CN107449932B - 一种航空发动机转子转速的测量方法 - Google Patents
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Abstract
航空发动机转速传感器测速电机输出交流电压信号，其频率与发动机转速成正比，通过测量交流信号的频率或周期可以得到转子转速。由于航空发动机测速电机输出的交流电压信号随着转速的上升，电压变化范围从0.1V～50V，频率变化范围最大到83.3Hz(对应航空发动机转子最大转速100％)，本发明提出了基于高速数据采集卡测量转速信号频率的方法，该方法直接对航空发动机转子转速的时域信号进行采集，通过设定触发阈值，计算转速时域信号的上升沿之间的时间差从而得到转子的转速周期。同时由于测速电机输出的转速信号并不是标准的正弦信号，存在一定的杂波信号，为了排除发动机测速电机输出的信号存在的杂波，本发明也给出了对信号进行数字滤波处理的方法。
Description
技术领域
本发明是一种航空发动机转子转速的测量方法，属于测量技术领域。
背景技术
航空发动机转速传感器(测速电机)输出交流电压信号，其频率与发动机转速成正比，通过测量交流信号的频率可以得到转子转速。常规的转速测量有两种基本方法，直接测频法和测周期法，为保证一定的测量速度和测量精度，直接测频法适合测量高频信号，而测周期法适合测量低频信号。
1.直接测频法：由时基信号形成闸门，对被测信号进行计数。当闸门宽度为1s时可直接从计数器读出被测信号频率。计数值存在正负一个脉冲的误差是可能的，故此法的绝对误差就是1Hz(对1s宽的闸门而言)。其相对误差则随着被测频率的升高而降低，故此法适于测高频而不适于测低频。
2.测周期法：由被测信号形成闸门，对时基脉冲进行计数。当闸门宽度刚好是一个被测脉冲周期时可直接从计数器读出被测信号的周期值(以时基脉冲个数来表示)。该法的绝对误差是一个时基周期。其相对误差随着被测信号周期的增大而降低，故此法适于测低频(周期长)而不适于测高频(周期短)。
目前无论哪种测量转速的方法，由于航空发动机测速电机输出的交流电压信号随着转速的上升，电压变化范围从0.1V～50V，频率变化范围最大到83.3Hz(对应航空发动机转子最大转速100％)，均需要采用信号调理电路将由航空发动机转速传感器(测速电机)输出的交流电压信号调理成标准的TTL电平信号，在发动机处于低转速(<5％)的时候，由于信号调理电路的影响均会出现较大的误差。为了解决此问题，本发明提出了一种直接对航空发动机转子转速的时域信号进行采集、分析的方法，从而准确、无延时的得到航空发动机的转子转速，该方法为全新的发动机转子转速测量分析方法，即使发动机转子转速在小于2％的状态，仍能准确的测量出发动机的转子转速，测量原理简单、可靠。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的缺点而设计提供了一种航空发动机转子转速的测量方法，该方法不用信号调理电路，仅仅对信号作5～10倍的衰减，相当于直接测量测速电机的交流信号，即使发动机转子转速在小于2％的状态，仍能准确的测量出发动机的转子转速。
本发明方法是通过以下技术方案来实现的：
该种航空发动机转子转速的测量方法的步骤如下：
步骤一、构建航空发动机转子转速测量的硬件系统
该系统包括一个与航空发动机上的测速电机(1)连接的5-10倍的衰减器(2)，5-10倍的衰减器(2)连接一个采集卡(3)，采集卡(3)的要求是不小于1MS/s的采样率和不小于16bit的采样分辨率，采集卡(3)采集的数据传输至计算机进行处理；
步骤二、对采集卡(3)采集的数据进行处理，其处理过程为：
