CN106197559A - 一种通用的飞机发动机参数采集方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用的飞机发动机参数采集方法及装置，包括传感器数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块、电源模块和壳体，传感器数据采集模块依次与数据处理模块、数据传输模块相连，各模块分别与电源模块相连，各模块放置在壳体内。传感器数据采集模块把各种热敏电阻信号、频率信号、压力信号和热电偶信号转换成模数转换可以识别的电压信号，数据处理模块根据不同传感器与测量参数之间的关系曲线，将原始信号处理还原发动机各个参数的实际物理量；数据处理模块对各个不同传感器设置告警范围，数据传输模块将数据传输至显示、信息化系统，各航电设备进行实时数据交互。该装置保证实时准确地采集发动机参数，对超范围信号进行告警提示，通用性强。

Description

一种通用的飞机发动机参数采集方法及装置

技术领域

本发明涉及航空电子技术领域，具体是一种能够准确实时的反映发动机的运行情况，为飞行员的飞行或测试人员测试提供一定的参考依据通用的飞机发动机参数采集方法及采集装置。

背景技术

航空发动机是飞机的动力源，作为飞机上核心的部件之一，在飞行中需要及时准确的了解和控制发动机的工作状态。随着飞机发动机越来越复杂，所需要监控的参数也越来越多。目前普遍使用的分离式仪表精度低、可靠性差、体积大、数量多、布局凌乱，已不能满足现代飞机发动机性能监控的要求。这就需要一种先进的发动机参数采集装置，能实时采集飞机发动机的工作状态，并及时的将数据传送给其他机载设备使用，这也便于航空电子系统综合信息化管理。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种通用的飞机发动机参数采集方法及装置，依据本发明方法能够实时采集发动机多种信息，支持热敏电阻信号、热电偶信号、频率信号和压力信号的采集和处理，并能够根据不同传感器的不同特性对超过信号范围的信号进行告警提示，具有很强的通用性。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明给出了一种通用的飞机发动机参数采集方法，包括下述步骤：

1)传感器数据采集模块分别通过压力传感器采集滑油压力和燃油余量，通过热敏电阻传感器采集汽缸头温度、旋翼机转轴温度和发动机滑油温度，通过热电偶传感器采集排气温度，通过转速传感器采集发动机转速和旋翼转速；

2)前端信号调理单元将各个传感器采集的信号进行信号的采样、放大、滤波、衰减、调制和幅频变换后，经数模转换单元进行数模转换；

3)数据处理单元将各个传感器采集的信号绘制为不同的特性曲线，并针对不同传感器的特性，转换为所需的实际温度、压力和转速信息；

4)数据处理模块对各个不同传感器设置不同的告警范围，将处理以后的数据进行判断，如果数据超出规定的范围，则将相应的告警标识位设置为告警状态；

5)然后数据传输模块将实际温度、压力和转速信息传输至相应的显示装置和备份系统，以便各航电设备进行实时数据交互。

进一步，通过转速传感器采集发动机转速和旋翼转速，利用计数器法进行频率信号测量，每隔1000ms读一次计数器值，得到原始频率数据，再根据发动机转速和旋翼转速的不同特性，处理得到实际的频率信号；

发动机转速采集信号-转速关系：

S＝nF

其中，F为测得的发动机转速脉冲频率，Hz；S为实测的发动机转速，rpm；n为发动机转速时间常数；

旋翼转速采集信号-转速关系：

S'＝n'F'/K

其中，F'为测得的旋翼转速脉冲频率，Hz；S'为实测的旋翼转速，rpm；n'为旋翼转速时间常数；K为旋翼特性常数。

进一步，通过热敏电阻传感器采集汽缸头温度时传感器的电阻值，根据温度-电阻的关系计算得到温度值，温度-电阻的关系用公式表示：

T＝ab^RR^-m

其中，R为测得的汽缸头温度时传感器的电阻值，Ω；T为实测汽缸头温度值，℃；a、b、m分别为汽缸头温度传感器常数。

进一步，通过热敏电阻传感器采集旋翼机转轴和发动机滑油温度时传感器的电阻值，根据温度-电阻的关系计算得到温度值，温度-电阻的关系用公式表示：

T'＝a'b'^R'R'^-m'

