CN111473909B - 一种面向压气机出口压力测量的压力传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器系统，压气机出口压力经短测管型测管被压力敏感器件采集输出为电压信号，经信号处理模块处理为温度补偿后的电压信号输出。本发明基于短测管型测管、压力敏感器件、信号处理模块、压力壳体、固定座和输出信号线连接器共同构成压气机出口动态压力传感器系统。该系统能够可靠、精确的获得高温下动态总压，对发动机故障诊断有着重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向压气机出口压力测量的压力传感器系统，其属于航空发动机控制领域。
背景技术
压气机出口气流的总压信号具有三个特点——高温、动态响应快和气流需要快速滞止。通常发动机进口气流温度范围为-50℃～+65℃，经过压气机压缩后，其出口空气温度将高达几百摄氏度。例如，某涡扇发动机高压压气机出口气流温度可达600℃。目前大多数压力敏感元件都无法在此高温下工作。气体压力的变化与传播速度快，与发动机中温度、转速等信号相比，压力属于快变信号。当旋转失速发生时，压气机总压出现十几赫兹、几十赫兹，甚至更高频率的脉动；而喘振时，压气机中总压出现强烈的低频轴向振荡。此外，压气机出口气流轴向速度高，例如某压气机出口气流轴向速度可达180m/s，需要将高速气流滞止后才能获得总压信号。
目前国内发动机试车台上采用阵列型微型探头、转接用的引气管、压力扫描阀及上位机系统构成发动机气动性能试验和验证的解决方案。存在如下问题：
(1)发动机工况、引气管的长度、结构参数及温度的变化，影响了总压恢复系数，使得测量的压力不能准确、及时反映希望的结果；
(2)压力扫描阀均为进口，也没有和探头、引气管进行系统级的优化设计，更无法在后续算法中进行补偿。
而机载情况下压气机出口压力检测中，当前存在的问题是：
(1)喘振监测和控制中，基于总压和静压判喘的解决方案主要是采用膜片膜盒压力传感器，存在精度低、温漂大、传感器可靠性差的问题，容易引起虚警或漏判的问题，
(2)由于测量系统延迟大，动态特性差，无法实施失速预告；
(3)单纯使用静压的判喘方案，由于缺乏和工况、引气管路、测量算法综合优化设计的研究，存在虚警率极高，尚不能在机载上应用的问题
综上可知，不论是试车台还是机载情况下，恶劣环境下动态总压信号的高精度、可靠传感与检测是目前压气机出口总压信号测量中急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，基于发动机高压压气机压力测量的精度、耐高温、可靠性、介质兼容性的迫切需求，提供一种面向压气机出口压力测量的压力传感器系统，用于航空发动机压气机出口压力测量研究应用。
本发明采用如下技术方案：
一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器系统，该动态压力传感器包括短测管、压力敏感器件、信号处理模块和压力壳体，所述短测管是由进气端的引气管和尾部测量端的储气腔连通构成的前后中心贯通的L型管件，储气腔的直径大于引气管的直径；圆环形的压力敏感器件是一压力传感器，匹配插入短测管的储气腔中将其堵塞并密封；压力敏感器件、信号处理模块通过引线连接，压力敏感器件、信号处理模块均通过绝缘胶固定于中空圆柱形的压力壳体的内壁上；
压气机的引气通过短测管引至压力敏感器件，压力信号经压力敏感器件转换为毫伏级的电压信号输出，该电压信号被信号处理模块采集处理后变为发动机数字控制系统需要的电压信号，输出至发动机数字控制系统中。信号处理模块通过引线的方式与前级压力敏感器件和后级航空插头连接。
