CN112763053A - 一种大涵道比发动机机载振动信号调理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机载振动监测技术领域，涉及一种大涵道比发动机机载振动信号调理方法。本发明使用T型网络架构的电荷放大器，实现对加速度电荷信号的放大，并转换为电压信号；使用4阶高通滤波器，实现对转换的电压信号进行滤波处理；使用抗低频饱和积分放大器，实现对低频小量值电压信号的有效放大；使用8阶低通滤波器，实现对振动信号的滤波处理，防止信号混叠；最终增加了低频(8Hz‑83Hz)振动信号放大倍数，提高了低频信号信噪比和抗干扰能力；同时引入的4阶高通滤波器抑制积分器超低频(0Hz‑8Hz)放大特性，避免超低频噪音的引入，有效提高低频(8Hz‑83Hz)小量值加速度信号精度。
Description
技术领域
本发明属于振动监测技术领域，具体的说是一种机械冲击和振动信号放大处理电路及方法，用于在各种冲击和振动环境下，电荷信号的放大和处理。
背景技术
目前，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的振动信号，在实际工程中振动信号的大小经常用加速度来度量，加速度一般通过压电加速度传感器进行测量。压电加速度传感器输出的电荷量很小，电荷放大器在测量系统中最明显的优点是电缆分布电容的变化不会影响测量结果。传统的电荷放大器一般采用单端放大，然后经过滤波处理的测量方法，这种测量方法容易受到共模信号的干扰，且由于为了满足测量频率范围和精度的要求，所选择的反馈电阻较大，使得电荷放大器的温漂和偏移电压较大，影响整个放大器的测量精度。
在机载大涵道比发动机动平衡功能中，发动机风扇转速频率从8Hz-83Hz，发动机动平衡频率较低，因此对低频(8Hz-83Hz)加速度电荷信号精度要求特别高，如何提高低频小量值加速度信号精度，成为一个动平衡功能必须要解决的关键技术。
目前大涵道比航空发动机上多采用的是电荷放大器和带通滤波器来对加速度电荷信号进行放大和调理，存在抗干扰能力、精度、线性度较差问题；已有的“一种宽频带电荷放大器及其设计方法”扩展了电荷放大器频率范围，但是对于低频小量值电荷信号没有特殊处理，导致低频小量值电荷信号精度较低；另“一种电荷放大电路”主要描述了电荷信号处理流程，先经过电荷放大，再通过高通滤波器、低通滤波器对电荷信号进行放大滤波，提高信噪比，提高了抗干扰能力，但仍然对于低频小量值电荷信号没有特殊处理，无法提高低频小量值电荷信号精度。
传统的方法没有针对大涵道比发动机动平衡加速度信号低频小量值进行特殊处理，导致大涵道比发动机加速度信号低频小量值采集精度不高。因此，需要一种能提高低频小量值的加速度信号放大。
发明内容
本发明针对大涵道比发动机动平衡加速度信号低频小量值精度低和第一、二种方法存在的问题，提出了基于积分放大器的大涵道比发动机机载振动信号调理方法及电路(硬件架构如图4)，该方法及电路能够有效提高低频小量值加速度信号精度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
该大涵道比发动机机载振动信号调理电路包括依次连接的电荷放大器、高通滤波器、积分放大器、低通滤波器和采集电路；所述电荷放大器用于将采集到的发动机振动微弱电荷信号转换为电压信号并滤除电荷信号中的超低频干扰部分，高通滤波器用于对电压信号进行滤波，积分放大器用于对电压信号进行抗低频饱和及积分放大处理，低通滤波器用于对电压信号进行平滑处理，采集电路用于对电压信号进行采集转换。
进一步的，所述电荷放大器包括电容C3、C5、C6，电阻R4、R5、R9，放大器B；所述电容C3与放大器B的负输入端连接；电容C5一端连接在电容C3与放大器B负输入端之间，另一端与放大器B的输出端连接；电阻R4与R5串联后再与电容C5并联；电容C6一端与电阻R9连接，另一端连接在电阻R4与R5之间；电阻R9一端连接电容C6，另一端分别与放大器B正输入端和地线连接。
