CN105571710A - 一种发动机机载振动信号采集电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种发动机机载振动信号采集电路，其中在单端电荷放大电路的运算放大器的负输入端的限流电阻之前增加用于滤除极低频干扰信号的电容C4，运算放大器的反馈电阻R1接至电容C4与限流电阻之间的结点，反馈电容C3接至电容C4的前端，电容C4的容值由发动机转速变化时的工作特性确定。本发明能够有效滤除发动机振动信号中的复杂干扰信号，实现对电荷型发动机振动信号的精确采集。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机振动监测技术领域，具体涉及一种对电荷型振动信号准确采集的电路。
背景技术
航空发动机在实际工作中，由于载荷复杂、工作环境多变，往往存在较多振动信号，这些振动信号中有的是与系统的固有特性相关，有的则是与已发生或即将发生的故障相关。为了能够准确地进行发动机故障检测和诊断，对振动信号进行精确采集是上述工作的基础。压电式振动传感器是目前较为常用、应用最广的传感器之一，具有可靠性高、安装方便、频带宽等优势，其输出信号为电荷型信号。
常用的电荷信号采集电路包括电压放大器和电荷放大器，在低频段电压放大器的测量误差会随连接电缆长度的变化而变化，使测量结果不准确，而电荷放大器能够克服这一缺点，使得测量结果不易受连接电缆的影响，因此常采用电荷放大器进行电荷信号的采集。
通常针对振动传感器设计的信号采集电路，最多考虑消除高频干扰信号，即在电荷放大器之前设置有相应的低通滤波电路。然而，在实践中我们发现，利用常规的振动信号采集电路对机载发动机传感器采集得到信号经常出现饱和现象等问题，这样的采集信号无法用于后续的振动分析。
发明内容
本发明的目的在于克服上述振动信号采集电路的不足，提出了一种改进型发动机机载振动信号采集电路，能够有效滤除发动机振动信号中的复杂干扰信号，实现对电荷型发动机振动信号的精确采集。
申请人发现，导致出现信号饱和现象的问题的原因是：在发动机启动、停止等转速剧烈变化的过程中，传感器振动信号中混入了极低频的干扰信号。另外，机载发动机的工作环境可能达到110℃以上，在这样的高温环境下，单端电荷放大电路会产生直流偏置信号。而且，机载发动机在工作时会有大量零部件产生振动信号，因此造成最终传感器采集到的信号总量过大，且成分复杂，远远超出了被测对象的真实振动量级。
本发明因此提出以下方案：
该发动机机载振动信号采集电路，包括依次设置的雷电防护电路、防HIRF滤波电路以及单端电荷放大电路，所述单端电荷放大电路的核心为运算放大器，防HIRF滤波电路的输出电荷信号Qf经电阻R2连接到运算放大器的负输入端，运算放大器的正输入端经电阻R3接地，其特别之处是：在电阻R2的前端还设置有电容C4，运算放大器的输出端经电阻R1反馈至电容C4与电阻R2之间的结点，并经用于调节放大倍数的电容C3反馈至电容C4的前端，电容C4的容值由发动机转速变化时的工作特性确定。
对于单端型振动传感器，可以使振动传感器与运算放大器共地；对于差分型振动传感器，可以使振动传感器的输出负端与运算放大器共地。
上述雷电防护电路可采用瞬态抑制管组成。
在单端电荷放大电路的输出端还增加了高通滤波电路，用于滤除单端电荷放大电路在高温条件下输出信号中包含的直流偏置信号。
电容C4满足消除输入信号中0.1Hz以内的极低频干扰信号。
电容C3满足单端电荷放大电路的采集范围不小于10000pC。
在应用该发动机机载振动信号采集电路，通常需要进行调试。调试方法为：当输出信号出现饱和现象时，将电容C4的容值调低；当输出信号出现精度超差时，将电容C4的容值调高。
本发明具有电路结构简单、可靠性高、实用性强、可抑制输入干扰等优点，具体还有以下几个方面的特点：
采用瞬态抑制管实现雷电防护，采用电感和电容组合实现高频滤波，可抑制发动机上复杂工作环境的干扰信号。
采用单端电荷放大器，对输入的电荷型振动信号进行放大，提高电路的输入阻抗。
对单端电荷放大器进行改进，增加滤波电容实现对输入信号的滤波，能够对输入的电荷型振动信号进行放大，提高电路的输入阻抗，同时消除输入信号中的极低频干扰信号。