进一步的，所述短测管的储气腔内径大小为19mm，引气管内径为5mm；管外径分为等外径和不等外径两种类型：对于不等外径的短测管，壁厚2mm；对于等外径的短测管，其外径为23mm。
进一步的，短测管测量端的储气腔是鸡尾酒杯型或者马克杯型：鸡尾酒杯型储气腔内径为19mm，外径23mm，高15mm，储气腔与引气管道连接处进行45°倒角；马克杯型储气腔内径为19mm，外径23mm，高7mm，储气腔与引气管道连接处不进行倒角。
进一步的，短测管的引气管外壁上设有四个厚2mm，环宽6mm，间距6mm的环形肋片，环形肋片材料为导热系数180W/(m*K)的铝合金。
进一步的，压力敏感器件为充油隔离型构型压力敏感器件，包括隔离膜片、抗压缩硅油、键合的金丝、硅压阻芯片、绝缘密封材料、支撑芯片的基座、器件壳体和电气引线，其中，在绝缘密封材料内部固定有基座和硅压阻芯片，隔离膜片固定设置在器件壳体顶部外侧，上部位置的隔离膜片、下部位置的硅压阻芯片与周围的器件壳体的金属外壳共同形成一密闭空腔，内部充填抗压缩硅油；硅压阻芯片由基座固定支撑，外周裹覆一圈绝缘密封材料，绝缘密封材料的内部包裹着与硅压阻芯片相连的键合的金丝，
电气引线与键合的金丝连接，将硅压阻芯片内部的惠斯通电桥信号引出值信号处理模块；
工作时，上部的隔离膜片承受的压力经抗压缩硅油传递，均匀地作用在硅压阻芯片上，硅压阻芯片内部应变区的电阻条感受应力，其压阻系数发生变化，从而改变了电阻；四个电阻条组成惠斯通电桥后，在激励电压的作用下，输出与压力成比例的电压信号。
进一步的，所述信号处理模块由滤波放大电路、模数转换电路、中央处理电路、数模转换电路和电源电路构成，压力敏感器件的芯片输出的毫伏级电压信号经滤波放大、模数转换后被中央处理器采集，进行温度补偿后数模转换输出为FADEC所需的电压信号；电源电路为信号处理模块的其他各个部分提供所需电压。信号处理模块通过引线的方式与前级压力敏感器件和后级航空插头连接。
进一步的，中央处理电路的芯片采用包括Max1452、Max1457在内的ASIC芯片。现有的ASIC芯片有Max1452、Max1457等芯片。ASIC设计中通过膜片结构、应力温度耦合等分析，设计测量电桥补偿路调零以获得良好的输入输出特性和灵敏度。针对输出非线性通常基于实验数据，采用非线性拟合等算法对压力信号进行温度补偿。
进一步的，在压力壳体上还设有固定座和输出信号线连接器，用作固定整个动态压力传感器；其中，固定座固定在压力壳体的外壁上，固定座上设螺孔，通过螺栓固定连接在机匣上，使整个压力传感器固定在机匣上；输出信号线连接器的一端匹配插入压力壳体尾端实现固连，并将信号处理模块的引线引出，可通过航空插头与后级的发动机数字控制系统连接。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明针对航空发动机压气机出口动态压力测量，基于短测管(含总压孔、静压孔和环形肋片)、压力敏感器件、信号处理模块、压力壳体、输出信号线连接器系统综合优化设计，方便在后续算法中对压力信号进行温度补偿；
(2)本发明采用ASIC模块、耐高温处理器芯片，不仅提供了双通道冗余容错机制，满足了系统可靠性的需求，还有一定的耐高温特性。
附图说明
图1是压气机出口压力测量的压力传感器结构方案总体构架。
图2是短测管结构立体图。
图3是四种类型短测管结构图。
图4是充油隔离型压力敏感器件图。
图5是信号处理模块电源电路图。
图6是信号处理模块其他电路图。
具体实施方式
本下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