2.1对测速电机(1)输出的交流电压信号设定触发阈值线(4)，并使触发阈值线(4)低于交流电压信号幅值，得到交流电压信号通过阈值线的上升沿时间点(5)；
2.2计算两个相邻的上升沿时间点(5)的时间间隔，如果大于10ms，该时间即为航空发动机转子转速信号的周期，输出并显示记录该周期数值；
2.3计算两个相邻的上升沿时间点(5)的时间间隔，如果小于10ms，记录该前、后两个上升沿时间点(5)的时间数值并存入数组a，继续寻找下一个上升沿时间点(5)，直到该升沿时间点(5)与前面第一个上升沿时间点(5)的时间间隔大于10ms，将最后一个上升沿时间点(5)的时间数值存入数组b，对数组a的数据求平均得到用于计算转子转速信号周期的第一个上升沿时间计算点t1；
2.4以最后一个上升沿时间点(5)作为数组b的第一个上升沿时间点(5)，重得步骤2.3，对数组b的数据求平均得到用于计算转子转速信号周期的第二个上升沿时间计算点t2；
计算t1、t2两个上升沿时间计算点的时间间隔，即为航空发动机转子转速信号的周期，输出并显示记录该周期数值。
本发明技术方案通过采用高速采集卡及计算机完成对转子转速的时域信号测量。一般来说，所要采集的信号决定了采样率和分辨率的要求，目前的测试技术采用PCI和PXI(VXI)平台可以方便的实现高达100MS/s的采样率和高达24位的采样分辨率，本发明采用的采集卡仅需要不小于1MS/s的采样率和不小于16bit的采样分辨率，理论上即可达到不低于0.01％的频率精度和0.01％的电压测量精度。由此分析的电压分辨率可以到达0.3mv(按照衰减后的最大电压峰峰值为±10v计算)，频率分辨率可以达到0.01Hz(按照最大测量频率100Hz计算)。
对于采集到的测试数据，由于测速电机输出的交流电压信号并非纯正弦信号，需要考虑对测试数据的分析处理方法以滤除干扰及杂波。通过设定触发阈值线来分析转速信号，计算转速信号的周期得到转子的转速。本发明测量的最小频率下限设定在1Hz，最大频率上限设定在100Hz，已经完全满足实际使用的要求。由于固定的采样频率对不同频率(1Hz～100Hz)的信号，在一个转速周期内的样点数相差100倍，所以本发明提出了通过变周期采样的方式实现对信号频率的分析。对于低于1Hz(最小频率下限可设置)的信号由于电压幅值已经太低并且没有实际意义，本发明默认当前转速为0Hz，其余时候(转速信号频率在1Hz～100Hz范围)均每N周期计算出一个转速信号，N值可设定为1～100，取决于用户对于测量数据稳定性和实时性的要求程度。
基于高速数据采集卡测量转速信号频率的方法是计算转速信号的时域波形通过阈值线的上升沿，如果转速信号是标准的正弦信号，两个上升沿之间的时间差就是需要测量的转速周期，测速电机输出的转速信号并不是标准的正弦信号，存在一定的杂波信号，为了排除发动机测速电机输出的信号存在的杂波，需要对信号进行数字滤波处理。如果直接对测量到的时域信号进行滤波，数据处理量过大，并且滤波效果也不好。本发明提出了对阈值线与转速信号的上升沿数据进行滤波，参与滤波的数据大大减少，根据得到数据的情况滤除掉干扰数据，由于针对的是小于100Hz的信号，采用的采样率不小于1MHz的高速并行采集卡，每个样点之间的时间间隔不大于1μs，可以判断采集到的上升沿之间的时间间隔如果小于10ms，基本可以判断为无效数据，为了提高判断的可靠性，本发明提出的算法提出采用超幅滤波的方式滤除干扰数据，当上升沿之间的时间间隔远小于预期的转速信号周期时，将这部分连续的上升沿时间点取平均后的均值作为实际需要参与计算的上升沿触发时间。
常规的航空发动机转子转速测量由于受到信号调理电路的影响，对于低转速信号(<5％)常常测量不准，本发明基本不用信号调理电路，仅仅对信号作5～10倍的衰减，相当于直接测量测速电机的交流信号，即使发动机转子转速在小于2％的状态，仍能准确的测量出发动机的转子转速。
