CN104655430B - 冷却式振动信号传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却式振动信号传感装置，包括：压电式加速度计、前置放大器和电缆，所述前置放大器设置在所述压电式加速度计的加速度计腔室内，所述前置放大器分别与所述压电式加速度计和所述电缆电连接，其中还包括：空气导管和整流环，所述前置放大器与所述电缆分设于所述整流环两侧，并通过所述整流环电连接，所述空气导管套设在所述电缆上，在所述空气导管和所述电缆之间形成冷却空气流动的通道，所述加速度计腔室设有用于排出通过所述空气导管通入所述加速度计腔室内的冷却空气的排气孔。本发明能够扩大带有前置放大器的压电式振动传感器的工作范围。

Description

冷却式振动信号传感装置

技术领域

本发明涉及航空发动机状态监视技术，尤其涉及一种冷却式振动信号传感装置。

背景技术

发动机振动监视系统（Engine Vibration Management system，简称EVM）作为发动机状态监视系统的一个部分，包括用于监视和分析发动机振动的全部硬件系统和软件系统。目前使用的大多数EVM系统主要利用一个或多个安装在发动机某些部位的振动传感器检测由转子不平衡引起的振动，检测信号通过复杂程度不同的电子处理装置接收处理后，以某种形式对机组人员显示或传递到其它机载监视设备上。EVM系统的精度和保真度极大程度地取决于信号源的质量，而后者主要取决于传感器的特性。目前最常用的振动传感器是压电式加速度计，可以产生与测量方向加速度成比例的电荷，然后从加速度计导出到信号处理电路中。

图1示出了一种现有的压电式加速度计的内部结构示意图。这种加速度计产生的电荷信号具有高阻抗的特点，信号非常微弱，因此将这样的信号传输到第一级电子电路前应慎重考虑，因为这段距离很容易引入环境噪声，使目标信号严重恶化。目前可采用的一种方式是在加速度计与第一级电子电路之间安装高质量的屏蔽电缆，如图2、3所示。加速度计a1设置在发动机部分，而前置放大器a3设置在发动机与飞机接口部分，而信号处理电路a4设置在飞机部分，屏蔽电缆a2连接加速度计a1和前置放大器a3。屏蔽电缆在整个传输长度范围应完全屏蔽，但是当电缆曲折，其各组成部分有相对运动时，可能引起电缆内部产生静电荷，该电荷随时间变化，使放大器出现虚假信号，形成摩擦电噪声。而由于前端传感器产生的压电信号非常微弱，如果混杂了外界的干扰信号，可能导致有效信号完全失真。

另一种保证源头信号质量的方法是将小型前置放大器直接安装到加速度计腔室内，这种电路板将高阻抗的电荷信号转换为低阻抗的电压信号或电流信号，便于采用普通的航空电缆进行信号传输。但是目前该类前置放大器元件工作温度都限制在350℉以下，而发动机很多位置处的温度都高于该值。因此发动机复杂的温度环境限制了带有前置放大器的加速度计的应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种冷却式振动信号传感装置，能够扩大带有前置放大器的压电式振动传感器的工作范围。

为实现上述目的，本发明提供了一种冷却式振动信号传感装置，包括：压电式加速度计、前置放大器和电缆，所述前置放大器设置在所述压电式加速度计的加速度计腔室内，所述前置放大器分别与所述压电式加速度计和所述电缆电连接，其中，还包括：空气导管和整流环，所述前置放大器与所述电缆分设于所述整流环两侧，并通过所述整流环电连接，所述空气导管套设在所述电缆上，在所述空气导管和所述电缆之间形成冷却空气流动的通道，所述加速度计腔室设有用于排出通过所述空气导管通入所述加速度计腔室内的冷却空气的排气孔。

进一步的，所述空气导管与所述加速度计腔室通过空气管接头进行连接，所述整流环整体为圆形，所述整流环的直径与所述加速度计腔室内壁或所述空气管接头的内壁相适应，所述整流环在周向上均匀分布有多个通孔。