图1是压气机出口压力测量的压力传感器(简称为：动态压力传感器)结构方案总体构架。图1中分别为短测管1、压力敏感器件2、信号处理模块3、压力壳体4、固定座5、输出信号线连接器6。本发明的动态压力传感器从承压端依次为短测管1(含总压孔21、静压孔22和环形肋片)、压力敏感器件2、信号处理模块3、压力壳体4、输出信号线连接器6。其中，压力敏感器件2、信号处理模块3都位于压力壳体4内，在壳体内注有保护绝缘胶。压力敏感器件2将短测管1的根部堵塞并密封。
图2是短测管1结构立体图。短测管1是航空发动机上一种可靠、精确的总压测量工具，其测量原理是将来流滞止后利用压力传感器测量其总压。利用短测管1测量压气机出口总压时，需要将短测管正对温度超过约873K的高压高速气流。短测管上有总压孔21、静压孔22，可测量压气机出口的总压Pt3和静压Ps3，结合两者之差可判定发动机是否进入喘振状态。短测管的结构尺寸通常非常小，其内部容器为一微小容器。压力测量中需要考虑管内储气腔结构、尺寸和安装位置对于被测来流压力的作用。图3(a)为等外径鸡尾酒杯型变几何流道短测管，短测管外径D＝23mm，内径d＝19mm，壁厚t＝2mm，杯口深h＝15mm，微小容器即储气腔与气流管道即引气管连接处进行45°倒角。图3(b)为等外径马克杯型变几何流道短测管，短测管D＝23mm，d＝19mm，t＝2mm，h＝7mm。图3(c)为非等外径鸡尾酒杯型变几何流道短测管，短测管外径在微小容器即储气腔处D1＝23mm，至气流管道即引气管处D2＝9mm，内径d＝19mm，壁厚t＝2mm，杯口深h＝15mm，微小容器与气流管道连接处进行45°倒角。图3(d)为非等外径马克杯型变几何流道短测管，短测管外径在微小容器即储气腔处D1＝23mm，至气流管道即引气管处D2＝9mm，d＝19mm，t＝2mm，h＝7mm。
为了具有一定的散热效果，短测管外壁有四个厚2mm，环宽6mm，间距6mm的环形肋片。环形肋片材料为导热系数180W/(m*K)的铝合金。
图4是充油隔离型压力敏感器件图。充油隔离型构型压力敏感器件包括耐腐蚀的厚度小于1mm的隔离膜片31、抗压缩硅油32、键合的金丝33、硅压阻芯片34、绝缘密封材料35、支撑芯片的基座36、器件壳体37和电气引线38。其中，在绝缘密封材料35内部固定有基座36和硅压阻芯片34，隔离膜片31固定设置在壳体37顶部外侧，上部位置的隔离膜片31、下部位置的硅压阻芯片34，与周围的壳体37的金属外壳共同形成一密闭空腔，内部充填抗压缩硅油32；硅压阻芯片34由陶瓷材质的基座36固定支撑，周围是绝缘密封材料35，绝缘密封材料35的内部包裹着键合的金丝33，键合的金丝33与硅压阻芯片34相连；电气引线38与键合的金丝33连接，将硅压阻芯片34内部的惠斯通电桥信号引出至信号处理模块3。
工作时，上部位置的耐腐蚀的金属隔离膜片31感受外部介质压力，并隔离外部介质对内部的微电子零件的影响。在密闭空腔内部填充有稳定的、杨氏模量极高的苯基硅油，即抗压缩硅油32，用来传递上层的隔离膜片31承受的压力，并将此压力均匀地作用在硅压阻芯片34上，硅压阻芯片34(也可称作MEMS硅压阻芯片)感受抗压缩硅油32传递过来的压力：硅压阻芯片34上的硅薄膜相应的区域产生应变，硅压阻芯片34内部应变区的电阻条感受应力，其压阻系数发生变化，从而改变了电阻。四个电阻条组成惠斯通电桥后，在激励电压的作用下，便可以输出与压力成比例的电压信号。
图5是信号处理模块电源电路图。电源10V转5V电路选用芯片LTC3624，引脚SW是开关节点，连接到降压调节器的3.3uH电感，引脚Vin连接降压调节器的输入电压，引脚RUN逻辑控制运行输入，逻辑高激活降压调节器，接到输入电压端。将FB引脚直接连接到vout引脚。引脚INTVCC与2.2uF的旁路电容连接至地面。引脚MODE/SYNC是突发模式选择和外部时钟同步的降压调节器，将MODE/SYNC到GND进行脉冲跳过操作，GND接地。引脚NC不用进行任何电气连接。
