CN102854017B

CN102854017B - 一种小型推力待测引擎参数测试系统

Info

Publication number: CN102854017B
Application number: CN201210326596.5A
Authority: CN
Inventors: 侯明; 侯英
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2032-09-05
Also published as: CN102854017A

Abstract

本发明涉及一种小型推力待测引擎参数测试系统，属于自动化检测装置技术领域；该系统包括控制和采样子系统、执行和探测子系统、数据图示化子系统；该控制和采样子系统由控制电路、运行参数模式设定装置和动力控制器所组成；该执行和探测子系统由用于固定待测小型推力引擎的安装架及安装在其上的各类性能参数的探测传感器组成；该数据图示化子系统由信号接收、分析、显示、记录装置组成；其中，控制和采样子系统的控制电路与数据图示化子系统通过信号线连接；控制和采样子系统的动力控制器和控制电路分别通过电源线和信号线与执行和探测子系统上携带的待测引擎及各类探测传感器相连。本发明可实现小型推力引擎参数的全方位测量。

Description

一种小型推力待测引擎参数测试系统

技术领域

本发明属于自动化检测装置技术领域，主要涉及小型推力引擎工作参数的测试装置结构设计。

背景技术

小型推力引擎，是一类小型推力装置，常作为小型飞行器或航空模型的动力装置。

小型推力引擎的参数，如电耗、油耗、推力、动态特性、轴向反力矩、转速、功率等是设计飞行器的重要参数，在研究小型高机动、高精确姿态控制的飞行器中，现有的测试系统主要针对小型推力引擎的静态推力参数进行测试，通过数码管显示电流及推力，测试的参数少，不能进行历史数据的曲线显示、记录，动特性无法测试。因此需要一种测试装置能够全方面的对小型推力引擎的运行参数进行测试。

小型推力引擎的定义尚未有既定的标准和定义，为明确本发明的适用范围，将其范畴界定为：以空气为媒介，能产生10KG以下推力的各类引擎。

发明内容

本发明的目的是为克服已有测试技术的不足之处,提出一种小型推力引擎参数测试系统，本发明能对小型推力引擎的多项参数进行测试、显示、记录；能实现对静态参数和动态参数的全方位测量。

本发明提出的一种小型推力引擎工作参数的测试系统，其特征在于，该系统包括控制和采样子系统、执行和探测子系统、数据图示化子系统；该控制和采样子系统由控制电路，分别与该控制电路相连的运行参数模式设定装置和动力控制器所组成；该执行和探测子系统由用于固定待测小型推力引擎的安装架及安装在其上的各类性能参数的探测传感器组成；该数据图示化子系统由信号接收、分析、显示、记录装置组成；其中，控制和采样子系统的控制电路与数据图示化子系统通过信号线连接；控制和采样子系统的动力控制器和控制电路分别通过电源线和信号线与执行和探测子系统上携带的待测引擎及各类探测传感器相连。

所述控制和采样子系统的运行参数模式设定装置主要由功率设定器、参数测试模式切换开关、执行开关组成；该控制电路主要由中央处理器、信号放大器组成；该动力控制器采用的是无刷电机控制器构成；该功率设定器、模式切换开关、执行开关均使用信号线和控制电路的中央处理器相连接；中央处理器分别与信号放大器、动力控制器用导线相连；控制和采样子系统的所述所有元器件被焊接在一块线路板上。

