CN105004463A - 活塞式螺旋桨发动机推力测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
活塞式螺旋桨发动机推力测量方法及装置，属于航空发动机技术领域，为解决现有测量装置难以用于飞机机体发动机推力测量的问题，安装于发动机减震支座与飞机机体之间的四个压电薄膜传感器，对活塞式螺旋桨发动机施加于飞机机体的压力信号进行检测采集；内置信号调理电路将压电薄膜传感器采集到的压力信号进行放大处理；逐次逼近型A/D转换将模拟压力信号转换为数字信号；单片机预置程序解算出各压电薄膜传感器实际压力，将压力数据传输给机载数据记录仪进行存储；传感器数据记录模块存储发动机转速数据和经过数据处理的压力信号数据；飞行数据记录模块存储飞机各指令数据和状态数据；地面数据处理单元对存储在机载数据记录仪中数据进行处理分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞式螺旋桨发动机推力测量技术，属于航空发动机技术领域。
背景技术
飞行器动力系统性能分析是飞行器总体设计过程中的重要组成部分，而发动机推力测量技术是其中的一项关键技术，只有获得实测的推力，才能获取发动机螺旋桨匹配的实际性能参数，并开展进一步的设计和研制工作。
目前的活塞式螺旋桨发动机推力测量技术，主要采用基于发动机台架的地面静推力试验以及风洞试验。在地面静止环境下，进行发动机推力试验，测量并记录得到发动机静推力数据；在风洞吹风环境下，模拟实际飞行状态，测量并记录得到发动机动推力数据。单纯进行地面静推力试验，无法得到动推力数据；而为得到动推力数据进行风洞试验，又要花费大量的时间与资金。
在具体的实现技术上，传统的地面试验台架采用S型拉压力传感器检测采集压力信号。工作机理为，S型拉压力传感器在发动机推力作用下发生变形，安装在其内部的高精度电阻应变片因其发生形变而引起阻值发生变化，在外界激励电压影响下，输出相应模拟电流信号，通过检测模拟电流信号计算得到压力数值大小。这种检测方式的优点是技术成熟、简便可靠，但是由于其结构复杂，难以将其直接移植到飞机机体进行发动机推力测量。
发明内容
本发明为了解决现有技术由于其结构复杂，难以将其直接移植到飞机机体进行发动机推力测量的问题，提供一种活塞式螺旋桨发动机推力测量方法及装置，适合于发动机静推力与动推力的测量与记录。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
活塞式螺旋桨发动机推力测量方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一，安装于发动机减震支座与飞机机体之间的四个压电薄膜传感器，对活塞式螺旋桨发动机施加于飞机机体的压力信号进行检测采集，四个压电薄膜传感器将采集到的压力信号分别传送给压力数据处理单元；
步骤二，压力数据处理单元利用内置信号调理电路，将压电薄膜传感器采集到的压力信号进行放大处理；
步骤三，压力数据处理单元利用逐次逼近型A/D转换，将模拟压力信号转换为数字信号；
步骤四，压力数据处理单元利用单片机预置程序，解算出各压电薄膜传感器实际压力，将压力数据传输给机载数据记录仪进行存储；
步骤五，机载数据记录仪利用传感器数据记录模块，存储发动机转速数据和经过数据处理的压力信号数据；
步骤六，机载数据记录仪利用飞行数据记录模块，存储飞机各指令数据和状态数据；
步骤七，地面数据处理单元，对存储在机载数据记录仪中的数据进行处理分析。
活塞式螺旋桨发动机推力测量装置，其特征是，该装置包括：
四个薄膜压电传感器分别通过四个发动机减震支座连接到飞机机体，用于发动机作用于机体的压力信号检测与采集，四个压电薄膜传感器将采集到的压力信号分别传送给压力数据处理单元；