其中，R'为测得的旋翼机转轴或发动机滑油温度时传感器的电阻值，Ω；T'为实测旋翼机转轴或发动机滑油温度值，℃；a'、b'、m'分别为旋翼机转轴温度传感器常数。

进一步，通过压力传感器采集发动机的滑油压力时的压力传感器电阻值，根据电阻和压力的关系得到滑油压力，通过下式表示：

P＝cR”-d

其中R”为测得的滑油压力时的压力传感器的电阻值，Ω；P为实测滑油压力值，psi；c、d分别为滑油压力传感器常数。

进一步，通过压力传感器采集燃油余量时的压力传感器电阻值，根据电压和燃油余量的关系得到燃油余量，通过下式表示：

L＝eV/f

其中V为测得的电压值，V；L为实测燃油余量，L；e，f分别为燃油余量压力传感器常数。

由于热电偶温度信号是来自于热电偶的差分模拟量信号，被测量实际温度为热电偶测得温度与热电偶冷端环境温度差，所以排气温度值为直接测得的K型热电偶温度值。

本发明的一种通用的飞机发动机参数采集装置，包括传感器数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块、电源模块和壳体；

传感器数据采集模块，包括前端信号调理单元和模数转换单元，用于采集传感器信号；前端信号调理单元把各种热敏电阻信号、频率信号、压力信号和热电偶信号转换成电压信号，经过模数转换后转换成数字信号；

数据处理模块，对采集的信号进行处理，根据不同传感器与测量参数之间的关系曲线，将原始信号通过相应数据处理，还原发动机各个参数的实际物理量；

数据传输模块，将数据传输至相应的显示装置、信息化系统和备份设备，以便各航电设备间进行实时的数据交互；

电源模块，将飞机的供电电源进行隔离、转换、稳压、滤波后为各功能模块提供稳定的电源；

传感器数据采集模块依次与数据处理模块、数据传输模块相连，各模块分别与电源模块相连，各模块放置在壳体内。

进一步，所述传感器数据采集模块包括采集发动机的滑油压力和燃油余量的压力传感器；采集汽缸头温度、旋翼机转轴温度和发动机滑油温度的热敏电阻传感器；采集排气温度的热电偶传感器；以及采集发动机转速和旋翼转速的转速传感器。

进一步，所述数据处理模块为基于ARM架构的Cortex-M3处理器，可用内存为64KB随机存取存储器SRAM，程序存储器ROM为256KB的FLASH。

与现有技术相比，本发明具有下述优点：

1.可以将数据以5Hz的频率刷新，保证实时准确地采集发动机参数。

2.具备测量多种类型的传感器。支持压力信号、热敏电阻信号、热电偶信号和频率信号的采集和处理。具有很强的通用性。

3.能够根据不同传感器的不同特性对超过信号范围的信号进行告警提示。

4.通过RS-422传输数据，能够与各种航电设备交联。

5.具有一定的配置功能。

附图说明

图1是系统组成示意图；

图2是对外接口示意图；

图3是数据采集模块示意图；

图4是配置功能流程图；

图5(a)-(d)是发动机转速特性；

图6是NTC温度曲线；

图7是RTD压力曲线；

图8是告警功能流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，本发明的通用的飞机发动机参数采集装置，包括传感器数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块、电源模块和壳体。

传感器数据采集模块主要用来采集传感器信号，由前端信号调理单元和模数转换单元组成。前端信号调理单元把各种热敏电阻信号、频率信号、压力信号和热电偶信号转换成模数转换可以识别的电压信号，经过模数转换后转换成数字信号。数据采集模块如图2所示。

