠?yàn)槠涮峁╋w行動(dòng)力，還可以有效延長(zhǎng)飛行器元件的飛行續(xù)航時(shí)間。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，最常見(jiàn)的就是活塞式應(yīng)用結(jié)構(gòu)，其工作原理是指利用活塞承載燃?xì)鈮毫ψ饔?，并以此推?dòng)火花塞在氣缸中進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動(dòng)。然而隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，主軸承結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出明顯的溫度誤差，這不但會(huì)促使所得測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確性受到影響，還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)元件的壽命周期出現(xiàn)明顯縮短。因?yàn)?，?duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重要意義。

目前相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者針對(duì)軸承溫度監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究[3]。根據(jù)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)間序列，采用輕量級(jí)梯度增強(qiáng)學(xué)習(xí)器主軸承的溫度預(yù)報(bào)模型，并對(duì)其進(jìn)行殘差特性的估計(jì)。基于統(tǒng)計(jì)控制的方法，在控制線范圍內(nèi)篩選出主軸承的異常溫度，并利用AC-GAN進(jìn)行殘差的重建。利用自然梯度法對(duì)主軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行了分析。該方法可以對(duì)風(fēng)機(jī)軸承的工作狀況進(jìn)行有效的監(jiān)控。但溫度測(cè)量誤差較大。文獻(xiàn)[4]提出了基于多節(jié)點(diǎn)熱網(wǎng)絡(luò)法的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承溫度場(chǎng)分析。根據(jù)Hertz熱擴(kuò)散原理，將3個(gè)軸承部件分為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，即接觸面和本體，采用Hertz擴(kuò)散熱阻法進(jìn)行連接。在接觸部位設(shè)有油膜節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行加熱，由油膜熱阻將節(jié)點(diǎn)與支座的接觸面進(jìn)行熱阻。建立了多個(gè)節(jié)點(diǎn)的軸承熱網(wǎng)模型，得到了更加精細(xì)的溫度分布。該方法對(duì)滑油出口溫度的計(jì)算誤差不超過(guò)7%，但該方法的溫度計(jì)算準(zhǔn)確性有待提高。

針對(duì)上述問(wèn)題，以無(wú)線傳感器元件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在無(wú)線傳感器元件的作用下，根據(jù)協(xié)議棧的約束標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算溫度閾值，完善溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)序條件，采集航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度數(shù)據(jù)，建模處理發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度，從而有效校正航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的溫度誤差曲線。

1 實(shí)時(shí)溫測(cè)系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)由JTAG串口電路、DTSD720-L2型電量集中器、DS18B20溫度采集節(jié)點(diǎn)芯片、基于CC2430的溫感信號(hào)協(xié)調(diào)器等多個(gè)結(jié)構(gòu)共同組成，在基于ARM的無(wú)線傳感器元件的調(diào)試作用下，其具體設(shè)計(jì)方法如下。

1.1 JTAG串口電路

JTAG串口電路存在于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的VCC端口與VDD端口之間，可將交變電流轉(zhuǎn)化為直流傳輸形式，并通過(guò)電量循環(huán)的方式，將這些電子信號(hào)反饋至溫測(cè)系統(tǒng)的各級(jí)硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)之中。JTAG串口電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 JTAG串口電路結(jié)構(gòu)圖

VCC端口作為交變電流輸入端，其外部負(fù)載一個(gè)阻值較大的連接電阻R，當(dāng)電流輸入量較大時(shí)，轉(zhuǎn)存設(shè)備D會(huì)開(kāi)啟單向輸入狀態(tài)，一方面使得電量信號(hào)能夠在JTAG串口電路中快速傳輸，另一方面也可以適度緩解WTW-16P元件所面臨的電量轉(zhuǎn)存壓力，從而使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承元件的表現(xiàn)穩(wěn)定呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)[5-6]。VDD端口作為直流電量輸出端，與MCU-JTAG主板直接相連，當(dāng)WTW-16P元件處于連續(xù)閉合狀態(tài)時(shí)，MCU-JTAG主板會(huì)快速更改已存儲(chǔ)電量信號(hào)的排列方式，從而使得無(wú)線傳感器元件能夠準(zhǔn)確記錄航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承元件的運(yùn)行溫度數(shù)值。S主控器存在于轉(zhuǎn)存設(shè)備D的對(duì)立端，前者能夠?qū)笳邥捍娴碾娏啃盘?hào)進(jìn)行直接調(diào)取，并可以聯(lián)合WTW-16P元件已記錄的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，判定設(shè)備結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有表現(xiàn)溫度是否出現(xiàn)異常值狀態(tài)。