所述执行和探测子系统主要由小型推力引擎安装架和安装在其上的各类性能参数探测传感器所组成；所述的小型推力引擎安装架主要包括引擎支架、由底板及固定在底板上的两立柱组成的固定体、绷带、引擎固定柱、转速探测发射器支架、转速探测接收器支架、悬臂、以及连接部件共同组成；各类性能参数探测传感器主要由转速探测发射器、转速探测接收器、两个旋转力矩探测器、两个推力探测器及电流传感器共同组成；其中，引擎支架为方框结构，它的一侧立框面单点与第一立柱连接；悬臂固定在另一侧立框面上；绷带两端均与引擎支架上框面连接，在引擎支架中形成一个环形套；引擎支架上框面中部设置有一立管，引擎固定柱上端伸入引擎支架的立管中固定并可调，引擎固定柱下端呈“月牙”型，待测引擎由上面的固定柱下端和下面的环形套绷带抱卡住；所述转速探测发射器支架、转速探测接收器支架分别固定在固定体底板的相对两；待测引擎和螺旋桨的轴线位于所述转速探测发射器支架、转速探测接收器支架形成的平面内，使得转速探测发射器激光线束能够穿过桨叶区，桨叶在旋转过程中，断续遮挡激光，接收器能够产生高低电平的信号；两个旋转力矩探测器、两个推力探测器分别固定在第二立柱上，且位于悬臂上侧、下侧、左侧和右侧，将悬臂夹住；电流传感器连接在待测引擎的电源线上；所述各类性能参数探测传感器均用信号线与所述控制电路连接。

本发明的特点及有益效果：

1具有多个压力传感器，可测试待测小型推力引擎的前后向推力、正反轴向力矩。

2具有电流、压力、转速等传感器可对小型引擎运行特性进行精确测量。

3具有内嵌测试程序的控制器可做测试数据采样，并绘制待测小型推力引擎特性参数的性能特征图。

4本系统可实现小型推力待测引擎两种测试模式：一种是静态参数测试模式；一种是动态参数测试（即可通过对控制器程序及对其控制程序的调整，可以采用阶跃响应方法实现动态参数的测试，还可以使用频域法测定系统的动态参数。

本发明内容中不包含引擎、电脑等成品设备，仅包含测试所需的必要部分。

附图说明

图1为本发明系统实施例总体示意图；

图2本发明系统的控制和采样子系统实施例示意图；

图3为本发明系统的信号采样流程框图；

图4为本发明系统的执行和探测子系统实施例示意图；

具体实施方式

本发明是一种小型推力引擎参数测试系统，结合附图详细说明如下：

本发明涉及的小型推力引擎有多种类型，如：喷气引擎、涡扇引擎、螺旋桨引擎，本实施例以电动螺旋桨类小型推力引擎为例进行说明。待测试的小型推力引擎是一个直径为 40mm长度为50mm、最大功率是1440W的直流无刷电机，主轴上固定一枚直径144mm的四叶螺旋桨。适当增减和更换某些探测器、调整内嵌采样程序后本发明还可用于小型喷气、涡扇、涵道风扇、燃油类型的推力引擎的测试。

本发明的小型推力引擎参数测试系统结构如图1所示，该系统包括3个子系统，即由控制电路，分别与该控制电路相连的运行参数模式设定装置和动力控制器组成的控制和采样子系统1、由用于固定待测小型推力引擎的安装架及安装在其上的各类性能参数的探测传感器组成的执行和探测子系统2、由信号接收、分析、显示、记录装置组成的数据图示化子系统3。控制和采样子系统1的控制电路与数据图示化子系统3通过信号线连接；控制和采样子系统1的动力控制器和控制电路分别通过电源线和信号线与执行子系统2上携带的待测引擎及各类探测传感器相连。整个系统工作原理：接通电源，操作者使用控制和采样子系统1设定待测引擎的能源供给参数（功率大小）、以及静态或动态工作模式特征，然后启动安装于执行和探测子系统2内的待测引擎；待测引擎按设定的参数及特征运行。执行和探测子系统2中包含有各类探测传感器能对待测引擎运转后产生的各种待测参数（如推力、力矩、转数、功耗等）进行测量。控制和采样子系统1每间隔一段时间就会对执行和探测子系统2中产生的各种参数进行一次采集，并将这些采样数据转化成为数字形式的数据，依据时间顺序传送到数据图示化子系统3中，数据图示化子系统3将得到的数据绘制成图文表格显示出来。这些图文表格即表征了待测引擎的各种特性，以此达到测试待测引擎的静态或动态特性的目的。