数据处理模块是对采集的信号进行处理，根据不同传感器与测量参数之间的关系曲线，将原始信号通过相应数据处理，还原发动机各个参数的实际物理量。

数据传输模块是将数据传输至相应的显示装置、信息化系统和备份设备。以便各航电设备间进行实时的数据交互。

电源模块将飞机的供电电源进行隔离、转换、稳压、滤波后为各功能模块提供稳定的电源，保证系统能够正常运行。

壳体轻便耐用，可靠性高。使用密封圈进行了防水处理，达到了IP67的防护等级。

传感器数据采集模块依次与数据处理模块、数据传输模块相连，各模块分别与电源模块相连，各模块放置在壳体内。

本发明作为一种通用的发动机参数采集装置，本装置可以支持的多种传感器信号类型，这些传感器类型有：热敏电阻传感器、热电偶传感器、压力传感器和转速传感器。通过采集各种传感器参数，对不同特性的传感器可以进行配置，可对发动机的滑油压力、发动机滑油温度、汽缸头温度、燃油余量、发动机转速、旋翼转速、排气温度、旋翼机转轴温度等系统的信号进行采集。根据各个传感器的特性，选择不同的配置参数进行计算，转换为所需的实际温度、压力和转速等信息。然后将采集到的数据再进行滤波处理。并提供各个参数的告警功能。最终，通过标准RS-422串行接口以5Hz的速率与外部设备实现通信，能够实时的与综合显控装置、信息化系统和备份设备等系统进行数据共享。

发动机采集装置需要采集发动机转速、旋翼转速、滑油温度、汽缸头温度、旋翼头温度、滑油压力、燃油余量和排气温度等参数信息。其接口关系如图3所示。

本发明运行的硬件平台数据处理模块为基于ARM架构的Cortex-M3处理器，可用内存为64KB的SRAM，程序存储器为256KB的FLASH。

采用16路12位模数转换通道，采集的最小电压为0.2mV，完全满足传感器数据的精度。

壳体采用2A12-T4型号铝合金制成。

作为本发明的进一步改进，在软件中加入告警判断的功能，根据不同传感器能够设置不同的告警范围，将处理以后的数据进行范围地判断，给出告警提示。

为了适应不同的传感器，本发明装置还提供可配置传感器的功能。能够根据不同传感器的特性，灵活配置传感器的电阻、温度和压力等采集范围和采集方式。其中温度信号可以支持采集热敏电阻信号和热敏电阻信号。并且支持不同的电阻-温度关系曲线。还可以根据不同的热敏电阻信号范围，对采集的热敏电阻信号的量程进行切换。能够根据不同发动机和旋翼转速的转速比，适应合适的转速计算方法。具体的配置流程如图4所示。

通用的飞机发动机参数采集方法，包括下述步骤：

1)传感器数据采集模块分别通过压力传感器采集滑油压力和燃油余量，通过热敏电阻传感器采集汽缸头温度、旋翼机转轴温度和发动机滑油温度，通过热电偶传感器采集排气温度，通过转速传感器采集发动机转速和旋翼转速；

2)前端信号调理单元将各个传感器采集的信号进行信号的采样、放大、滤波、衰减、调制和幅频变换后，经数模转换单元进行数模转换；

3)数据处理单元将将各个传感器采集的信号绘制为不同的特性曲线，见图5(a)-(d)、图6、图7所示，并针对不同传感器的特性，转换为所需的实际温度、压力、转速信息；