常规的航空发动机转子转速测量，当怀疑测量结果时，不能明确的给出原因，本发明直接测量测速电机的交流信号，可以直接判断出转速测量发生的问题。
附图说明
图1为采用本发明方法的单通道测量系统图
图2为采用本发明方法的多通道测量系统图
图3为测速电机输出的标准交流电压信号图
图4为测速电机输出的标准交流电压信号加入噪声的信号图
图5为测速电机输出的标准交流电压信号中第一个上升沿组局部放大图
图6为测速电机输出的标准交流电压信号中第二个上升沿组局部放大图
图7为16bit分辨率的采集卡对于±10v的交流信号检测到0.3mv的电压变化图
图8为标准的28Hz的正弦信号图
图9为对图8中的对正弦信号加上100mv的噪声后的信号图
图10为28Hz的正弦信号加上100mv的噪声后第一个上升沿组局部放大图
图11为28Hz的正弦信号加上100mv的噪声后第二个上升沿组局部放大图
具体实施方式
参见附图1、2所示，航空发动机转子多为双转子，再加上发动机上的交流发电机，通常需要同时测量的转子转速一般不大于3个，因此，在单通道测量系统的基础上，设计采用4通道的1MS/s的并行采集卡(PCI插槽)，配合发动机试车台已有的数据采集系统硬件平台，也可选择基于PXI/VXI/LXI平台的多通道高速并行采集卡。该航空发动机转子转速测量的硬件系统包括一个与航空发动机上的测速电机1连接的5-10倍的衰减器2，5-10倍的衰减器2连接一个采集卡3，采集卡3的要求是不小于1MS/s的采样率和不小于16bit的采样分辨率，采集卡3采集的数据传输至计算机进行处理；
为了准确的测量并分析转速信号，采集卡需选择不低于16bit的采样分辨率，由图7可以看出选择16bit分辨率的采集卡，对于±10v的交流信号，可以检测到0.3mv的电压变化。
本发明根据转子转速的不同(1～100Hz)设定不同的采样周期，满足每周期不少于10000个样点数，可以保证每个周期的时间测量精度达到0.01％。由于测速电机1输出的交流电压信号并非纯正弦信号，需要考虑对测试数据的分析处理方法以滤除干扰及杂波，通过设定触发阈值线来分析转速信号，计算转速的周期得到转子的转速，参见附图3～6所示，对采集卡3采集的数据进行处理的步骤为：
1对测速电机1输出的交流电压信号设定触发阈值线4，并使触发阈值线4低于交流电压信号幅值，得到交流电压信号通过阈值线的上升沿时间点5；
2计算两个相邻的上升沿时间点5的时间间隔，如果大于10ms，该时间即为航空发动机转子转速信号的周期，输出并显示记录该周期数值；
3计算两个相邻的上升沿时间点5的时间间隔，如果小于10ms，记录该前、后两个上升沿时间点5的时间数值并存入数组a，继续寻找下一个上升沿时间点5，直到该升沿时间点5与前面第一个上升沿时间点5的时间间隔大于10ms，将最后一个上升沿时间点5的时间数值存入数组b，对数组a的数据求平均得到用于计算转子转速信号周期的第一个上升沿时间计算点t1；
4以最后一个上升沿时间点5作为数组b的第一个上升沿时间点5，重得步骤2.3，对数组b的数据求平均得到用于计算转子转速信号周期的第二个上升沿时间计算点t2；
计算t1、t2两个上升沿时间计算点的时间间隔，即为航空发动机转子转速信号的周期，输出并显示记录该周期数值。
由于转子转速的不同，按照时域信号计算法计算转速信号的频率，每个转速周期都可以得到一个转速频率，对于低于1Hz(最小频率下限可设置)的信号由于电压幅值已经太低并且没有实际意义，本发明默认此时转速为0Hz，其余时候(转速信号频率在1Hz～100Hz范围)均每N周期计算出一个转速信号，N值可设定为1～100，取决于用户对于测量数据稳定性和实时性的要求程度。
