CN101382561A - 一种微小型涡轮喷气发动机的转速测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对微小型涡轮喷气发动机的转速进行测量的装置，包括永久磁铁、磁阻式传感器以及转速信号处理电路。随着涡轮喷气发动机转动，发动机转子的磁铁产生交变磁场，使得安装于发动机上的磁阻式传感器，产生与之相匹配的微弱电信号，经由转速信号处理电路，通过滤波、整形以及放大之后，将磁阻式传感器生成的微弱电信号转化为数字信号。该转速测量装置测量距离远，体积小，可靠性高，可用于严苛环境下微小型涡轮喷气发动机超高转速的精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种微小型涡轮喷气发动机的转速测量装置，属于信号测量领域。
背景技术
对于航空用发动机而言，传感器信号是一个极其重要的监控参数，不仅反映了系统的工作状态而且也决定了其他性能参数。对于整个发动机的控制起着极其重要的作用，转速测量的准确度和可靠性直接影响着系统的控制精度及其安全性能。常用的用于转速测量的传感器有霍尔式传感器、光电式传感器以及磁电式传感器。光电式传感器或磁电式传感器在测量高转速旋转物体的转速时，易受机体振动的影响，可靠性较差。使用永久磁铁作为感应元件的霍尔式传感器虽然其反应速度快、信号易处理，但是传感器有效感应距离过短，而且温度稳定性差。对于微小型涡轮喷气发动机，转速高达十几万转，而且环境温度高，振动剧烈，对可靠性要求高，传统的测量方法已经很难满足要求。
发明内容
本发明公开一种采用磁阻式传感器的转速测量装置:使用磁阻式传感器作为测量转速传感器，并通过转速信号处理电路，将传感器在交变磁场作用下产生的微小信号转化为数字信号，最终达到测量转速的目的。由于磁阻式传感器的应用，不但使传感器的有效感应距离得到大幅提高，而且体积小，可靠性高。
本发明公布的一种微小型涡轮喷气发动机的转速测量装置，包括永久磁铁、磁阻式传感器以及转速信号处理电路三部分。磁阻式传感器的输出信号首先进入转速信号处理电路的差分放大部分，经过差分放大之后，输出到转速信号处理电路的整形部分，经过滞回比较器整形之后，最终转化为数字信号。
所述的微小型涡轮喷气发动机的转速测量装置，其所用的磁阻式转速传感器固定于微小型涡轮喷气发动机内导流罩外一侧，为磁阻式传感器提供交变磁场的两个永久磁铁对称安装于压气机叶轮端涡轮轴螺母上，并保证极性相反，并保证磁阻式传感器与永久磁铁处于垂直于发动机中心轴的同一竖直平面内。
所述的微小型涡轮喷气发动机的转速测量装置，其转速信号处理电路部分由差分放大电路和整形电路构成。传感器信号输出至差分放大电路，经差分放大后的信号输出至整形电路部分，经过滞回比较器整形之后转化为数字信号。
本发明的优点在于：
(1)转速测量范围宽：本发明的转速测量装置最高可测转速高达每分钟几十万转，并能可靠保证在此高转速情况下测量的精确性。
(2)测量距离远：本发明的转速测量装置其中磁阻式传感器感应距离可达6cm，并能可靠保证在此距离下对发动机转速的精确测量。
(3)体积小：本发明的转速测量装置所使用磁阻传感器大小为长宽仅5mm，高仅为2mm的长方体，永久磁铁同样具有体积小的特点，再加上转速信号处理电路结构简单，使本发明转速测量装置具有较小体积，为发动机的其他部件的设计提供了更大空间。
(4)重量轻：本发明所涉及的转速测量装置所使用磁阻式传感器重量仅有几克，同时有效地利用了发动机现有部件，减小了整个发动机的总质量。
(5)可靠性高：磁阻式传感器的可靠性高。而且随着电子技术的不断发展，电子器件的可靠性越来越高，同时简单的转速信号处理电路，使得本发明的可靠性要高于传统的转速测量装置。
(6)成本低：本发明所涉及的转速测量装置，尽可能的使用发动机已有机械部件，并大量采用电子器件，有效地降低了整个转速测量装置的成本。
附图说明
图1是本发明整体结构框图；
图2是本发明用传感器以及永久磁铁的安装图；
图3是本发明转速信号处理电路原理图；
图4是本发明转速测量信号处理波形图。
图中： 1.永久磁铁 2.磁阻式传感器
3.转速信号处理电路 4.差分放大电路 5.滞回比较电路