4)数据处理模块对各个不同传感器设置不同的告警范围，将处理以后的数据进行判断，如果数据超出规定的范围，则将相应的告警标识位设置为告警状态；

5)然后数据传输模块将实际温度、压力和转速信息传输至相应的显示装置、信息化系统和备份设备，以便各航电设备间进行实时的数据交互。

本发明软件采集并处理发动机转速、旋翼转速、滑油温度、两路汽缸头温度、旋翼头温度、滑油压力、燃油余量和两路排气温度的数据。

发动机转速和旋翼转速采用转速传感器，转速传感器的特性如图5(a)-(d)。

通过转速传感器采集发动机转速和旋翼转速，利用计数器法进行频率信号测量，每隔1000ms读一次计数器值，得到原始频率数据，再根据发动机转速和旋翼转速的不同特性，处理得到实际的频率信号；发动机转速采集信号-转速关系：

S＝60*F

其中，F为测得的发动机转速脉冲频率，Hz；S为实测的发动机转速，rpm。

旋翼转速采集信号-转速关系：

S’＝60*F’/10

其中，F’为测得的旋翼转速脉冲频率，Hz；S’为实测的旋翼转速，rpm。

通过热敏电阻传感器采集汽缸头温度时传感器的电阻值，根据温度-电阻的关系图6得到汽缸头温度值，温度-电阻的关系用公式表示：

T＝287.93556*0.999011^R*R^-0.2668335

其中，R为测得的汽缸头温度时传感器的电阻值，Ω；T为实测汽缸头温度值。

通过热敏电阻传感器采集旋翼机转轴和发动机滑油温度时传感器的电阻值，根据温度-电阻的关系图6得到旋翼头温度值和滑油温度，温度-电阻的关系用公式表示：

T’＝377.50126*0.99928994^R’*R’^-0.31087291

其中，R’为测得的旋翼机转轴或发动机滑油温度时传感器的电阻值，Ω；T’为实测旋翼机转轴或发动机滑油温度值，℃。

通过压力传感器采集发动机的滑油压力时的压力传感器电阻值，根据电阻和压力的关系得到滑油压力，滑油压力的传感器特性如图7所示。其中电阻和压力的关系符合RTD曲线，公式为：

P＝0.06666667*R”–2.26666667

其中R”为测得的滑油压力时的压力传感器的电阻值，Ω；P为实测滑油压力值，psi。

燃油余量的压力传感器特性中，通过压力传感器采集燃油余量时的压力传感器电阻值，根据电压和燃油余量的关系通过下式表示：

L＝80*V/16

其中V为测得的燃油余量时的压力传感器的电压值，V；L为实测燃油余量，L。

排气温度值为直接测得的K型热电偶温度值。

本发明通过将采集到的原始数据通过以上处理，计算出实际的所表示的物理量，然后由滤波算法将数据做平滑处理，减少数据抖动。再根据每个传感器和信号的特性，判断数据是否在合理范围内。如果数据超出规定的范围，则将相应的告警标识位设置为告警状态。如果数据在规定的范围，则设置告警状态为正常，最后将数据组成一定的帧格式，通过串口将数据发送出去。重复上述传感器信号采集过程，告警功能流程图如图8所示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种通用的飞机发动机参数采集方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)传感器数据采集模块分别通过压力传感器采集滑油压力和燃油余量，通过热敏电阻传感器采集汽缸头温度、旋翼机转轴温度和发动机滑油温度，通过热电偶传感器采集排气温度，通过转速传感器采集发动机转速和旋翼转速；

2)前端信号调理单元将各个传感器采集的信号进行信号的采样、放大、滤波、衰减、调制和幅频变换后，经数模转换单元进行数模转换；

3)数据处理单元将各个传感器采集的信号绘制为不同的特性曲线，并针对不同传感器的特性，转换为所需的实际温度、压力和转速信息；

4)数据处理模块对各个不同传感器设置不同的告警范围，将处理以后的数据进行判断，如果数据超出规定的范围，则将相应的告警标识位设置为告警状态；

5)然后数据传输模块将实际温度、压力和转速信息传输至相应的显示装置和备份系统，以便各航电设备进行实时数据交互。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过转速传感器采集发动机转速和旋翼转速，利用计数器法进行频率信号测量，每隔1000ms读一次计数器值，得到原始频率数据，再根据发动机转速和旋翼转速的不同特性，处理得到实际的频率信号；