1.2 電量集中器

電量集中器負(fù)責(zé)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳輸電量信號(hào)聚合處理，由于其執(zhí)行功能的特殊性，在連接設(shè)備結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)按照功能分塊原理放置元件：即將電容與電容放在一起、將電阻與電阻放在一起。在設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，選取DTSD720-L2主板作為電量集中器元件的核心搭建結(jié)構(gòu)[7]。DTSD720-L2主板能夠?qū)﹄娏棵}沖信號(hào)進(jìn)行全方位調(diào)試，當(dāng)電量脈沖波的傳輸位置相對(duì)靠近基于ARM的無(wú)線傳感器時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承所表現(xiàn)出來(lái)的瞬時(shí)溫度也就相對(duì)較高，此時(shí)主板結(jié)構(gòu)會(huì)通過(guò)積極調(diào)試的方式，控制溫度系數(shù)的上升幅度，從而使得最終所獲測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的存在狀態(tài)。DTSD720-L2型電量集中器元件的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 電量集中器元件的結(jié)構(gòu)模型

為使常規(guī)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)與異常測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)得到準(zhǔn)確區(qū)分，DTSD720-L2型電量集中器元件同時(shí)具備兩個(gè)脈沖信號(hào)顯示結(jié)構(gòu)(圖2中的脈沖1與脈沖2)[8]。當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的表現(xiàn)溫度相對(duì)較低時(shí)，脈沖1信號(hào)燈亮起；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的表現(xiàn)溫度相對(duì)較高或溫度數(shù)值出現(xiàn)異常表現(xiàn)狀態(tài)時(shí)，脈沖2信號(hào)燈亮起。

1.3 基于ARM的無(wú)線傳感器

基于ARM的無(wú)線傳感器作為JTAG串口電路的下級(jí)調(diào)度元件，可以借助信息采集節(jié)點(diǎn)與電量集中器結(jié)構(gòu)相連，并可以根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主機(jī)、核心處理器與數(shù)據(jù)庫(kù)寄存元件之間的實(shí)時(shí)連接關(guān)系，判斷航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的溫度表現(xiàn)水平，并能夠在傳輸信道組織的作用下，將這些溫測(cè)數(shù)據(jù)參量反饋回系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主機(jī)中[9]。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，基于ARM的無(wú)線傳感器保持層級(jí)連接狀態(tài)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于ARM的無(wú)線傳感器的層級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

由于基于ARM的無(wú)線傳感器始終保持層級(jí)連接狀態(tài)，所以各個(gè)元件結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能力也會(huì)有所不同。

1)傳感器主板：利用ARM主機(jī)同時(shí)管理電量信號(hào)寄存器、溫度數(shù)據(jù)寄存器與傳感行為分析元件，且由于電量節(jié)點(diǎn)、寄存節(jié)點(diǎn)、溫測(cè)節(jié)點(diǎn)、信息采集節(jié)點(diǎn)四類基礎(chǔ)連接結(jié)構(gòu)的存在，已被記錄的溫度信息參量能夠被無(wú)誤傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)之中，在此過(guò)程中，數(shù)據(jù)信息順次通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主機(jī)與核心處理器結(jié)構(gòu)，但其中的信息參量卻不會(huì)被相關(guān)元件設(shè)備所記錄[10]；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度傳感器的溫度范圍為5～95 ℃，響應(yīng)速度為5 ms，工作電源為AC220V±10%，50 Hz，控溫穩(wěn)定度優(yōu)于0.01 ℃/10 min；

2)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主機(jī)：管控電量節(jié)點(diǎn)、寄存節(jié)點(diǎn)、溫測(cè)節(jié)點(diǎn)、信息采集節(jié)點(diǎn)的連接狀態(tài)，并可以對(duì)ARM主機(jī)輸出的數(shù)據(jù)信息參量進(jìn)行初步加工；

3)核心處理器：航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)渡裝置；

4)數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)：寄存航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并生成具有傳輸能力的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)文件。

1.4 溫度采集節(jié)點(diǎn)芯片

選用DS18B20作為溫度采集節(jié)點(diǎn)芯片，主要負(fù)責(zé)處理與航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由電阻接入?yún)^(qū)域、溫感芯片接入?yún)^(qū)域、節(jié)點(diǎn)接觸區(qū)域、連接觸點(diǎn)四部分共同組成，溫度采集節(jié)點(diǎn)芯片的平面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 溫度采集節(jié)點(diǎn)芯片平面結(jié)構(gòu)