压力数据处理单元，具有内置信号调理电路、逐次逼近型A/D转换器和单片机，用于将采集得到的电压信号进行放大、模数转换以及单片机处理；
机载数据记录仪，用于压力信号与飞行状态数据的存储；
地面数据处理单元，用于数据的地面处理，得到推力数据；
压力数据处理单元与机载数据记录仪固定在机身安装板上；四个压电薄膜传感器、压力数据处理单元和机载数据记录仪之间通过数据总线进行数据交换。
本发明的有益效果是：采用压电薄膜传感器检测采集压力信号，与传统S型拉压力传感器相比，结构简单、安装方便，且无需外界激励电源，可以直接在飞机机体对压力信号进行检测采集；本发明可同时测量与记录静推力与动推力，解决了风洞试验耗时耗资巨大的问题。
附图说明
图1是本发明活塞式螺旋桨发动机推力测量装置结构示意图。
图2是本发明活塞式螺旋桨发动机动推力测量方法的流程示意图。
图3是本发明所述机载数据记录仪组成结构图。
图4是本发明所述飞行数据记录模块原理图。
图5是本发明所述传感器数据记录模块原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种适用于活塞式螺旋桨发动机的推力测量装置，可用于地面静止状态测量发动机静推力，也可用于实际飞行状态下测量发动机动推力。
如图1所示，活塞式螺旋桨发动机的推力测量装置，其结构为四个压电薄膜传感器1分别通过四个发动机减震支座4连接到飞机机体5；压力数据处理单元2与机载数据记录仪3固定在机身安装板6上；四个压电薄膜传感器1、压力数据处理单元2和机载数据记录仪3之间通过数据总线进行数据交换。
如图2所示，活塞式螺旋桨发动机推力测量方法，其包括压力信号检测采集，压力信号数据处理，压力信号及飞行状态数据存储，地面数据处理四个步骤；相应的执行单元，包括四个压电薄膜传感器1，压力数据处理单元2，机载数据记录仪3以及地面数据处理单元，该方法的具体步骤如下：
第一步，压力信号检测采集。
采用压电薄膜传感器1进行压力信号检测，可直接将感受到的压力信号转变为模拟电压信号，无需外界激励电源，使用简单。结构上，于发动机与飞机机体的四个安装点上各布置一个压电薄膜传感器1，分别通过发动机减震支座4固连到飞机机体5之上，四个压电薄膜传感器1将采集到的压力信号分别传送给压力数据处理单元2。
第二步，压力信号数据处理。
压力数据处理单元2具有内置信号调理电路、逐次逼近型A/D转换器和单片机，压力信号数据处理具体过程包括：
对所采集压力信号进行信号放大处理。
压电薄膜传感器1输出的信号很微弱，对这样的信号采样首先需将信号放大，测量系统中的放大电路要求精密、低温漂、高共模抑制比，一般采用精密仪用放大器或斩波稳零放大器。要达到比较高的测量精度则需要高分辨率的ADC，本发明采用了一种高性能内置信号调理电路的高分辨率串行ADC。由于内部包含了内置信号调理电路，并且是串行接口，所以使电路大大简化，提高了系统整体性能，同时也节省了空间。
对压力信号进行模数转换处理。
考虑到压电薄膜传感器输出的电压为变化频率较高的信号，本发明采用逐次逼近型A/D转换器。逐次逼近型A/D转换器，一般具有采样/保持功能。采样功率高，功率比较低，是理想的高速、高精度、省电型A/D转换器件。高精度逐次逼近型A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟，基于单片机构成的系统设计时仅需要外接几个电阻电容。
单片机数据处理。
将转换处理得到的数字信号，通过IO管脚传输至单片机处理器，通过预置程序解算出各个压电薄膜传感器感受到的实际压力，并将压力数据传输给机载数据记录仪进行存储。
第三步，压力信号及飞行状态数据存储。
如图3所示，机载数据记录仪3包含两个独立的子模块，分别为飞行数据记录子模块和传感器数据记录子模块，用于压力信号与飞行状态数据的存储。