进一步的，所述高通滤波器为四阶高通滤波器，四阶高通滤波器包括电容C378、C379、C380、C381，电阻R604、R605、R655、R658，放大器E、F，所述电阻R655一端与电容C378连接，另一端与放大器E的负输入端连接；电容C379一端连接在电容C378与电阻R655之间，另一端分别与电阻R604和放大器E的正输入端连接；电阻R604一端分别与电容C379和放大器E的正输入端连接，另一端接地；放大器E的负输入端与输出端连接；电容C380一端与放大器E的输出端连接，另一端分别与电容C381和电阻R605连接；电阻R605一端分别与电容C380、C381连接，另一端与放大器F的负输入端连接；电容C381一端分别与电容C380和电阻R605连接，另一端分别与电阻R658和放大器F的正输入端连接；电阻R658一端分别与电容C381和放大器F的正输入端连接，另一端接地；放大器F的输出端与负输入端连接。
进一步的，所述积分放大器包括电阻R1、R2、R3、电容C2和放大器A，所述电阻R1与放大器A的负输入端连接，电阻R3与放大器A的正输入端连接并接地，电阻R2设置在放大器A的负输入端和输出端之间，电容C2与电阻R2并联。
应用前述大涵道比发动机机载振动信号调理电路进行调试的方法,包括以下步骤：
1】采集发动机振动微弱电荷信号，并将该微弱电荷信号变为电压信号，同时滤除电荷信号中的超低频干扰部分；
2】对经步骤1】处理所输出的电压信号进行滤波处理；
3】对经步骤2】处理所输出的低频小量值电压信号进行饱和积分放大处理；
4】对经步骤3】处理所输出的电压信号进行滤波处理，防止信号混叠；
5】对经步骤4】处理所输出的电压信号进行采集并输出。
进一步的，所述步骤1】中，发动机振动电荷信号通过T型网络架构的电荷放大器，将微弱电荷信号变为电压信号，并且滤除电荷信号中的超低频干扰部分，其中电荷放大器在1Hz频率幅值小于8Hz对应频率幅值的1/10，且保证8Hz-83Hz振动信号误差不大于1.0％。
进一步的，所述步骤2】中，经步骤1】处理输出的电压信号进行滤波处理，其中1Hz频率幅值约为8Hz对应频率幅值的1/100，保证对低频干扰信号(0Hz-8Hz)有效衰减，且保证8Hz-83Hz振动信号误差不大于1.0％；所述滤波处理采用4阶高通滤波器。
进一步的，所述步骤3】中，经步骤2】处理输出的电压信号再通过抗低频饱和积分放大器，其中积分放大器直流放大倍数为R2/R1，积分比例系数1/(R1*C2)，其中R1和C2为高精度阻容，误差不大于1.0％，其中1Hz频率放大倍数不大于300，83Hz频率放大倍数不小于3.5。
进一步的，所述步骤4】中，经步骤3】处理输出的电压信号进行处理，并保证通带范围内的平滑度；采用8阶低通巴特沃斯滤波器，其中8阶低通滤波器的截止频率为风扇转子频率的2倍。
本发明的优点如下：
本发明相比较于传统的调理方法及电路，利用抗低频饱和积分放大器的抗饱和、放大特性，增加了低频(8Hz-83Hz)振动信号放大倍数，提高了低频信号信噪比和抗干扰能力；同时引入4阶高通滤波器抑制抗饱和积分器超低频(0Hz-8Hz)放大特性，避免超低频噪音的引入。有效提高低频小量值加速度信号精度。
附图说明
图1是抗低频饱和积分放大器；
图2是四阶高通滤波器；
图3是电荷放大器；
图4是基于积分放大器振动信号调理架构图。
具体实施方式
该大涵道比发动机机载振动信号调理方法所使用的调理原理如下:
使用T型网络架构的电荷放大器，实现对加速度电荷信号的放大，并转换为电压信号；使用4阶高通滤波器，实现对转换的电压信号进行滤波处理；使用抗低频饱和积分放大器，实现对低频小量值电压信号的有效放大；使用8阶低通滤波器，实现对振动信号的滤波处理，防止信号混叠；当然，也可以选择与上述器件达到同样功能效果的器件。
抗低频饱和积分放大器直流放大倍数为R2/R1，积分比例系数1/(R1*C2)，其中R1和C2为高精度阻容，误差不大于1.0％；积分器对低频信号进行了有效的放大，使得动平衡数据频带8Hz-83Hz振动信号得到有效放大，其中1Hz频率放大倍数不大于300，83Hz频率放大倍数不小于3.5；同时超低频振动信号(0Hz-8Hz)同样也被放大了很多倍，于是引入了4阶高通滤波器衰减低频干扰信号。