其中，電阻接入?yún)^(qū)域負(fù)責(zé)對(duì)電量集中器、基于ARM的無(wú)線傳感器元件中的感應(yīng)電阻進(jìn)行聚合處理，并可以分辨出電量信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸行為，從而使得傳感器主機(jī)的信息查詢需求得到較好滿足。溫感芯片接入?yún)^(qū)域作為溫度數(shù)據(jù)采集模塊與溫感信號(hào)協(xié)調(diào)器元件的連接端口，可以根據(jù)負(fù)載電阻的接入數(shù)值，調(diào)節(jié)無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)的行為模式，從而使其能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的實(shí)時(shí)表現(xiàn)溫度[11-12]。節(jié)點(diǎn)接觸區(qū)域內(nèi)負(fù)載了大量的連接管腳，能夠?qū)⑵渌布?yīng)用結(jié)構(gòu)與主芯片連接起來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電量集中器元件執(zhí)行能力的有效維護(hù)。連接觸點(diǎn)負(fù)責(zé)區(qū)分處于傳輸狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息參量，并可以將滿足監(jiān)測(cè)需求的信息文件，反饋回系統(tǒng)核心運(yùn)行主機(jī)中。在溫度采集節(jié)點(diǎn)芯片模塊中，數(shù)據(jù)信息參量不可以自主選擇其傳輸路徑，這也是設(shè)備元件之間始終保持穩(wěn)定連接狀態(tài)的主要原因。

1.5 溫感信號(hào)協(xié)調(diào)器

溫感信號(hào)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)線傳感器設(shè)備進(jìn)行管理與配置，可以將提取到的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承穩(wěn)定實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于CC2430調(diào)試模塊中，再聯(lián)合電量供應(yīng)裝置與指示燈元件，向核心監(jiān)測(cè)主機(jī)反饋發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度的實(shí)時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)[13]。溫感信號(hào)協(xié)調(diào)器的模塊框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 溫感信號(hào)協(xié)調(diào)器模塊的結(jié)構(gòu)示意圖

CC2430信號(hào)協(xié)調(diào)模塊負(fù)責(zé)建立基于無(wú)線傳感器的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能夠按照數(shù)據(jù)信息的傳輸位置，對(duì)其進(jìn)行分配處理，并可以借助數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，更改這些信息參量的編碼形式，從而使得監(jiān)測(cè)主機(jī)的運(yùn)行需求得到較好滿足[14]。指示燈能夠顯示溫感信號(hào)協(xié)調(diào)器模塊的實(shí)時(shí)連接狀態(tài)，當(dāng)電量供應(yīng)裝置的連接形式與CC2430信號(hào)協(xié)調(diào)模塊完全相同時(shí)，指示燈元件則表示為“熄滅”狀態(tài)；而當(dāng)電量供應(yīng)裝置的連接形式不滿足CC2430信號(hào)協(xié)調(diào)模塊的運(yùn)行需求時(shí)，指示燈元件則表示為“亮起”狀態(tài)。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度數(shù)據(jù)采集

在無(wú)線傳感器元件的作用下，按照協(xié)議棧設(shè)置、溫度閾值計(jì)算、數(shù)據(jù)時(shí)序條件建立的執(zhí)行流程，完成對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度數(shù)據(jù)的采集與處理。

2.1 ZigBee協(xié)議棧與Z-Stack協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議棧同時(shí)作用于電量集中器元件與基于ARM的無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)，能夠管理與航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度監(jiān)測(cè)指令相關(guān)的數(shù)據(jù)信息參量，并可以將不同類型的信息參量，存儲(chǔ)于不同的數(shù)據(jù)庫(kù)空間之中[15]。將航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的ZigBee協(xié)議棧定義條件表示為：

(1)

式(1)中，V表示航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫測(cè)數(shù)據(jù)的初始賦值，χ表示標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫系數(shù)，α1表示基于ZigBee協(xié)議的溫測(cè)參量。

Z-Stack協(xié)議棧的作用能力與ZigBee協(xié)議棧相反，隨著該類型協(xié)議文件的應(yīng)用，協(xié)調(diào)器設(shè)備能夠直接調(diào)度已存儲(chǔ)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行加工與處理[16]。將航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的Z-Stack協(xié)議棧定義條件表示為：

x2=χα2-V2

(2)