采用高通滤波器滤除该电路在高温条件下的直流偏置信号，稳定了采集电路输出电压的动态范围。
附图说明
图1是本发明的发动机机载振动信号采集电路的功能原理框图；
图2是雷电防护电路硬件原理图；
图3是高频滤波电路硬件原理图；
图4是本发明改进的单端电荷放大器电路硬件原理图；
其中，A-放大器
图5是高通滤波电路硬件原理图；
其中，B-放大器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
如图1-5所示，该发动机机载振动信号采集电路，包括雷电防护电路、高频滤波电路、改进型单端电荷放大器电路和高通滤波电路。雷电防护电路是由瞬态抑制电路构成，实现对后级电路的雷电防护；高频滤波电路与雷电防护电路连接，可对输入的电荷信号进行高频滤波，抑制振动信号中的高频干扰信号；单端电荷放大器电路实现对发动机电荷信号进行放大，变换为电压信号，同时滤除发动机振动信号中的低频干扰信号；经过放大后的信号存在一定的低频干扰信号，高通滤波电路可滤除该低频干扰信号，保证振动信号的准确采集。
步骤1：振动加速度传感器输出电荷信号Qi，连接雷电防护电路，转换为雷电防护后的电荷信号Qp，当输入信号中出现瞬态雷电干扰信号时，瞬态抑制管V1导通，实现对后级电路的雷电防护功能。
步骤2：将雷电防护后的电荷信号Qp和传感器的壳体地分别连接高频滤波电路，经过L1、C1和C2组成的高频滤波器，能够抵抗输入信号中的高频干扰信号，输出为滤波后的电荷信号Qf和壳体地信号Df。
步骤3：将滤波后的电荷信号Qf连接到改进型单端电荷放大器的正输入端，传感器的壳体地Df接到改进型单端电荷放大器的负输入端，通过改进型单端电荷放大器对输入的电荷信号Qf进行放大，其中C4具有对输入信号进行高通滤波的作用，可根据实际输入信号的要求进行调整，R1的作用是稳定电路的直流工作点，量值要求不小于500M欧姆，C3用于调节电压放大倍数，得到输出电压Uo为Uo＝Qf/C3。
步骤4：将输出电压Uo接到二阶高通滤波器的输入端，C5、C6、R4、R5组成一个二阶高通滤波器，实现对高温条件下电路直流干扰信号的滤波，得到滤波后的输出电压Uf。经过高通滤波，稳定了采集电路输出电压的动态范围。
本发明能够实现对发动机振动信号的精确采集，抑制发动机舱复杂的电磁干扰和雷电干扰，并且高温、强震的环境下稳定工作，目前已通过系统联试和装机试飞验证，电路运行稳定可靠。
Claims (7)
1.一种发动机机载振动信号采集电路，包括依次设置的雷电防护电路、防HIRF滤波电路以及单端电荷放大电路，所述单端电荷放大电路的核心为运算放大器，防HIRF滤波电路的输出电荷信号Qf经电阻R2连接到运算放大器的负输入端，运算放大器的正输入端经电阻R3接地，其特征在于：
在电阻R2的前端还设置有电容C4，运算放大器的输出端经电阻R1反馈至电容C4与电阻R2之间的结点，并经用于调节放大倍数的电容C3反馈至电容C4的前端，电容C4的容值由发动机转速变化时的工作特性确定。
2.根据权利要求1所述的发动机机载振动信号采集电路，其特征在于：对于单端型振动传感器，振动传感器与运算放大器共地；对于差分型振动传感器，振动传感器的输出负端与运算放大器共地。
3.根据权利要求1所述的发动机机载振动信号采集电路，其特征在于：所述雷电防护电路由瞬态抑制管组成。
4.根据权利要求1所述的发动机机载振动信号采集电路，其特征在于：在单端电荷放大电路的输出端还增加了高通滤波电路，用于滤除单端电荷放大电路在高温条件下输出信号中包含的直流偏置信号。
5.根据权利要求1所述的发动机机载振动信号采集电路，其特征在于：电容C4满足消除输入信号中0.1Hz以内的极低频干扰信号。
6.根据权利要求1所述的发动机机载振动信号采集电路，其特征在于：电容C3满足单端电荷放大电路的采集范围不小于10000pC。
7.权利要求1所述发动机机载振动信号采集电路的调试方法，其特征在于：当输出信号出现饱和现象时，将电容C4的容值调低；当输出信号出现精度超差时，将电容C4的容值调高。
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