CN114109816B - 一种微小型电动燃油泵泵后脉动压力监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小型电动燃油泵泵后压力监测系统及监测方法，所述系统包括：微小型压电式压力传感器，用于将燃油流道中的压力信号变送为电荷信号；传感器信号调理模块，用于对压力传感器变送输出的电荷信号进行调理，使之符合嵌入式最小系统的模拟信号采样范围；嵌入式最小系统，用于为高速压力监测处理软件模块和泵后脉动压力监测算法模块的运行提供硬件平台；通讯信号调理模块，用于将测量结果通过现场总线输出至电动燃油泵控制器；高速压力监测处理软件模块，用于对传感器信号调理模块输出的电压信号进行高速采样与数据处理；泵后脉动压力监测算法模块，用于实时计算泵后脉动压力。

Description

一种微小型电动燃油泵泵后脉动压力监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及航空电动燃油泵参数测量技术领域，具体涉及一种微小型电动燃油泵泵后脉动压力监测系统及监测方法。

背景技术

科技发展、能源革命、大功率电需求等将多电飞机推出历史舞台，其发展标志着航空工业步入全新时代。多电航空发动机为多电飞机的核心技术之一，其使用电力驱动系统取代液压、气压、机械能驱动的次级功率系统。多电发动机拥有结构简化、功重比高、维护性和可靠性高等诸多优势，已成为航空推进技术的重要研究方向。

燃油控制系统为航空发动机提供所需流量和压力的燃油，对航空发动机可靠工作至关重要。现有燃油控制系统以主燃油泵为核心，由发动机高压转子经齿轮箱驱动，主燃油泵以最大供油流量为设计点，大部分工况下燃油“供过于求”，需精心设计回油回路来满足发动机实际燃油流量需求。这种工作机制导致发动机燃油控制系统存在传动系统组成较为复杂、机匣加工难度大、燃油利用率低、故障率高等缺陷。相比之下，航空电动燃油泵具有结构简单、功重比高、体积小、成本低等优势，被列为多电航空发动机的关键技术之一。

航空电动燃油泵技术的应用，使发动机流量控制由阀控转变为泵控方式，但用于燃油精准流量计量的等压差活门被取消，航空发动机中难以安装计量流量计，使燃油流量的精准计量与控制成为难题。

航空电动燃油泵中，常以齿轮泵作为主泵，其泵后压力与转速和自身结构关系大，呈现强脉动性，进而使燃油流量呈强脉动性。电动燃油泵以燃油流量的精确计量和控制为目标，精准的流量测量为实现此目标的前提和基础，而流量精准测量须监测流量脉动，进而需要监测泵后压力脉动。

齿轮泵泵后压力脉动频率由泵转速与齿轮齿数相关，若齿轮泵每个啮合周期压力均脉动，则压力脉动基波频率为齿轮泵转速的十五倍左右，谐波频率则更高。当齿轮泵转速达15000RPM时，泵后压力脉动基波频率达3750Hz，谐波频率更达数十千赫兹。由此，需要应用频率响应至少10KHz的压力传感器来监测泵后压力脉动。除此之外，高频信号的精准监测要求测量系统不仅实现对模拟信号的高频采样，而且同步运算处理，二者并行，大幅增加了泵后压力脉动监测难度。现有航空电动燃油泵或并未监测泵后压力脉动，或使用频响最高一千赫兹的压阻式压力传感器进行电动燃油泵泵后压力监测，仅能实现低转速下泵后压力脉动压力监测，难以实现高转速下泵后压力脉动监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种微小型电动燃油泵泵后脉动压力监测系统及监测方法，用以解决现有航空电动燃油泵系统存在的泵后压力脉动未监测或高转速下泵后压力脉动无法监测的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种微小型电动燃油泵泵后压力监测系统，包括：