式(2)中，α2表示基于Z-Stack協(xié)議的溫測(cè)參量。

為使無(wú)線傳感器元件能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的實(shí)時(shí)溫度，在采集數(shù)據(jù)信息參量時(shí)，必須同時(shí)參考ZigBee協(xié)議棧與Z-Stack協(xié)議棧。

2.2 溫度閾值設(shè)定

溫度閾值決定了無(wú)線傳感器元件所能記錄的最大溫度數(shù)值。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備而言，隨著其運(yùn)轉(zhuǎn)速率的增大，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承設(shè)備的表現(xiàn)溫度也會(huì)不斷增大，出于安全性考慮，若表現(xiàn)溫度的數(shù)值過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致無(wú)線傳感器元件的穩(wěn)定運(yùn)行能力受到影響，從而使其實(shí)測(cè)準(zhǔn)確性大幅下降。而由于溫度閾值條件的存在，溫感信號(hào)協(xié)調(diào)器可在溫度測(cè)量值接近極大值條件時(shí)，促使指示燈亮起，并以此實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器元件的有效保護(hù)[17-18]。將航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度閾值設(shè)定表達(dá)式定義為：

(3)

式(3)中，β表示軸承表現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)，δ表示與無(wú)線傳感器元件相關(guān)的實(shí)測(cè)溫感。為使航空發(fā)動(dòng)機(jī)元件的運(yùn)行能力得到保障，溫度閾值指標(biāo)的選取應(yīng)盡量趨近其物理極大值。

2.3 數(shù)據(jù)時(shí)序條件

數(shù)據(jù)時(shí)序條件也叫航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)排列條件，在已知溫度閾值設(shè)定條件的前提下，只有確保信息參量存儲(chǔ)位置不發(fā)生改變，才能最大化激發(fā)無(wú)線傳感器元件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力[19-20]。將航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度數(shù)據(jù)的傳輸序列條件定義為：

(4)

式(4)中，A0表示航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度數(shù)據(jù)的初始測(cè)量值，An表示航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度數(shù)據(jù)的最終測(cè)量值，d表示實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)的時(shí)序排列標(biāo)準(zhǔn)值。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，無(wú)線傳感器元件對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與處理，必須嚴(yán)格遵循數(shù)據(jù)時(shí)序條件。

3 監(jiān)測(cè)程序配置

3.1 溫測(cè)節(jié)點(diǎn)布置

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，為使數(shù)據(jù)信息參量得到有序傳輸，在布置溫測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)必須遵循同向化原則。所謂同向化就是指所有溫測(cè)數(shù)據(jù)都必須保持相同的初始傳輸位置與目標(biāo)傳輸位置，且在傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)信息參量之間的相互干擾能力較弱[21-22]。具體的溫測(cè)節(jié)點(diǎn)布置原理如圖6所示。

圖6 溫測(cè)節(jié)點(diǎn)布置原理

在圖6所示的溫測(cè)節(jié)點(diǎn)布局結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)實(shí)心圓點(diǎn)都表示一個(gè)溫度數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)。

3.2 傳輸數(shù)據(jù)建模

傳輸數(shù)據(jù)建模是航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建的末尾設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，若將溫測(cè)節(jié)點(diǎn)布置位置看作已知條件，則可認(rèn)為單一建模標(biāo)注所包含的數(shù)據(jù)信息參量越多，無(wú)線傳感器元件對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)軸承元件表現(xiàn)溫度的測(cè)量準(zhǔn)確性也就越強(qiáng)[23-24]。對(duì)于無(wú)線傳感器元件來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)建模時(shí)，應(yīng)同時(shí)參考軸承溫度實(shí)測(cè)信息定標(biāo)值、特征監(jiān)測(cè)向量等多項(xiàng)物理指標(biāo)。軸承溫度實(shí)測(cè)信息定標(biāo)值可表示為i，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行體系中，i指標(biāo)的最小取值只能等于自然數(shù)“1”。pi表示i條件下的溫度數(shù)據(jù)建模定標(biāo)值，當(dāng)i指標(biāo)參量的物理取值保持不變時(shí)，pi系數(shù)的賦值結(jié)果也始終保持不變。ρ表示軸承溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸密度，f表示一個(gè)隨機(jī)選取的數(shù)據(jù)信息建模系數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(4)，可將航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)建模條件表示為：

(5)

式中，θ表示與無(wú)線傳感器元件匹配的溫度數(shù)據(jù)測(cè)度參量，l表示航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值，h表示溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)度權(quán)限。傳輸數(shù)據(jù)建模條件能夠影響主監(jiān)測(cè)程序在無(wú)線傳感器元件中的配置形式，一般來(lái)說(shuō)，只有建模表達(dá)式取值結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用情況無(wú)限接近，才能使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度數(shù)據(jù)得到準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)與處理。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證基于無(wú)線傳感器的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，選取航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在Matlab仿真軟件中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)置測(cè)溫傳感器的具體性能參數(shù)如表1所示。