6.压气机叶轮端涡轮轴螺母 7.发动机内导流罩 8.涡轮轴
9.磁阻式传感器桥路 10.第一运算放大器 11.第二运算放大器
12.第三运算放大器 13.第一电阻 14.第二电阻
15.第三电阻 16.第四电阻 17.第五电阻
18.第六电阻 19.第七电阻 20.第八电阻
21.传感器桥路输出信号 22.放大信号 23滞回比较阀值信号
24.输出信号
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，是本发明整体结构框图。本发明转速测量装置的主体部分由永久磁铁1、磁阻式传感器2以及转速信号处理电路3构成，其中转速信号处理电路3由差分放大电路4和滞回比较电路5构成。
安装于发动机上的磁阻式传感器2其内部是由铁磁合金构成的电阻器组成的惠斯通电桥，上电后，磁阻式传感器2内部的磁阻式传感器桥路9中有电流流过，随着发动机转子转动，其上的永久磁铁1产生一个垂直于磁阻式传感器桥路9中电流方向的交变磁场，使得组成磁阻式传感器桥路9的电阻器阻值发生变化，从而产生并输出一对随发动机转子转速变化而发生变化的差分信号Vo+和Vo-；该对差分信号Vo+和Vo-送入转速信号处理电路3后，首先进入差分放大电路4，信号Vo+先经第一运算放大器10作同相放大处理，其输出电压与信号Vo-共同作用于第二运算放大器11的反相输入端构成加减运算电路，完成差分放大处理。之后差分放大电路4的输出信号进入滞回比较电路5，在滞回比较阀值信号23的作用下转化为数字脉冲形式的输出信号24，以加宽电路的稳定范围，提高电路的抗干扰性能，防止信号在一般比较电路中由于微弱干扰造成频繁切换而导致输出波形错误。
如图2所示，是本发明用磁阻式传感器2以及永久磁铁1的安装图。两颗圆柱形永久磁铁1，磁极相对，对称安装于压气机叶轮端涡轮轴螺母6上，磁阻式传感器2固定于微小型涡轮喷气发动机内导流罩7外一侧，并使磁阻式传感器2与永久磁铁1处于垂直于发动机中心涡轮轴8的同一竖直平面内。当发动机转动时，安装于压气机叶轮端涡轮轴螺母6上的永久磁铁1跟随发动机转子转动，产生交变磁场，磁阻式传感器2受交变磁场作用，生成感应信号。
如图3所示，是本发明转速信号处理电路原理图。该转速信号处理电路3由差分放大电路4和滞回比较电路5构成，其中的差分放大电路4由第一运算放大器10、第二运算放大器11、第一电阻13、第二电阻14、第三电阻15、第四电阻16以及第八电阻20构成，滞回比较电路5由第三运算放大器12、第五电阻17、第六电阻18以及第七电阻19构成。磁阻式传感器桥路9正相输出端Vo+分别与第一运算放大器10、第二运算放大器11的正向输入端相连接，第一运算放大器10的负相输入端通过第一电阻13与地相连，第二电阻14两端分别与第一运算放大器10的负相输入端以及输出端相连接，形成负反馈回路。对于第二运算放大器11，其正相输入端与磁阻式传感器桥路9正相输出端Vo+相连接，其负相输入端分别通过第八电阻20、第三电阻15与磁阻式传感器桥路9的负相输出端Vo-和第一运算放大器10的输出端相连接，第四电阻16两端分别连接第二运算放大器11的负相输入端以及输出端，构成负反馈回路。
差分放大电路4中第一运算放大器10对磁阻式传感器桥路7所产生的信号Vo+进行正相放大，其输出信号与磁阻式传感器桥路9另一输出信号Vo-共同作用于第二运算放大器11的负相输入端，信号Vo+则作用于第二运算放大器11的正相输入端，构成加减运算电路，实现对磁阻式传感器桥路9所生成信号的差分放大功能。
如图3所示，第三运算放大器12、第五电阻17、第六电阻18以及第七电阻19构成滞回比较电路5。磁阻式传感器2信号经过差分放大电路4进行差分放大之后，由第二运算放大器11输出端送出，进入滞回比较电路5。第三运算放大器12的负相输入端接第二运算放大器11输出端，第五电阻17一端接第三运算放大器12正相输入端，一端接地，第六电阻18一端接第三运算放大器12输出端，一端接第三运算放大器12正相输入端，构成反馈回路，第七电阻19一端接+5V电源，一端接第三运算放大器12正相输入端。