进一步的，所述整流环的圆心位置设有接线柱，在所述加速度计腔室内侧与所述前置放大器的信号输出端连接，在所述加速度计腔室外侧与所述电缆的电缆接头进行连接，并对所述电缆形成支撑。

进一步的，所述加速度计腔室上设有多个排气孔，并在周向上均匀分布。

进一步的，所述空气导管连接到风扇外涵，从所述风扇外涵引入高速气流。

进一步的，所述电缆通向发动机风扇舱，所述电缆与所述空气导管在风扇后支板处分离。

基于上述技术方案，本发明将压电式加速度计的前置放大器设置在加速度计腔室内，通过设置空气导管将冷却空气通过空气导管与电缆之间形成的通道通入加速度计腔室，再从速度计腔室内的排气孔排出，利用冷却空气的流动带走前置放大器的热量，使前置放大器即便设置在较高环境温度的位置，也能够维持在工作温度范围内；整流环可以起到在前置放大器与电缆之间形成电连接的作用，同时整流环还可以对冷却空气进行导流，使冷却空气能够均匀的进入加速度计腔室，形成对前置放大器全方位的冷却效果。另外，套设在电缆外的空气导管可以保护信号传输电缆免受外部损伤，进而提高了整个系统的可靠性。

在另一个实施例中，所述空气导管与所述加速度计腔室通过空气管接头进行连接，所述整流环整体为圆形，所述整流环的直径与所述加速度计腔室内壁或所述空气管接头的内壁相适应，所述整流环在周向上均匀分布有多个通孔。利用空气管接头可以确保空气导管与加速度计腔室的良好连接，整流环的尺寸与速度计腔室内壁或空气管接头内壁相适应，可以获得良好的固定作用，确保前置放大器与电缆之间的连接的稳定性，而整流环在周向上均匀分布的多个通孔，则可以使速度计腔室内的气流更加均匀，提高了对前置放大器的冷却效果。

在另一个实施例中，所述整流环的圆心位置设有接线柱，在所述加速度计腔室内侧与所述前置放大器的信号输出端连接，在所述加速度计腔室外侧与所述电缆的电缆接头进行连接，并对所述电缆形成支撑。整流环利用圆心位置的接线柱来作为前置放大器与传输电缆之间的信号接口，可以使前置放大器具有更好的连接刚度，避免形成悬臂式连接，进而避免悬臂式连接对整个振动传感器的响应频率的影响。

在另一个实施例中，所述加速度计腔室上设有多个排气孔，并在周向上均匀分布。相比于现有技术中将排风口完全设置在底部的方式，采用周向上均匀分布的多个排气孔可以避免在加速度计腔室内形成气流滞止区，提高冷却效果，避免加速度计腔室内滞留灰尘等异物而影响到前置放大器的工作性能，以及避免在排风口处的机匣结构形成集中冲击的冷却气流，进而形成局部热梯度，给机匣结构可靠性带来不利影响的问题。

在另一个实施例中，所述空气导管连接到风扇外涵，从所述风扇外涵引入高速气流。将空气导管连接到风扇外涵，可以从风扇外涵引入大量且高速的冷却气流，冷却气流具有足够的气流量，且具有较高的流动速度，则可以对前置放大器形成稳定且高效的冷却作用，使其降温到正常工作温度范围，同时这种冷却空气无需通过专用设备产生，也无需对整个系统进行较大规模的结构改造，只需将空气导管接到风扇外涵即可。

在另一个实施例中，所述电缆通向发动机风扇舱，所述电缆与所述空气导管在风扇后支板处分离。电缆通往位于发动机风扇舱的发动机振动监视模块，二者可以在风扇后支板处分离。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有的压电式加速度计的内部结构示意图。