上述各子系统的功能及具体实现方式分别详细说明如下：

本发明的控制和采样子系统1，它的主要功能有两个，一个是实现待测引擎的工作模式、工作参数的设定，并将这些设定好的内容传送至待测引擎处执行；另一个是对执行和探测子系统2内各类传感器产生的待测电子信号进行采样，并将这些采样信号转化成数字形式数据传递到数据图示化子系统3。

本发明的控制和采样子系统1的各部分具体实施例如图2所示，主要由运行参数模式设定装置、控制电路和动力控制器组成，其中运行参数模式设定装置主要由功率设定器1-1(本实施例采用的是高精度单圈电阻电位器，还可使用其它类型的电位器实现）、模式切换开关1-2（可进行动态和静态两个运行模式的切换；本实施例采用的是直流24伏特直径12mm无锁带灯型点动切换开关实现）、执行开关1-3（本实施例采用的是直流24V直径12mm无锁带灯型点动切换开关）组成。这三个器件均带有标准螺纹锁紧结构，利用这种标准结构将它们固定在线路板上。功率设定器1-1、模式切换开关1-2、执行开关1-3均使用信号线和控制电路的中央处理器1-5相连接。控制电路主要由中央处理器1-5（本实施例采用16位FreeScale XS128型处理器模组，其中预先装有数据处理程序，还可使用CYGNAL51、intel51、AVR、ARM、DSP等处理器替代）、信号放大器1-4(在本实施例中采用直流12V mV级电压传感器信号放大器)组成；本实施例的动力控制器1-6采用的是无刷电机控制器构成；本实施例的中央处理器1-5分别与信号放大器1-4、动力控制器1-6用导线相连。控制和采样子系统1的上述所有元器件被焊接在一块线路板上，用导线连接好。

本测试系统的参数测试主要分静态参数测试和动态参数测试。系统处于静态参数测试模式下时，主要用于测试引擎在不同的驱动下产生的推力、旋转力矩之间的关系，主要反映在稳定的驱动力下引擎系统产生的稳定的旋转力矩和推力的关系，在此模式下，其功率设定器可连续调节，测试人员可测试在不同的驱动力下对应的推力等参数。系统处于动态测试模式下时，主要测试驱动力快速变化时，引擎系统的动态性能，主要测试动力系统参数模型的阶次、惯性参量，这些参量反映了动力系统的快速响应性能。可选择时域测试法或频域测试法。采用时域测试法，操作时，预先设定好一定的功率，通过执行开关1-3控制功率的输出，通过点动方式给动力系统提供阶跃动态信号，其动态过程的响应数据通过中央处理器、其它电子系统共同完成，其记录的动态曲线可供专业人士分析。采用频域测试方法，功率设定其复用为频率设定器，中央处理器根据频率设定器产生控制信号，使动力系统的驱动力按不同周期的正弦周期变化，同时记录动力系统的推力等参数的响应数据，通过相关分析方法对比动力输出与推力相应曲线的关系，即可得出动力系统的动态参数。本实施例的控制和采样子系统1的工作流程：接通电源，使整机处于待机状态，通过功率设定器1-1设定待测引擎的运行所需电源供给量；通过模式切换开关1-2设定待测引擎的工作模式（静态或动态）；中央处理器1-5按照功率设定器1-1和模式切换开关1-2设定的工作特征将工作信号传递给动力控制器1-6；动力控制器将具体的电流、电压、变化特征等工作特性通过电源线传递到待测引擎2-3（图3）处。待测引擎即按照这些特征进行运转。安装于待测引擎支架上的待测引擎运转之后，执行和探测子系统2中携带的各类探测器将会探测待测引擎运转时产生的推力、力矩、功耗、转数等方面的电子信号，控制和采样子系统1的中央处理器中的数据处理程序对各种电子信号转译成为数字数据，并将处理完成的数据，依据时间顺序发送至数据图示化子系统3处。其工作流程如图3所示，本实施例采用定时中断式进行电子信号的采样工作，即每隔一段时间探测一次每个探测器测得的电子信号，并将这些信号转换成为数字信息后发送到数据图示化子系统3。具体过程是：整个系统启动后，采样程序即进入起始状态，即进入循环等待步骤，如图3（A）所示；当待测引擎运转后，每隔10毫秒（10毫秒是本实施例中采用的时间间隔长度，也可以根据具体情况使用其它的时间间隔长度），中央处理器1-5执行一次定时中断采样程序，如图3（B）所示，在这个定时中断程序中，中央处理器1-5首先检查系统的参数设置，根据不同的参数，对动力进行调整，然后采集一次各个探测器测得的电子信号（如推力、电耗、转数、油耗等信号），并将这些信号转换成为数字信息，然后将这些数字信息按照时间顺序依次发送到数据图示化子系统3。