4阶高通滤波器衰减被积分器放大的低频干扰信号(0Hz-8Hz)的影响，其中1Hz频率幅值约为8Hz对应频率幅值的1/100，保证对低频干扰信号(0Hz-8Hz)有效衰减，且高通滤波器放置在积分器前端，在电荷放大器后端；T型网络架构的电荷放大器能够实现对低频小量值电荷信号的有效转换，转换为电压信号，同时，此电荷放大器在1Hz频率幅值小于8Hz对应频率幅值的1/10；8阶低通滤波器的截止频率为风扇转子频率的2倍，使用巴特沃斯滤波器保证通带范围内的平滑度。
具体电路工作过程如下：
步骤1：发动机振动电荷信号通过T型网络架构的电荷放大器，将微弱电荷信号变为电压信号，并且滤除电荷信号中的超低频干扰部分，其中电荷放大器在1Hz频率幅值小于8Hz对应频率幅值的1/10，且保证8Hz-83Hz振动信号误差不大于1.0％；
步骤2：电荷放大器输出的电压信号通过4阶高通滤波器，其中1Hz频率幅值约为8Hz对应频率幅值的1/100，保证对低频干扰信号(0Hz-8Hz)有效衰减，且保证8Hz-83Hz振动信号误差不大于1.0％；
步骤3：4阶高通滤波器输出的电压信号再通过抗低频饱和积分放大器，其中积分放大器直流放大倍数为R2/R1，积分比例系数1/(R1*C2)，其中R1和C2为高精度阻容，误差不大于1.0％，其中1Hz频率放大倍数不大于300，83Hz频率放大倍数不小于3.5；
步骤4：积分放大器输出的电压信号通过8阶低通滤波器，其中8阶低通滤波器的截止频率为风扇转子频率的2倍(约190Hz)，且为巴特沃斯滤波器，保证通带范围内的平滑度。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
请同时参阅图1、图2、图3、图4，其中，图1是抗低频饱和积分放大器，图2是四阶高通滤波器，图3是电荷放大器，图4是基于积分放大器振动信号调理架构图。
振动电荷信号通过图3电荷放大器，并转换为电压信号。根据实际工程需求，能够计算出满足要求的阻容值。阻容计算后确定情况如下所示。
电荷放大器阻容数据
| 阻容位号 | C5 | R4 | R5 |
| 量值 | 2.2nf | 1.8Mohm | 1.8Mohm |
| 阻容位号 | R6 | C6 | C3 |
| 量值 | 261Kohm | 100nf | 1uf |
实际产品中使用的电荷放大器参数绘制幅频数据如下所示。
电荷放大器幅频数据
使用如图2所示4阶高通滤波器。幅频数据如下所示。高通滤波器对低频信号进行了有效的抑制，这样可以安全的使用积分器进行放大。
四阶高通滤波器阻容数据
| 阻容位号 | 量值 |
| C378 | 100nf |
| C379 | 100nf |
| C380 | 100nf |
| C381 | 100nf |
| R604 | 549Kohm |
| R655 | 330Kohm |
| R605 | 287Kohm |
| R658 | 1.2Mohm |
四阶高通滤波器幅频数据
积分器对低频信号进行了有效的放大，使得动平衡数据频带8Hz-83Hz振动信号得到有效放大。同时积分器带来另一个问题是低频无用信号同样也被放大了很多倍(0Hz-8Hz)。
积分器阻容数据
| 阻容位号 | R1 | R2 | C2 |
| 型号 | RMK2012YB503BMT | CHM 2512 15M±1％TCR50 | 1206A103EAXV |
抗饱和积分器幅频数据
8阶低通滤波器使用集成开关电容滤波器实现，通过调整输入频率控制开关电容滤波器截止频率，本实例选择截止频率为190Hz。
Claims (10)
1.一种大涵道比发动机机载振动信号调理电路，其特征在于：包括依次连接的电荷放大器、高通滤波器、比例积分器、低通滤波器和采集电路；所述电荷放大器用于将采集到的发动机振动微弱电荷信号转换为电压信号并滤除电荷信号中的超低频干扰部分，高通滤波器用于对电压信号进行滤波，积分放大器用于对电压信号进行抗低频饱和及积分放大处理，低通滤波器用于对电压信号进行平滑处理，采集电路用于对电压信号进行采集转换。