发动机转速采集信号-转速关系：

S＝nF

其中，F为测得的发动机转速脉冲频率，Hz；S为实测的发动机转速，rpm；n为发动机转速时间常数；

旋翼转速采集信号-转速关系：

$S^{\′}=n^{\′}{F}^{\′}/K$

其中，F'为测得的旋翼转速脉冲频率，Hz；S'为实测的旋翼转速，rpm；n'为旋翼转速时间常数；K为旋翼特性常数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过热敏电阻传感器采集汽缸头温度时传感器的电阻值，根据温度-电阻的关系计算得到温度值，温度-电阻的关系用公式表示：

T＝ab^RR^-m

其中，R为测得的汽缸头温度时传感器的电阻值，Ω；T为实测汽缸头温度值，℃；a、b、m分别为汽缸头温度传感器常数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过热敏电阻传感器采集旋翼机转轴和发动机滑油温度时传感器的电阻值，根据温度-电阻的关系计算得到温度值，温度-电阻的关系用公式表示：

T'＝a'b'^R'R'^-m'

其中，R'为测得的旋翼机转轴或发动机滑油温度时传感器的电阻值，Ω；T'为实测旋翼机转轴或发动机滑油温度值，℃；a'、b'、m'分别为旋翼机转轴温度传感器常数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过压力传感器采集发动机的滑油压力时的压力传感器电阻值，根据电阻和压力的关系得到滑油压力，通过下式表示：

P＝cR”-d

其中R”为测得的滑油压力时的压力传感器的电阻值，Ω；P为实测滑油压力值，psi；c、d分别为滑油压力传感器常数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过压力传感器采集燃油余量时的压力传感器电阻值，根据电压和燃油余量的关系得到燃油余量，通过下式表示：

$L=eV/f$

其中V为测得的燃油余量时的压力传感器的电压值，V；L为实测燃油余量，L；e，f分别为燃油余量压力传感器常数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由于热电偶温度信号是来自于热电偶的差分模拟量信号，被测量实际温度为热电偶测得温度与热电偶冷端环境温度差，所以排气温度值为直接测得的K型热电偶温度值。

8.一种通用的飞机发动机参数采集装置，其特征在于，包括传感器数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块、电源模块和壳体；

传感器数据采集模块，包括前端信号调理单元和模数转换单元，用于采集传感器信号；前端信号调理单元把各种热敏电阻信号、频率信号、压力信号和热电偶信号转换成电压信号，经过模数转换后转换成数字信号；

数据处理模块，对采集的信号进行处理，根据不同传感器与测量参数之间的关系曲线，将原始信号通过相应数据处理，还原发动机各个参数的实际物理量；

数据传输模块，将数据传输至相应的显示装置、信息化系统和备份设备，以便各航电设备间进行实时的数据交互；

电源模块，将飞机的供电电源进行隔离、转换、稳压、滤波后为各功能模块提供稳定的电源；

传感器数据采集模块依次与数据处理模块、数据传输模块相连，各模块分别与电源模块相连，各模块放置在壳体内。

9.根据权利要求8所述的通用的飞机发动机参数采集装置，其特征在于，所述传感器数据采集模块包括采集发动机的滑油压力和燃油余量的压力传感器；采集汽缸头温度、旋翼机转轴温度和发动机滑油温度的热敏电阻传感器；采集排气温度的热电偶传感器；以及采集发动机转速和旋翼转速的转速传感器。

10.根据权利要求8所述的通用的飞机发动机参数采集装置，其特征在于，所述数据处理模块为基于ARM架构的Cortex-M3处理器，可用内存为64KB随机存取存储器SRAM，程序存储器ROM为256KB的FLASH。