本发明系统的执行和探测子系统2的功能及具体实现方式如图4所示，执行和探测子系统2主要由小型推力引擎安装架和安装在其上的各类性能参数探测传感器所组成；其中，小型推力引擎安装架主要由引擎支架2-1、固定体（包括底板2-5、立柱2-5-1、立柱2-5-2）、绷带2-10、转速探测发射器支架2-18-1、转速探测接收器支架2-18-2、悬臂2-19、以及连接部件（包括球形关节2-2、固定销2-11、锁紧螺钉2-12、引擎固定柱2-13、螺栓2-14、绷紧杆2-15、星形螺母2-16、固定钩2-17探头固定夹2-21）共同组成；各类性能参数探测传感器主要由旋转力矩探测器2-6(本实施例采用的是2Kg级压力传感器)；转速探测发射器2-7(本实施例使用的是一个激光二极管发射模组)；转速探测接收器2-9(本实施例使用的是一个光敏三极管)；推力探测器2-8(本实施例采用的是5Kg级压力传感器)；电流传感器2-20（采用ACS-758-100B型，还可使用其它类型的电流传感器）共同组成，如图4（A）、图4（B）、图4（C）中所示的。图4（A）中所示的安装在小型推力引擎安装架上的待测引擎2-3和螺旋桨2-4，不属于本发明之内容，仅作为示意说明用。

上述各部件的固定方式如图4（A）、图4（B）、图4（C）、所示：引擎支架2-1为方框结构，它的一端通过球形关节2-2单点连接于立柱2-5-1上；绷带2-10两端缝制成环形套，一端环形套内穿过固定销2-111将绷带2-10固定于固定钩2-17上，引擎支架2-1和固定钩2-17呈刚性连接状态；另一根固定销2-112穿过绷带2-10的另一端环形套，卡在引擎支架2-1上部的一个长条形孔2-102上，使绷带2-10不能从孔下方滑脱；绷带2-10除两端环形套外的中间部分，相继绕过待测圆柱形引擎2-3下部、穿过另一条位于引擎支架2-1顶部的长条孔2-103、绕过绷紧杆2-15；引擎支架2-1顶部刚性连接两根直立的螺栓2-14，每根螺栓2-14底部安装一个星形螺母2-16；绷紧杆2-15呈哑铃状，它的两端各有一个能让螺栓2-14轻松通过的光面通孔，两根螺栓2-14穿过绷带绷紧杆2-15两端的光面通孔放置于星形螺母2-16上面并和星形螺母2-16紧密螺合；引擎固定柱2-13上端穿过引擎支架2-1顶部的长圆形立管2-104，长圆形立管2-104前后各有一个能固定锁紧螺钉2-12的螺纹通孔，锁紧螺钉2-12旋拧并穿过在螺纹通孔；引擎固定柱2-13上端前后立面各有一排成直线性排列的圆形凹坑，凹坑直径刚好能让锁紧螺钉2-12放入，螺钉旋入这些凹坑后即可将引擎固定柱2-13锁紧；不同位置的凹坑可以调节引擎固定柱2-13向下伸出的长度，可以使直径不同的引擎处于合适的工作位置。引擎固定柱2-13下端呈“月牙”型，可从待测引擎2-3上面配合引擎2-3下面的绷带2-10将其抱卡住。