2.如权利要求1所述的大涵道比发动机机载振动信号调理电路，其特征在于：所述电荷放大器包括电容C3、C5、C6，电阻R4、R5、R9，放大器B；所述电容C3与放大器B的负输入端连接；电容C5一端连接在电容C3与放大器B负输入端之间，另一端与放大器B的输出端连接；电阻R4与R5串联后再与电容C5并联；电容C6一端与电阻R9连接，另一端连接在电阻R4与R5之间；电阻R9一端连接电容C6，另一端分别与放大器B正输入端和地线连接。
3.如权利要求1所述的大涵道比发动机机载振动信号调理电路，其特征在于：所述高通滤波器为四阶高通滤波器。
4.如权利要求2所述的大涵道比发动机机载振动信号调理电路，其特征在于：所述四阶高通滤波器包括电容C378、C379、C380、C381，电阻R604、R605、R655、R658，放大器E、F，所述电阻R655一端与电容C378连接，另一端与放大器E的负输入端连接；电容C379一端连接在电容C378与电阻R655之间，另一端分别与电阻R604和放大器E的正输入端连接；电阻R604一端分别与电容C379和放大器E的正输入端连接，另一端接地；放大器E的负输入端与输出端连接；电容C380一端与放大器E的输出端连接，另一端分别与电容C381和电阻R605连接；电阻R605一端分别与电容C380、C381连接，另一端与放大器F的负输入端连接；电容C381一端分别与电容C380和电阻R605连接，另一端分别与电阻R658和放大器F的正输入端连接；电阻R658一端分别与电容C381和放大器F的正输入端连接，另一端接地；放大器F的输出端与负输入端连接。
5.如权利要求1所述的大涵道比发动机机载振动信号调理电路，其特征在于：所述积分放大器包括电阻R1、R2、R3、电容C2和放大器A，所述电阻R1与放大器A的负输入端连接，电阻R3与放大器A的正输入端连接并接地，电阻R2设置在放大器A的负输入端和输出端之间，电容C2与电阻R2并联。
6.应用如权利要求1至5任一所述的大涵道比发动机机载振动信号调理电路进行的调理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1】采集发动机振动微弱电荷信号，并将该微弱电荷信号变为电压信号，同时滤除电荷信号中的超低频干扰部分；
2】对经步骤1】处理所输出的电压信号进行滤波处理；
3】对经步骤2】处理所输出的低频小量值电压信号进行饱和积分放大处理；
4】对经步骤3】处理所输出的电压信号进行滤波处理，防止信号混叠；
5】对经步骤4】处理所输出的电压信号进行采集并输出。
7.根据权利要求6所述的调理方法，其特征在于：所述步骤1】中，发动机振动电荷信号通过T型网络架构的电荷放大器，将微弱电荷信号变为电压信号，并且滤除电荷信号中的超低频干扰部分，其中电荷放大器在1Hz频率幅值小于8Hz对应频率幅值的1/10，且保证8Hz-83Hz振动信号误差不大于1.0％。
8.根据权利要求6所述的调理方法，其特征在于：所述步骤2】中，对经步骤1】处理输出的电压信号进行滤波处理，其中1Hz频率幅值约为8Hz对应频率幅值的1/100，保证对低频干扰信号(0Hz-8Hz)有效衰减，且保证8Hz-83Hz振动信号误差不大于1.0％；所述滤波处理采用4阶高通滤波器。
9.根据权利要求6所述的调理方法，其特征在于：所述步骤3】中，经步骤2】处理输出的电压信号再通过抗低频饱和积分放大器，其中积分放大器直流放大倍数为R2/R1，积分比例系数1/(R1*C2)，其中R1和C2为高精度阻容，误差不大于1.0％，其中1Hz频率放大倍数不大于300，83Hz频率放大倍数不小于3.5。
10.根据权利要求6所述的调理方法，其特征在于：所述步骤4】中，经步骤3】处理输出的电压信号进行处理，并保证通带范围内的平滑度；采用8阶低通巴特沃斯滤波器，其中8阶低通滤波器的截止频率为风扇转子频率的2倍。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210507 |