滞回比较电路5中的第三运算放大器12的负相输入端接受来自接差分放大电路4的输出信号，作为滞回比较电路5的输入信号，第三运算放大器12的正相输入端则在由第六电阻18构成的反馈回路作用下，为滞回比较电路5提供滞回比较阀值信号23，在该滞回比较阀值信号23作用下，滞回比较电路5的输入信号最终转变为数字脉冲形式的输出信号24。
如图4所示，是本发明转速测量信号处理波形图。在交变磁场作用下，传感器桥路9输出峰值为50mv近似正弦信号的传感器桥路输出信号21，经过差分放大电路4之后，信号转化为峰峰值为5V近似正弦信号的差分放大信号22，再输入滞回比较电路5负相输入端。滞回比较电路5的滞回比较阀值信号23的比较电平阀值包括一个2.4V的低阀值和一个2.6V的高阀值，即当输入信号高于2.6V高阀值时，滞回比较电路将输出低电平信号；直到输入信号低于2.4V低阀值时，滞回比较电路5输出信号发生翻转，输出高电平信号，最终完成对转速信号的处理，得到数字脉冲形式的输出信号24。
Claims (3)
1.一种微小型涡轮喷气发动机的转速测量装置，该装置包括永久磁铁，其特征在于，该装置还包括磁阻式传感器和转速信号处理电路；磁阻式传感器(2)固定于微小型涡轮喷气发动机内导流罩外一侧，并使磁阻式传感器(2)与永久磁铁(1)处于垂直于发动机中心轴的同一竖直平面内，
在永久磁铁(1)产生的交变磁场的作用下，磁阻式传感器(2)内部的磁阻式传感器桥路(9)产生并输出一对随发动机转子转速变化而发生变化的差分信号Vo+和Vo-；
该对差分信号Vo+和Vo-进入转速信号处理电路(3)，经过转速信号处理电路(3)的处理，转化为数字脉冲形式的输出信号(24)。
2.根据权利要求1所述的一种微小型涡轮喷气发动机的转速测量装置，其特征在于，所述的转速信号处理电路(3)由差分放大电路(4)和滞回比较电路(5)构成；
差分信号Vo+和Vo-送入转速信号处理电路(3)后，首先进入差分放大电路(4)，完成差分放大处理之后，差分放大电路(4)的输出信号进入滞回比较电路(5)，转化为数字脉冲形式的输出信号(24)；
其中，差分放大电路(4)由第一运算放大器(10)、第二运算放大器(11)、第一电阻(13)、第二电阻(14)、第三电阻(15)、第四电阻(16)以及第八电阻(20)构成；磁阻式传感器桥路(9)正相输出端Vo+分别与第一运算放大器(10)、第二运算放大器(11)的正向输入端相连接，第一运算放大器(10)的负相输入端通过第一电阻(13)与地相连，第二电阻(14)两端分别与第一运算放大器(10)的负相输入端以及输出端相连接，形成负反馈回路；对于第二运算放大器(11)，其正相输入端与磁阻式传感器桥路(9)正相输出端Vo+相连接，其负相输入端分别通过第八电阻(20)、第三电阻(13)与磁阻式传感器桥路(9)的负相输出端Vo-和第一运算放大器(10)的输出端相连接，第四电阻(16)两端分别连接第二运算放大器(11)的负相输入端以及输出端，构成负反馈回路；
其中，滞回比较电路(5)由第三运算放大器(12)、第五电阻(17)以及第六电阻(18)构成；磁阻式传感器(2)信号经过差分放大电路(4)进行差分放大之后，由第二运算放大器(11)输出端送出，进入滞回比较电路(5)；第三运算放大器(12)的负相输入端接第二运算放大器(11)输出端，第五电阻(17)一端接第三运算放大器(12)正相输入端，一端接地，第六电阻(18)一端接第三运算放大器(12)输出端，一端接第三运算放大器(12)正相输入端，构成反馈回路，第七电阻(19)一端接电源，一端接第三运算放大器(12)正相输入端。
3.根据权利要求2所述的一种微小型涡轮喷气发动机的转速测量装置，其特征在于，所述的滞回比较电路(5)的滞回比较阀值信号(23)的比较电平阀值包括一个2.4V的低阀值和一个2.6V的高阀值，即当输入信号高于2.6V高阀值时，滞回比较电路将输出低电平信号；直到输入信号低于2.4V低阀值时，滞回比较电路(5)输出信号发生翻转，输出高电平信号，完成对转速信号的处理，得到数字脉冲形式的输出信号(24)。
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