底板2-5的前侧和后侧各有一根用螺钉固定的探头支架2-18-1、2-18-2，待测引擎2-3和螺旋桨2-4的轴线位于两探头支架形成的平面内；转速发射探测器2-7借助探头固定夹2-21和一个螺钉固定于前侧固定的探头支架2-18-1上；转速探测接收器2-9借助探头固定夹2-21和一个螺钉固定于后侧固定探头支架2-18-2上；探头支架2-18-1、2-18-2上有呈直线型排列的螺纹通孔，这些孔用来调节上述传感器的高低位置。为了适应不同型号、不同桨叶形状的引擎，转速探测发射器、转速探测接收器的位置必须能够调节，使得激光线束能够穿过桨叶区，桨叶在旋转过程中，断续遮挡激光，使得接收器能够产生高低电平的信号，此信号用于测速。待测引擎支架2-1没有固定的另一端固定有一根刚性悬臂2-19。两个旋转力矩探测器2-6、两个推力探测器2-8通过螺钉分别固定于立柱2-5-2上，且位于刚性悬臂2-19上侧、下侧、左侧和右侧，这四个力矩探测器将刚性悬臂2-19夹住，引擎运转带动2-19对力矩、推力传感器产生不同程度压力改变，经电子系统放大后对信号进行处理。系统未启动情况下除位于刚性悬臂2-19下侧的一个旋转力矩探测器2-6承担引擎固定架的部分重力以外，其余三个并无任何预先施加的力；转速探测发射器2-7、转速探测接收器2-9对向固定螺旋桨2-4两侧边的探头支架2-18-1、2-18-2上，位置刚好可以使螺旋桨2-4能够遮挡二者之间传递的光电信号；电流传感器2-20用一根信号线连接在待测引擎的电源线上，用3M双面胶粘贴于底板2-5上；旋转力矩探测器2-6、推力探测器2-8用信号线和信号放大器1-4相连，转速探测发射器2-7、转速探测接收器2-9、电流传感器2-20用信号线和中央处理器1-5连接。

工作方式：通过逆时针旋转星形螺母2-16使绷紧杆2-15升高绷紧绷带2-10，达到固定待测引擎的目的（相反方向旋转星形螺母2-16可以将紧绷的绷带2-10松开达到卸下待测引擎的目的）。通过这种连接方式可以使待测引擎2-3刚性固定于引擎支架2-1上，并使引擎绷带2-10、固定销2-11、锁紧螺钉2-12、引擎固定柱2-13、螺栓2-14、绷紧杆2-15、星形螺母2-16、固定钩2-17、悬臂2-19等构件形成一个能以球形关节2-2的球心点为轴点做任意方向自由摆动的刚性整体。接通电源启动待测引擎2-3后，螺旋桨2-4运转产生推力，带动刚性整体绕球形关节2-2做自由摆动，引擎支架2-1未固定的一端将力矩和推力通过悬臂2-19传递给旋转力矩探测器2-6、推力探测器2-8，这两组探测器将力矩和推力转化为电子信号；转速探测器发射端2-7向转速探测器接收端2-9发射光电信号，螺旋桨2-4旋转后实现光电信号的通断，这个通断的信号可以记录螺旋桨2-4的转数，电流传感器2-20能够检测待测引擎2-3的实际工作电流并将这个信息形成电子信号。旋转力矩探测器2-6、推力探测器2-8用信号线将检测的信号经信号线传递到信号放大器1-4处，再由信号放大器1-4将信号放大后，等待中央处理器1-5采集，转速探测器发射端2-7、转速探测器接收端2-9、电流传感器2-20将监测到信号后，等待中央处理器1-5采集。工作电流、力矩、推力、转数的待采样信号就是这样形成的。