本发明提出基于高速数据采集卡测量转速信号频率的方法是计算转速信号的时域波形通过阈值线的上升沿，如果转速信号是标准的正弦信号，两个上升沿之间的时间差就是需要测量的转速周期，测速电机输出的转速信号并不是标准的正弦信号，存在一定的杂波信号，为了排除发动机测速电机输出的信号存在的杂波，需要对信号进行数字滤波处理。如果直接对测量到的时域信号进行滤波，数据处理量过大，并且滤波效果也不好。本发明提出了对阈值线与转速信号的上升沿数据进行滤波，参与滤波的数据大大减少，根据得到数据的情况滤除掉干扰数据，由于针对的是小于100Hz的信号，采用的采样率不小于1MHz的高速并行采集卡，每个样点之间的时间间隔不大于1μs，可以判断采集到的上升沿之间的时间间隔如果小于10ms，基本可以判断为无效数据，为了提高判断的可靠性，本发明提出的算法提出采用超幅滤波加平均滤波的方式滤除干扰数据，当上升沿之间的时间间隔远小于预期的转速信号周期时，将这部分连续的上升沿时间点取平均后的均值作为实际需要参与计算的上升沿触发时间。
参见附图8、9、10、11所示，以标准的28Hz的正弦信号为例，当采用1MHz的采样率，阈值线为1.5V，计算出的频率为28.0002Hz，考虑到实测信号并非标准的正弦信号，而是存在一定的干扰杂波，对标准信号加上100mv的噪声，计算第一部分的上升沿组的平均值为0.0151315s，即数组a的数据求平均得到的用于计算转子转速信号周期的第一个上升沿时间计算点t1；计算第二部分的上升沿组的平均值为0.0508575s，即对数组b的数据求平均得到的用于计算转子转速信号周期的第二个上升沿时间计算点t2；由此得到1/0.0508575-0.0151315≈27.9908Hz，可以看出采用本发明的算法后得到的频率测量精度仍然很高。
Claims (1)
1.一种航空发动机转子转速的测量方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、构建航空发动机转子转速测量的硬件系统
该系统包括一个与航空发动机上的测速电机(1)连接的5-10倍的衰减器(2)，5-10倍的衰减器(2)连接一个采集卡(3)，采集卡(3)的要求是不小于1MS/s的采样率和不小于16bit的采样分辨率，采集卡(3)采集的数据传输至计算机进行处理；
步骤二、对采集卡(3)采集的数据进行处理，其处理过程为：
2.1对测速电机(1)输出的交流电压信号设定触发阈值线(4)，并使触发阈值线(4)低于交流电压信号幅值，得到交流电压信号通过阈值线的上升沿时间点(5)；
2.2计算两个相邻的上升沿时间点(5)的时间间隔，如果大于10ms，该时间间隔即为航空发动机转子转速信号的周期，输出并显示记录该周期数值；
2.3计算两个相邻的上升沿时间点(5)的时间间隔，如果小于10ms，记录该前、后两个上升沿时间点(5)的时间数值并存入数组a，继续寻找下一个上升沿时间点(5)，直到该上升沿时间点(5)与前面第一个上升沿时间点(5)的时间间隔大于10ms，将最后一个上升沿时间点(5)的时间数值存入数组b，对数组a的数据求平均得到用于计算转子转速信号周期的第一个上升沿时间计算点t1；
2.4以最后一个上升沿时间点(5)作为数组b的第一个上升沿时间点(5)，重复步骤2.3，对数组b的数据求平均得到用于计算转子转速信号周期的第二个上升沿时间计算点t2；
计算t1、t2两个上升沿时间计算点的时间间隔，即为航空发动机转子转速信号的周期，输出并显示记录该周期数值。
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