如图4所示，飞行数据记录模块接口为两路CAN总线，记录的数据分为指令数据和状态数据两部分。指令数据包括副翼、升降舵与方向舵舵机的舵偏角指令及发动机油门控制指令；状态数据包括飞行速度、飞行高度以及机体姿态信息等状态。
飞行数据记录模块的硬件部分由主飞行数据记录板组成。主飞行数据记录板由电源变换模块提供5V电源，再经过LDO转换为1.9V和3.3V为板上芯片供电。选用的微控制器片内集成有两个CAN总线控制器，可以同时挂接在两条CAN总线上。每个CAN总线控制器有32个邮箱，可根据需要独立配置成接受和发送模式，接收邮箱具有可编程接收滤波掩码特性，可以在减少CPU负荷的情况下更加灵活地对消息进行接收和分类。CAN总线控制器接收的数据通过XINF接口与CF控制器进行数据交换，CF控制器将数据写入到NAND FLASH中。
如图5所示，传感器数据记录模块的功能是完成飞机在飞行状态下的发动机转速数据和压力信号数据的采集和记录。
传感器数据记录模块的硬件部分由主传感器数据记录板组成。主传感器数据记录板由电源变换模块提供5V直流电源，经过LDO转换后产生3.3V电源和1.9V电源为班上芯片供电。选用的微处理器芯片其内部集成了三路异步串行通信口和数据地址总线扩展接口，便于与各种外设无缝连接。处理器通过地址总线，数据总线和控制线对CF卡控制器进行读写操作，从而将数据记录至FLASH中。
第四步，地面数据处理。
在飞行结束后，将机载数据记录仪中的数据提取至地面数据处理软件。利用卡尔曼滤波将所得压力信号进行滤波处理。同时结合飞行速度、飞行高度、发动机油门以及发动机转速等数据，得到最终所要求的发动机推力数据。
Claims (2)
1.活塞式螺旋桨发动机推力测量与记录方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一，安装于发动机减震支座(4)与飞机机体(5)之间的四个压电薄膜传感器(1)，对活塞式螺旋桨发动机施加于飞机机体的压力信号进行检测采集，四个压电薄膜传感器(1)将采集到的压力信号分别传送给压力数据处理单元(2)；
步骤二，压力数据处理单元(2)利用内置信号调理电路，将压电薄膜传感器(1)采集到的压力信号进行放大处理；
步骤三，压力数据处理单元(2)利用逐次逼近型A/D转换，将模拟压力信号转换为数字信号；
步骤四，压力数据处理单元(2)利用单片机预置程序，解算出各压电薄膜传感器实际压力，将压力数据传输给机载数据记录仪进行存储；
步骤五，机载数据记录仪(3)利用传感器数据记录模块，存储发动机转速数据和经过数据处理的压力信号数据；
步骤六，机载数据记录仪(3)利用飞行数据记录模块，存储飞机各指令数据和状态数据；
步骤七，地面数据处理单元，对存储在机载数据记录仪(3)中的数据进行处理分析。
2.活塞式螺旋桨发动机推力测量装置，其特征是，该装置包括：
四个薄膜压电传感器(1)分别通过四个发动机减震支座(4)连接到飞机机体(5)，用于发动机作用于机体的压力信号检测与采集，四个压电薄膜传感器(1)将采集到的压力信号分别传送给压力数据处理单元(2)；
压力数据处理单元(2)，具有内置信号调理电路、逐次逼近型A/D转换器和单片机，用于将采集得到的电压信号进行放大、模数转换以及单片机处理；
机载数据记录仪(3)，用于压力信号与飞行状态数据的存储；
地面数据处理单元，用于数据的地面处理，得到推力数据；
压力数据处理单元(2)与机载数据记录仪(3)固定在机身安装板(6)上；四个压电薄膜传感器(1)、压力数据处理单元(2)和机载数据记录仪(3)之间通过数据总线进行数据交换。
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