图2为现有的一种带有屏蔽电缆的振动测量电路的电路示意图。

图3为图2所对应的器件实体连接示意图。

图4为本发明冷却式振动信号传感装置的一实施例的结构示意图。

图5为本发明冷却式振动信号传感装置实施例中冷却空气的流动方向示意图。

图6为本发明冷却式振动信号传感装置实施例中电缆与空气导管的分离形式示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明针对于现有的振动传感器在源头信号传输上所存在的问题，设计了一种冷却式振动信号传感装置，核心思想是向加速度计腔室引入冷却空气，对腔室内的前置放大器进行冷却，使其始终处于工作温度范围之内，从而扩大了这种带有前置放大器的冷却振动信号传感装置能够适应于发动机内多个位置的复杂温度环境。

如图4所示，为本发明冷却式振动信号传感装置的一实施例的结构示意图。在本实施例中，冷却式振动信号传感装置包括：压电式加速度计1、前置放大器2、整流环3、电缆4和空气导管5，前置放大器2设置在压电式加速度计1的加速度计腔室6内，前置放大器2分别与压电式加速度计1和电缆4电连接，其中前置放大器2与电缆4分设于整流环3的两侧，并通过整流环3电连接，空气导管5套设在电缆4上，在空气导管5和电缆4之间形成冷却空气流动的通道，加速度计腔室6设有用于排出通过空气导管5通入加速度计腔室6内的冷却空气的排气孔9。

在本实施例中，压电式加速度计的前置放大器设置在加速度计腔室内，空气导管可以将冷却空气通入加速度计腔室，再从速度计腔室内的排气孔排出，利用冷却空气的流动带走前置放大器的热量，使前置放大器即便设置在较高环境温度的位置，也能够维持在工作温度范围内。在这里，空气导管具有至少两个作用，除了为冷却空气提供通道之外，还可以保护内部的信号传输电缆免受外部损伤，从而提高了整个系统的可靠性。

整流环可以起到两个基本的作用，一是起到在前置放大器与电缆之间形成电连接的作用，另一个是对冷却空气进行导流，使冷却空气能够均匀的进入加速度计腔室，相比于向器件上直吹冷却空气的形式，利用整流环将冷却空气引导成多股气流环绕着前置放大器，使前置放大器可以获得全方位的冷却效果，而非现有的不均匀的冷却效果。

从图4可以看到，空气导管5与加速度计腔室1之间可以通过空气管接头8进行连接，以获得稳定的连接效果。整流环整体为圆形，且整流环的直径与加速度计腔室内壁或空气管接头的内壁相适应，这样就可以使整流环的尺寸能够与加速度计腔室内壁或空气管接头8内壁相适应，以获得整流环在加速度计腔室或空气管接头的内壁上的良好固定作用，确保前置放大器与电缆之间的连接的稳定性。另外，为了使整流环能够达到良好的冷却空气引导作用，优选在整流环的周向上均匀分布多个通孔，这样就使得整流环一侧的冷却空气能够分别从各个通孔穿过，使速度计腔室内的气流更加均匀，从而从整体上对整流环的另一侧的前置放大器进行全方位的冷却，提高冷却空气对前置放大器的冷却效果。

整流环3的圆心位置可以设置接线柱，该接线柱能够在加速度计腔室6的内侧与前置放大器3的信号输出端连接，在加速度计腔室6的外侧与电缆4的电缆接头7进行连接。整流环利用圆心位置的接线柱来作为前置放大器与传输电缆之间的信号接口，可以对电缆形成支撑，并可使前置放大器具有更好的连接刚度，避免形成悬臂式连接，进而避免悬臂式连接对整个振动传感器的响应频率的影响。