本发明的数据图示化子系统3由电脑（由一台安装有WINXP或WIN2000或WIN7的操作系统的普通个人电脑构成，这台电脑的最低配置为：CPU主频2GHZ、内存512MB、硬盘60G、显卡GF4mx440、17英寸LCD显示器（1280×1024）、标准101键键盘、普通光电鼠标）和安装在其中的数据图示化程序共同构成；数据图示化程序采用常规的数据图示化程序，将引擎运转的参数-时间曲线实时显示出来。

工作方式：开启电脑3-1电源，启动电脑中的数据图示化程序，将电脑用数据线与控制和控制和采样子系统1连接好，电脑自动收集由执行和探测子系统2中的中央处理器1-5发送来的各类采样的数字信号，识别后将其绘制成多线条图显示在电脑的屏幕上，以此来表征待测引擎的动态和静态特性，包括前后推力曲线、正反力矩曲线、转数曲线、电力消耗曲线四个特性。在电脑上保存这些数据，形成引擎的性能特性文件备用。

本系统的实施例结构装置能实现本小型推力引擎的前后推力、正反力矩、工作电流、转数等特性的，静态和动态变化的监测，即能够测试待测引擎的动态和静态的各种特性。

Claims

1.一种小型推力引擎工作参数的测试系统，其特征在于，该系统包括控制和采样子系统、执行和探测子系统、数据图示化子系统；该控制和采样子系统由控制电路，分别与该控制电路相连的运行参数模式设定装置和动力控制器所组成；该执行和探测子系统由用于固定待测小型推力引擎安装架及安装在小型推力引擎安装架的各类性能参数的探测传感器组成；所述各类性能参数的探测传感器主要由旋转力矩探测器、转速探测发射器、转速探测接收器、推力探测器及电流传感器组成；该数据图示化子系统由信号接收、分析、显示、记录装置组成；其中，控制和采样子系统的控制电路与数据图示化子系统通过信号线连接；控制和采样子系统的动力控制器通过电源线与执行和探测子系统上携带的待测引擎相连；控制和采样子系统的控制电路通过信号线与各类性能参数的探测传感器相连；

所述控制和采样子系统的运行参数模式设定装置包括功率设定器、参数测试模式切换开关、执行开关；该控制电路主要由中央处理器、信号放大器组成；该动力控制器采用的是无刷电机控制器；该功率设定器、参数测试模式切换开关、执行开关均使用信号线和控制电路的中央处理器相连接；中央处理器分别与信号放大器、动力控制器用导线相连；控制和采样子系统的控制电路、参数模式设定装置和动力控制器被焊接在一块线路板上。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述执行和探测子系统的小型推力引擎安装架包括引擎支架、由底板及固定在底板上的两立柱组成的固定体、绷带、引擎固定柱、转速探测发射器支架、转速探测接收器支架、悬臂、以及连接部件共同组成；各类性能参数的探测传感器主要由转速探测发射器、转速探测接收器、两个旋转力矩探测器、两个推力探测器及电流传感器共同组成；其中，引擎支架为方框结构，它的一侧立框面单点与第一立柱连接；悬臂固定在另一侧立框面上；绷带两端均与引擎支架上框面连接，在引擎支架中形成一个环形套；引擎支架上框面中部设置有一立管，引擎固定柱上端伸入引擎支架的立管中固定并可调，引擎固定柱下端呈“月牙”型，待测引擎由上面的固定柱下端和下面的环形套绷带抱卡住；所述转速探测发射器支架、转速探测接收器支架分别固定在固定体底板的相对两侧；待测引擎和螺旋桨的轴线位于所述转速探测发射器支架、转速探测接收器支架形成的平面内，使得转速探测发射器激光线束能够穿过桨叶区，桨叶在旋转过程中，断续遮挡激光，接收器能够产生高低电平的信号；两个旋转力矩探测器、两个推力探测器分别固定在第二立柱上，且位于悬臂上侧、下侧、左侧和右侧，将悬臂夹住；电流传感器连接在待测引擎的电源线上；所述各类性能参数的探测传感器均用信号线与所述控制电路连接。