CN103091108A - 一种用于航空发动机的振动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于航空发动机的振动检测系统，其包括数据采集单元、振动信号调理单元以及转速信号调理单元，其中数据采集单元支持DMA传输方式和直接端口操作能力，其配置地用于采集发动机的振动信号和转速信号，并将采集到的振动信号和转速信号通过独立的两个通道传送至振动信号调理单元和转速信号调理单元，振动信号调理单元和转速信号调理单元与A/D转换单元相连接，A/D转换单元与计算机平台相连接，计算机平台与数据处理单元通过数据线相连接。本检测系统能够有效地记录和实时地分析发动机工作过程的振动数据，让工作人员可以存储和查询所有该发动机的振动数据，利于机务人员分析和了解该发动机的健康状态，为其后的地面检修提供意见和建议。

Description

一种用于航空发动机的振动检测系统

技术领域

本发明涉及一种检测系统，特别涉及一种检测航空发动机振动情况的检测系统。

背景技术

航空发动机从设计、制造到安装、使用、维护、检修有许多环节，任何环节的偏差都会造成航空发动机性能劣化或故障。同时，使用过程中航空发动机处于各种各样的条件下，其内部必然会受到力、热、摩擦等多种物理、化学作用，使其性能发生变化，最终导致航空发动机故障。航空发动机发生故障时，首先就会在振动特性上予以体现，就如同中医的号脉一样，人体有疾病时，脉搏就会发生变化。航空发动机在运行过程中振动发生的变化主要包括振动特性的变化和振动量级的变化，通过对这两类变化进行实时的监控就可以相对较早的发现故障，提高安全性。

现在的飞机，尤其是用于教学的教练机上，往往没有安装相应的航空发动机振动检测及预警系统，飞机的飞行安全带来极大的隐患。在地面机务检查工作中，由于飞机没有发动机实时振动检测及预警系统，维护飞机的质量对人的依赖性很大，技术好的机械师在做机务检查时能够发现可能的飞机发动机故障，而技术水平差的机械师可能会出现错检或漏检的情况，直接威胁着飞行安全。在空中飞行中，有经验的飞行员可依据仪表指示，飞行感觉及声音判断飞机发动机的工作状态，并作出正确的处置，而年轻的飞行员却很难正确的判断发动机的工作状态同时也无法作出正确的处置。发动机实时振动检测及预警系统可以作为发动机的辅助判断方法，在地面检查中，可以为机务人员提供更为精确的发动机工作状态信息，当发动机出现故障时，可以及时的发现，杜绝可能的飞行故障隐患，在空中飞行时，当发动机发生故障时，提前给出报警，以便飞行员及早处置，提高飞行安全。

中国专利CN101469647公开了一种飞机涡轮发动机，其包括一个前风扇、一个位于风扇下游的中间外壳，所述中间外壳带有通过径向臂连接到一起的外壳套和轮毂，以及一个带有外壳套的排气外壳，两个外壳在同一个轴线ＸＸ上对准，外挂梁包括细长形的吊架机构，所述吊架机构在上游通过一个前固定部分刚性固定到中间外壳的外壳套上，所述前固定部分包括一个传输轴向和侧向力的装置，在下游通过后固定部分连接到所述排气外壳上。该发动机在高速运转时容易出现强烈的振动，但是该发动机上没有装载相应的振动检测装置，就容易在发动机运转出现问题时不易被发现，从而导致危险。

因此积极开展发动机实时振动检测及预警系统的研究工作并尽快在飞机，尤其是教练机上安装该系统是急待解决的问题，具有重大的现实和长远意义。

发明内容

为了解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种用于航空发动机的振动检测系统，其包括数据采集单元、振动信号调理单元以及转速信号调理单元，其中数据采集单元支持DMA传输方式和直接端口操作能力，其配置地用于采集发动机的振动信号和转速信号，并将采集到的振动信号和转速信号通过独立的两个通道传送至振动信号调理单元和转速信号调理单元，振动信号调理单元和转速信号调理单元与A/D转换单元相连接，A/D转换单元与计算机平台相连接，计算机平台与数据处理单元通过数据线相连接，数据处理单元同时与数据存储单元、数据显示单元、数据回收单元以及网络通讯单元并列连接。

优选的是，所述数据采集单元自身提供时钟，用硬件定时器完成采样频率的设置。

在上述任一方案中优选的是，所述振动信号调理单元配置成用于对振动信号进行前端限压处理和后端跟随处理，并完成信号衰减，使信号幅值的范围达到正负5V的范围内，在完成信号隔离后对信号采用截止频率为20KHz的4阶巴特沃司型的滤波器进行滤波。

在上述任一方案中优选的是，转速信号调理单元配置成用于对转速信号前端限压并完成信号衰减，使信号幅值的范围达到5V的范围内，在完成信号隔离后对信号采用了截止频率为10KHz的4阶巴特沃司型的滤波器进行滤波。