設(shè)置航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承結(jié)構(gòu)

在圖7所示的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承結(jié)構(gòu)中，令低壓軸與主軸承元件直接相連，將高壓軸放置于低壓軸之上，在主軸承元件兩側(cè)分設(shè)兩個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主軸承元件與供電設(shè)備的連接端口，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將主軸承元件與外部傳感器設(shè)備連接起來(lái)，從而使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的運(yùn)行需求得以保障。

確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承處于正常運(yùn)行狀態(tài)后，對(duì)軸承元件表現(xiàn)溫度進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先利用基于無(wú)線傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的運(yùn)行溫度，將所得溫度數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)組變量；然后利用基于瞬時(shí)能量密度譜的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的運(yùn)行溫度，將所得溫度數(shù)據(jù)作為對(duì)照組變量；最后對(duì)比實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變量數(shù)據(jù)，總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)的變化規(guī)律。

監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度的校正能力，反映了溫度測(cè)量值結(jié)果的準(zhǔn)確性。通常情況下，校正后航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度曲線與設(shè)定曲線之間的偏差程度越小，就表示監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)于溫度測(cè)量值結(jié)果的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確能力越強(qiáng)，此時(shí)所得數(shù)據(jù)能夠較好反映出發(fā)動(dòng)機(jī)元件的運(yùn)行能力，對(duì)于延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的壽命周期能夠起到促進(jìn)性影響作用；反之，若校正后航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度曲線與設(shè)定曲線之間的偏差程度越大，就表示監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)于溫度測(cè)量值結(jié)果的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確能力越弱，此時(shí)所得數(shù)據(jù)并不能反映出發(fā)動(dòng)機(jī)元件的運(yùn)行能力，對(duì)于延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的壽命周期也就無(wú)法起到促進(jìn)性影響作用。設(shè)定的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度曲線如圖8所示。

圖8 設(shè)定的航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度曲線

分析圖8可知，當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間處于0～15 min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間之內(nèi)，軸承溫度呈現(xiàn)出不斷上升的數(shù)值變化狀態(tài)；當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間處于15～50 min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間之內(nèi)，軸承溫度則保持下降、上升連續(xù)出現(xiàn)的數(shù)值變化狀態(tài)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度的最大數(shù)值達(dá)到了49.8 ℃。

校正后實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度曲線如圖9所示。

圖9 校正后實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度曲線

分析圖9可知，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度校正數(shù)值的變化趨勢(shì)均與設(shè)定數(shù)值保持一致，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組溫度校正數(shù)值最大值達(dá)到了47.8 ℃，對(duì)照組溫度校正數(shù)值最大值達(dá)到了51.2 ℃，二者差值為3.4 ℃。

對(duì)照?qǐng)D8、圖9中的溫度數(shù)值，計(jì)算實(shí)驗(yàn)組校正值、對(duì)照組校正值與設(shè)定數(shù)值之間的差值水平。具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

分析表2可知，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為35 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)組溫度差達(dá)到其最大數(shù)值0.3 ℃，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組溫度差均值為0.17 ℃；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為18 min時(shí)，對(duì)照組溫度差達(dá)到其最大數(shù)值2.4 ℃，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)照組溫度差均值為1.16 ℃，高于實(shí)驗(yàn)組差值水平。

表2 溫度數(shù)值差

綜上可知，隨著基于無(wú)線傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的溫度誤差曲線確實(shí)得到了較好校正，可以輔助監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)于溫度測(cè)量值結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，在延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備壽命周期方面，能夠起到促進(jìn)性影響作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

與基于瞬時(shí)能量密度譜的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在無(wú)線傳感器元件的作用下，聯(lián)合JTAG串口電路、電量集中器等多個(gè)硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)，對(duì)溫度閾值指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，又根據(jù)溫測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際布置情況，建立完善的傳輸數(shù)據(jù)建模條件。從實(shí)用性角度來(lái)看，在這種新型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承溫度誤差曲線得到了更好校正，對(duì)于監(jiān)測(cè)主機(jī)而言，可在準(zhǔn)確獲得溫度測(cè)量結(jié)果的同時(shí)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)元件的壽命周期得到充分延長(zhǎng)，符合實(shí)際應(yīng)用需求。