在有些现有技术中，排风口完全设置在底部的方式，这样设计存在以下一些问题，一是容易在加速度计腔室内形成气流滞止区，而采用本发明周向上均匀分布的多个排气孔的设计可以避免在加速度计腔室内形成气流滞止区，提高冷却效果；二是在加速度计腔室内容易滞留灰尘，而通过本发明在周向上均匀分布的多个排气孔的设计可以规避加速度计腔室内的死角，避免加速度计腔室内滞留灰尘等异物而影响到前置放大器的工作性能；三是设置在底部的排风口会给排风口处的机匣结构形成集中冲击的冷却气流，进而形成局部热梯度，给机匣结构可靠性带来不利影响，而通过本发明在周向上均匀分布的多个排气孔的设计可以使冷却气流沿周向分散排出，不会对机匣结构造成集中冲击，也不会造成局部热梯度。

具体的冷却空气的流动方式可参见图5，进入到空气导管的冷却空气在进入到加速度计腔室后，从周向均匀分布的多个排气孔中向外排出。空气导管可以连接到风扇外涵，用以获得大量且高速的冷却气流，冷却气流具有足够的气流量，且具有较高的流动速度，则可以对前置放大器形成稳定且高效的冷却作用，使其降温到正常工作温度范围，同时这种冷却空气无需通过专用设备产生，也无需对整个系统进行较大规模的结构改造，只需将空气导管接到风扇外涵即可。由于电缆与空气导管最终要进行分离，分别引入到发动机风扇舱和风扇外涵，参考图6，电缆可以与空气导管在风扇后支板处分离。在图6中电缆从C方向引入到发动机风扇舱的发动机振动监视模块，而从A方向上接来的风扇外涵的高速冷却气流经过空气导管以B方向进入到加速度计腔室。

通过对上述本发明实施例的说明，可以理解本发明至少包括以下优点：

1、由于免去现有的压电式加速度计与前置放大器之间的屏蔽电缆，直接从前置放大器获取源头振动信号，排除屏蔽电缆可能引入的各种噪声，提高源头振动信号的精确度和保真度。

2、通过在加速度计腔室内对前置放大器进行空气冷却的方式，使温度较敏感的前置放大器能够通过冷却气流冷却，而保持在正常工作温度范围以内，降低高温引起的信号漂移，因此使得冷却式振动信号传感装置能够在更严苛的发动机位置中使用。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种冷却式振动信号传感装置，包括：压电式加速度计、前置放大器和电缆，所述前置放大器设置在所述压电式加速度计的加速度计腔室内，所述前置放大器分别与所述压电式加速度计和所述电缆电连接，其特征在于，还包括：空气导管和整流环，所述前置放大器与所述电缆分设于所述整流环两侧，并通过所述整流环电连接，所述空气导管套设在所述电缆上，在所述空气导管和所述电缆之间形成冷却空气流动的通道，所述加速度计腔室设有用于排出通过所述空气导管通入所述加速度计腔室内的冷却空气的排气孔。

2.根据权利要求1所述的冷却式振动信号传感装置，其特征在于，所述空气导管与所述加速度计腔室通过空气管接头进行连接，所述整流环整体为圆形，所述整流环的直径与所述加速度计腔室内壁或所述空气管接头的内壁相适应，所述整流环在周向上均匀分布有多个通孔。

3.根据权利要求2所述的冷却式振动信号传感装置，其特征在于，所述整流环的圆心位置设有接线柱，在所述加速度计腔室内侧与所述前置放大器的信号输出端连接，在所述加速度计腔室外侧与所述电缆的电缆接头进行连接，并对所述电缆形成支撑。

4.根据权利要求1所述的冷却式振动信号传感装置，其特征在于，所述加速度计腔室上设有多个排气孔，并在周向上均匀分布。

5.根据权利要求1所述的冷却式振动信号传感装置，其特征在于，所述空气导管连接到风扇外涵，从所述风扇外涵引入高速气流。

6.根据权利要求5所述的冷却式振动信号传感装置，其特征在于，所述电缆通向发动机风扇舱，所述电缆与所述空气导管在风扇后支板处分离。