图6是信号处理模块其他电路图。信号处理模块其他电路由滤波放大、模数转换、中央处理、数模转换构成。其中滤波放大电路由运算放大器芯片OP295搭建的有源低通滤波器构成，对电压信号滤波的同时进行放大。模数转换电路采用模数转换芯片LTC1865。引脚CONV控制转换输入连接到中央处理器的GPIO引脚，CH0和CH1是模拟输入引脚，与经过滤波放大的温度、压力信号连接，引脚AGND连接到模拟地，DGND连接到数字地。SDI是数据输入引脚，连接到中央处理器的GPIO引脚。SDO是数据输出引脚，连接到中央处理器的GPIO引脚。VCC连接5V电源，且通过一个1uF的电容旁路到模拟地平面。VREF为基准输入电压引脚，与VCC引脚相连。中央处理电路由ASIC芯片构成，对压力信号进行温度补偿。现有的ASIC芯片有Max1452、Max1457等芯片。ASIC设计中通过膜片结构、应力温度耦合等分析，设计测量电桥补偿路调零以获得良好的输入输出特性和灵敏度。针对输出非线性通常基于实验数据，采用非线性拟合等算法对压力信号进行温度补偿。补偿后的信号通过SPI发送至DAC芯片。数模转换电路采用数模转换芯片AD5641，引脚/SYNC电平触发控制输入(活动低)，连接到中央处理器的GPIO引脚。引脚SCLK串行时钟输入，连接到中央处理器的GPIO引脚。引脚SDIN串行数据输入，连接到中央处理器的GPIO引脚。引脚VDD电源输入，与5V电压端连接。引脚GND接地。引脚VOUT来自DAC的模拟输出电压，后接的运算放大器构成滤波电路，去除掉高频信号，提高有用信号的信噪比，减小无用功耗。
本发明针对发动机中压气机出口压力测量需求，提出一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器结构方案。结合航空发动机压气机出口压力测量需求，面向压气机出口动态压力测量的压力传感器结构方案包括短测管(含总压孔21、静压孔22和环形肋片)、压力敏感器件、信号处理模块、压力壳体、信号输出线连接器等部件的设计。
通过对短测管的设计，将压气机出口压力引至压力敏感器件；通过对压力敏感器件的设计，将压力信号进行转换，转变为相应真实物理量的量级；通过对中央处理器的设计，对压力信号进行温度补偿。优点：采用本发明设计方案所设计的压力传感器精度较高、耐热性较高，同时硬件采用双余度方案满足可靠性足以满足航空发动机压气机出口动态压力测量需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器系统，其特征在于：包括短测管(1)、压力敏感器件(2)、信号处理模块(3)和压力壳体(4)，所述短测管(1)是由进气端的引气管和尾部测量端的储气腔连通构成的前后中心贯通的L型管件，储气腔的直径大于引气管的直径；圆环形的压力敏感器件(2)是一压力传感器，匹配插入短测管(1)的储气腔中将其堵塞并密封；压力敏感器件(2)、信号处理模块(3)通过引线连接，压力敏感器件(2)、信号处理模块(3)均通过绝缘胶固定于中空圆柱形的压力壳体(4)的内壁上；
压气机的引气通过短测管(1)引至压力敏感器件(2)，压力信号经压力敏感器件(2)转换为毫伏级的电压信号输出，该电压信号被信号处理模块(3)采集处理后变为发动机数字控制系统需要的电压信号，输出至发动机数字控制系统中；
所述短测管(1)上有总压孔(21)、静压孔(22)，可测量压气机出口的总压Pt3和静压Ps3，结合两者之差可判定发动机是否进入喘振状态。
2.根据权利要求1所述的一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器系统，其特征在于：所述短测管(1)的储气腔内径大小为19mm，引气管内径为5mm；管外径分为等外径和不等外径两种类型：对于不等外径的短测管，壁厚2mm；对于等外径的短测管，其外径为23mm。