在上述任一方案中优选的是，所述A/D转换单元采用12位A/D转换芯片，具有12位高分辨率，其采样速率最高可达100K。

在上述任一方案中优选的是，所述计算机平台采用嵌入式计算机系统，该嵌入式计算机系统具有ARM处理器，256M内存，4G非易失性存储器，并配以网络接口和串行接口。

在上述任一方案中优选的是，所述该计算机平台配备有电源，该电源的输入电压为27V，且具有安全保护、输出电压短路保护、输出过电压保护以及除错后自动回复功能。

在上述任一方案中优选的是，所述数据处理单元采用GX1 处理器和CS5530A系统芯片，集成了810显示芯片, 支持 AGP2X，具有128MB SDRAM的内存容量硬件检测, 并且内建Winbond W83627HF芯片以监视CPU 温度, 系统温度, 电压，在网络上支持 Wake-on Lan 和可选Alert-on-LAN，在存储方面采用CF卡作为外部程序和数据存储介质，其配置成用于对两路信号进行时差域分析。

在上述任一方案中优选的是，所述数据存储单元采用并行方式储存数据，在计算机平台启动数据采集时，进行上一帧数据的处理和存储，存储采用DMA方式进行，用连续的数据堆，向高速固态存储设备进行批量数据传递。

在上述任一方案中优选的是，所述数据显示单元配置地用于显示上一帧的数据。

在上述任一方案中优选的是，所述数据回放单元配置地采用回放技术，记录实测数据，并在离线的情况下，将数据进行回放。

在上述任一方案中优选的是，所述网络通讯单元配置成用于与其他计算机平台或者服务器进行数据交换。

在上述任一方案中优选的是，所述数据处理单元还连接有报警单元，该报警单元通过对计算的振动总量进行分析处理，并按照预存的振动量级映射表，映射为1-90级的振动量级，并把振动量级通过数码管显示在主控计算机面板上。

在上述任一方案中优选的是，在该振动检测系统中还配备有12V供电单元，其采用高精度线性电源对数据采集单元、振动信号调理单元、转速信号调理单元以及数据处理单元进行供电，其具有过流、短路、过热、过压保护的功能，纹波系数小于1%，使用工作效率大于85%，供电电流大于3A，能提提供防震、防水、防腐蚀、防霉菌的防护能力,工作环境温度为－25度～60度。

按照本发明的检测系统能够有效的记录和实时的分析发动机工作过程的振动数据，提供与地面设备连接的接口，让地面人员可以分析和记录数据，针对每台发动机都建立一个数据库系统，可以存储和查询所有该发动机的振动数据，利于机务人员分析和了解该发动机的健康状态，为其后的地面检修提供意见和建议。

附图说明

图1是按照本发明的振动检测系统的一优选实施例的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1，图1示出了一种用于航空发动机的振动检测系统，其包括数据采集单元1、振动信号调理单元2以及转速信号调理单元3，其中数据采集单元1支持DMA传输方式和直接端口操作能力，同时提供了1K的FIFO，此外，数据采集单元1自身提供时钟，用硬件定时器完成采样频率的设置，其主要用于采集发动机的振动信号和转速信号，其中，对于振动信号，由于是高频信号，其频率带宽为1Hz~10KHz，因而采用20KHz的模数转换率来实现信号采集，对于转速信号，由于其信号频率较低，同时，由于转速信号品质很好，信噪比很高，所以采用20KHz的采样频率。数据采集单元1将采集到的振动信号和转速信号通过独立的两个通道传送至振动信号调理单元2和转速信号调理单元3，其中，振动信号调理单元2主要用于对振动信号进行前端限压处理和后端跟随处理，并完成了信号衰减，使信号幅值的范围达到正负5V的范围内，在完成信号隔离后对信号采用截止频率为20KHz的4阶巴特沃司型的滤波器进行滤波，转速信号调理单元3主要用于对转速信号前端限压并完成了信号衰减，使信号幅值的范围达到5V的范围内，在完成信号隔离后对信号采用了截止频率为10KHz的4阶巴特沃司型的滤波器进行滤波。这样，系统对不同的信号分别处理，并针对每一个通道独立地进行信号调理。

在该振动检测系统中，振动信号调理单元2和转速信号调理单元3与A/D转换单元4相连接，该A/D转换单元4采用12位A/D转换芯片，具有12位高分辨率，其采样速率最高可达100K。

在该振动检测系统中，A/D转换单元4与计算机平台5相连接，其中，该计算机平台5采用嵌入式计算机系统，该嵌入式计算机系统具有ARM处理器，256M内存，4G非易失性存储器，并配以网络接口和串行接口，此外，该计算机平台5配备有电源8，该电源8的输入电压为27V，且具有安全保护、输出电压短路保护、输出过电压保护以及除错后自动回复功能。