微小型压电式压力传感器，用于将燃油流道中的压力信号变送为电荷信号；

传感器信号调理模块，用于对压力传感器变送输出的电荷信号进行调理，使之符合嵌入式最小系统的模拟信号采样范围；

嵌入式最小系统，用于为高速压力监测处理软件模块和泵后脉动压力监测算法模块的运行提供硬件平台；

通讯信号调理模块，用于将测量结果通过现场总线输出至电动燃油泵控制器；

高速压力监测处理软件模块，用于对传感器信号调理模块输出的电压信号进行高速采样与数据处理；

泵后脉动压力监测算法模块，用于实时计算泵后脉动压力。

进一步地，所述微小型压电式压力传感器包括压电式压力传感器芯体a、压力传感器壳体a、传感器引线a；传感器信号调理模块包括前级前级电荷放大器b，以及与前级前级电荷放大器b连接的电压放大器b、信号限幅器b；嵌入式最小系统包括高速AD转换器c、嵌入式嵌入式微处理器c，与嵌入式嵌入式微处理器连接的系统时钟电路c、电源电路c、复位电路c；通讯信号调理模块包括现场总线电平转换器d、信号限幅器d、雷击浪涌抑制器d、阻抗匹配器d；高速压力监测处理软件模块包括高速压力信号采样e、高速压力信号传输e、并行信号处理e；泵后脉动压力监测算法模块包括数字信号滤波器f、快速傅里叶算法模块f、脉动压力计算算法模块f。

进一步地，所述嵌入式微处理器c内部集成高精度AD转换器c。

进一步地，微小型压电式压力传感器引线a与传感器信号调理模块中的前级电荷放大器b相连；信号限幅器b与嵌入式最小系统中的嵌入式微处理器c连接，嵌入式微处理器与通讯信号调理模块中的总线电平转换器d连接。

进一步地，所述高速压力监测处理软件模块和泵后脉动压力监测算法模块为运行于嵌入式嵌入式微处理器c中的软件模块。

一种微小型电动燃油泵泵后脉动压力监测方法，包括以下步骤：

步骤1，微小型压电式压力传感器a将泵后流道中的压力信号变换为电荷信号；

步骤2，传感器信号调理模块b首先通过前级电荷放大器b将传感器输出的电荷信号转换为弱电压信号，再由电压放大器b将弱电压信号放大至幅值较大且适合嵌入式微处理器采样的电压信号，并通过信号限幅器b进行限幅；

步骤3，运行于嵌入式微处理器c中的高速压力信号采样e由PWM定时器的上升沿触发，通过高速采样电压信号得到压力信号，并进行信号传输与处理；采样频率由PWM频率控制，由DMA控制器建立AD转换器与DMA数据缓冲区之间的通道，实现AD转换结果向数据缓冲区之间的直接存储，使用DMA缓冲区半满和全满两个中断，当AD转换结果向DMA半缓冲区缓前半部分存压力信号数据时，泵后脉动压力监测算法模块处理后半缓冲区中的数据，当AD转换结果向DMA半缓冲区缓后半部分存数据时，泵后脉动压力监测算法模块处理前半缓冲区中的数据，实现压力信号采样与处理并行；

步骤4，嵌入式嵌入式微处理器c将脉动压力监测结果通过现场总线上传至电动燃油泵控制器。

进一步地，所述泵后脉动压力监测算法中，数字信号滤波器f、快速傅里叶算法模块f的处理过程为：

数字信号滤波器对采样结果进行低通滤波，滤除叠加于数据中的高频传感器噪声，再由快速傅里叶算法模块对滤波后的压力信号进行时频变换，依据运算结果，确定信号频谱中的直流分量，作为压力稳态值，确定信号频谱中高频分量的频率和幅值，作为压力脉动幅值和频率。

进一步地，所述泵后脉动压力监测算法中，脉动压力计算算法模块f的处理过程为：

将当前压力信号的直流分量幅值与压力脉动有效值叠加，作为脉动压力监测结果。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

1.应用频率响应更高的压电式压力传感器，拓宽了泵后压力信号监测的带宽范围；

2.可实现全速范围内泵后脉动压力信号的监测，解决了高转速下泵后脉动压力无法监测的现状；

3.采用高速信号采集和数据处理并行策略，在不中断压力信号高速采样的前提下，实现了信号处理，提高了泵后脉动压力监测实时性与精确度；

4.依据时频分析结果将压力脉动有效值与直流分量叠加，输出较为稳定的压力测量结果，提高了泵后压力监测精度；

5.采用软硬件可剪裁的嵌入式设计思想，及微小型压电式压力传感器，使电动燃油泵泵后脉动压力监测系统微小型化，与智能通讯功能联合，构成微小型泵后脉动压力监测智能单元，满足航空发动机分布式控制对智能单元的需求；