3.根据权利要求1所述的一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器系统，其特征在于：短测管(1)测量端的储气腔是鸡尾酒杯型或者马克杯型：鸡尾酒杯型储气腔内径为19mm，外径23mm，高15mm，储气腔与引气管道连接处进行45°倒角；马克杯型储气腔内径为19mm，外径23mm，高7mm，储气腔与引气管道连接处不进行倒角。
4.根据权利要求1所述的一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器系统，其特征在于：短测管(1)的引气管外壁上设有四个厚2mm，环宽6mm，间距6mm的环形肋片，环形肋片材料为导热系数180W/(m*K)的铝合金。
5.根据权利要求1所述的一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器系统，其特征在于：压力敏感器件(2)为充油隔离型构型压力敏感器件，包括隔离膜片(31)、抗压缩硅油(32)、键合的金丝(33)、硅压阻芯片(34)、绝缘密封材料(35)、支撑芯片的基座(36)、器件壳体(37)和电气引线(38)，其中，在绝缘密封材料(35)内部固定有基座(36)和硅压阻芯片(34)，隔离膜片(31)固定设置在器件壳体(37)顶部外侧，上部位置的隔离膜片(31)、下部位置的硅压阻芯片(34)与周围的器件壳体(37)的金属外壳共同形成一密闭空腔，内部充填抗压缩硅油(32)；硅压阻芯片(34)由基座(36)固定支撑，外周裹覆一圈绝缘密封材料(35)，绝缘密封材料(35)的内部包裹着与硅压阻芯片(34)相连的键合的金丝(33)，电气引线(38)与键合的金丝(33)连接，将硅压阻芯片(34)内部的惠斯通电桥信号引出至信号处理模块(3)；
工作时，上部的隔离膜片(31)承受的压力经抗压缩硅油(32)传递，均匀地作用在硅压阻芯片(34)上，硅压阻芯片(34)内部应变区的电阻条感受应力，其压阻系数发生变化，从而改变了电阻；四个电阻条组成惠斯通电桥后，在激励电压的作用下，输出与压力成比例的电压信号。
6.根据权利要求5所述的一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器系统，其特征在于：所述隔离膜片(31)的厚度小于1mm。
7.根据权利要求1所述的一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器系统，其特征在于：所述信号处理模块(3)由滤波放大电路、模数转换电路、中央处理电路、数模转换电路和电源电路构成，压力敏感器件(2)的芯片输出的毫伏级电压信号经滤波放大、模数转换后被中央处理器采集，进行温度补偿后数模转换输出为FADEC所需的电压信号；电源电路为信号处理模块(3)的其他各个部分提供所需电压。
8.根据权利要求6所述的一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器系统，其特征在于：中央处理电路的芯片采用包括Max1452、Max1457在内的ASIC芯片。
9.根据权利要求1所述的一种面向压气机出口动态压力测量的压力传感器系统，其特征在于：在压力壳体(4)上还设有固定座(5)和输出信号线连接器(6)，其中，固定座(5)焊接固定在压力壳体(4)的外壁上，固定座(5)上开设螺孔，通过螺栓连接固定在机匣上；输出信号线连接器(6)的一端匹配插入压力壳体(4)尾端实现固连，并将信号处理模块(3)的引线引出，通过航空插头与后级的发动机数字控制系统连接。
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