计算机平台5与数据处理单元6相连接，其中，数据处理单元6采用GX1 处理器和CS5530A系统芯片，集成了810显示芯片, 支持 AGP2X，具有128MB SDRAM的内存容量硬件检测, 并且内建Winbond W83627HF芯片以监视CPU 温度, 系统温度, 电压，在网络上支持 Wake-on Lan 和可选Alert-on-LAN，在存储方面采用了CF卡作为外部程序和数据存储介质，其用于对两个时域信号进行时差域分析。

数据处理单元6同时与数据存储单元9、数据显示单元10、数据回收单元11以及网络通讯单元12相连接，其中，数据存储单元9采用并行方式储存数据，在计算机平台5启动数据采集时，进行上一帧数据的处理和存储，存储采用DMA方式进行，用连续的数据堆，向高速固态存储设备进行批量数据传递；数据显示单元10用于显示上一帧的数据；数据回放单元11采用回放技术，记录实测数据，并可在离线的情况下，将数据进行回放，操作人员可实际选择查看数据及对应的信号；网络通讯单元12用于与其他计算机平台或者服务器进行数据交换。

此外，数据处理单元6还连接有报警单元7，该报警单元7通过对计算的振动总量进行分析处理，并按照预存的振动量级映射表，映射为1-90级的振动量级，并把振动量级通过数码管显示在主控计算机面板上。

在该振动检测系统中还配备有12V供电单元13，其采用高精度线性电源对数据采集单元1、振动信号调理单元2、转速信号调理单元3以及数据处理单元6进行供电，该供电单元13具有可靠性高、输入电压范围宽、高稳压精度、宽工作温度、高使用效率、无电磁干扰等特点，具有过流、短路、过热、过压保护功能，纹波系数小于1%，使用工作效率大于85%，供电电流大于3A，能提提供防震、防水、防腐蚀、防霉菌等防护能力，隔离电压和隔离电阻高,工作环境温度为－25C～60C，这样可以很好的保证系统的安全运行。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效替换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于航空发动机的振动检测系统，其包括数据采集单元、振动信号调理单元以及转速信号调理单元，其中数据采集单元支持DMA传输方式和直接端口操作能力，其配置地用于采集发动机的振动信号和转速信号，并将采集到的振动信号和转速信号通过独立的两个通道传送至振动信号调理单元和转速信号调理单元，其特征在于：振动信号调理单元和转速信号调理单元与A/D转换单元相连接，A/D转换单元与计算机平台相连接，计算机平台与数据处理单元通过数据线相连接，数据处理单元同时与数据存储单元、数据显示单元、数据回收单元以及网络通讯单元并列连接。

2.如权利要求1所述的振动检测系统，其特征在于:所述数据采集单元自身提供时钟，用硬件定时器完成采样频率的设置。

3.如权利要求2所述的振动检测系统，其特征在于：所述振动信号调理单元配置成用于对振动信号进行前端限压处理和后端跟随处理，并完成信号衰减，使信号幅值的范围达到正负5V的范围内，在完成信号隔离后对信号采用截止频率为20KHz的4阶巴特沃司型的滤波器进行滤波。

4.如权利要求3所述的振动检测系统，其特征在于：转速信号调理单元配置成用于对转速信号前端限压并完成信号衰减，使信号幅值的范围达到5V的范围内，在完成信号隔离后对信号采用了截止频率为10KHz的4阶巴特沃司型的滤波器进行滤波。

5.如权利要求4所述的振动检测系统，其特征在于：所述A/D转换单元采用12位A/D转换芯片，具有12位高分辨率，其采样速率最高可达100K。

6.如权利要求1-5中任一项所述的振动检测系统，其特征在于：所述计算机平台采用嵌入式计算机系统，该嵌入式计算机系统具有ARM处理器，256M内存，4G非易失性存储器，并配以网络接口和串行接口。

7.如权利要求6所述的振动检测系统，其特征在于：所述该计算机平台配备有电源，该电源的输入电压为27V，且具有安全保护、输出电压短路保护、输出过电压保护以及除错后自动回复功能。

8.如权利要求7所述的振动检测系统，其特征在于：所述数据处理单元采用GX1 处理器和CS5530A系统芯片，集成了810显示芯片, 支持 AGP2X，具有128MB SDRAM的内存容量硬件检测, 并且内建Winbond W83627HF芯片以监视CPU 温度, 系统温度, 电压，在网络上支持 Wake-on Lan 和可选Alert-on-LAN，在存储方面采用CF卡作为外部程序和数据存储介质，其配置成用于对两路信号进行时差域分析。

9.如权利要求8所述的振动检测系统，其特征在于：所述数据存储单元采用并行方式储存数据，在计算机平台启动数据采集时，进行上一帧数据的处理和存储，存储采用DMA方式进行，用连续的数据堆，向高速固态存储设备进行批量数据传递。

10.如权利要求9所述的振动检测系统，其特征在于：所述数据显示单元配置地用于显示上一帧的数据。