6.对现场总线接口进行了限幅和雷击浪涌抑制，提升了模块与电动燃油泵控制器之间的通讯质量。

附图说明

图1为本发明监测系统的结构示意图；

图2为传感器信号调理模块的电路原理图；

图3为嵌入式最小系统的电路原理图；

图4为通讯信号调理模块电路原理图。

具体实施方式

参见附图，本发明提供一种微小型电动燃油泵泵后压力监测系统及监测方法，应用高精度高频率响应压力传感器、高速数据采集与处理并行方法、数字信号处理方法等，解决现有航空电动燃油泵系统存在的泵后压力脉动未监测或高转速下泵后压力脉动无法监测的问题。采用本发明的系统和方法，可实现全转速下航空电动燃油泵泵后压力脉动的精确监测，为电动燃油泵流量的精准计量与控制提供依据。

如图1所示，本发明的一种微小型电动燃油泵泵后压力监测系统，包括：

微小型压电式压力传感器，主要用于将燃油流道中的压力信号高速变送为电荷信号，通过传感器引线输出；所述微小型压电式压力传感器包括压电式压力传感器芯体a、压力传感器壳体a、传感器引线a，微小型压电式压力传感器a与传感器引线a相连接，传感器壳体a呈螺丝状，可直接安装于电动燃油泵泵后螺纹孔中。传感器芯体a用于实时感知流体压力信号，将压力信号转换为电信号；传感器金属壳体a实现对压力传感器a的封装和保护。

传感器信号调理模块，用于对压力传感器变送输出的电荷信号进行调理，使之符合嵌入式最小系统的模拟信号采样范围；传感器信号调理模块包括前级前级电荷放大器b，以及与前级前级电荷放大器b连接的电压放大器b、信号限幅器b。

嵌入式最小系统，用于为高速压力监测处理软件模块和泵后脉动压力监测算法模块的运行提供硬件平台；嵌入式最小系统包括高速AD转换器c、嵌入式嵌入式微处理器c，与嵌入式嵌入式微处理器连接的系统时钟电路c、电源电路c、复位电路c；嵌入式微处理器c内部集成16位高精度AD转换器c。

通讯信号调理模块，用于将测量结果通过现场总线输出至电动燃油泵控制器；通讯信号调理模块包括现场总线电平转换器d、信号限幅器d、雷击浪涌抑制器d、阻抗匹配器d。

高速压力监测处理软件模块，用于对传感器信号调理模块输出的电压信号进行高速采样与数据处理；高速压力监测处理软件模块包括高速压力信号采样e、高速压力信号传输e、并行信号处理e。

泵后脉动压力监测算法模块，用于实时计算泵后脉动压力；泵后脉动压力监测算法模块包括数字信号滤波器f、快速傅里叶算法模块f、脉动压力计算算法模块f。

参见图1，在上述方案中，微小型压电式压力传感器引线a与传感器信号调理模块中的前级电荷放大器b相连；信号限幅器b与嵌入式最小系统中的嵌入式微处理器c连接，嵌入式微处理器与通讯信号调理模块中的总线电平转换器d连接。所述高速压力监测处理软件模块和泵后脉动压力监测算法模块为运行于嵌入式嵌入式微处理器c中的软件模块。

参见图2，为传感器信号调理模块的电路原理图；在图2中，电阻R2-R4、电容C-C、运算放大器U1构成前级电荷放大器b，电阻R1和运算放大器U2构成电压放大器b，信号限幅器b由反向恢复时间较短的二极管D和D。

参见图3，为嵌入式最小系统的电路原理图；在图3中，AD转换器c和嵌入式微处理器c由片内集成AD转换器的嵌入式微处理器c实现，嵌入式微处理器c正常工作需提供电源、时钟、复位等必要条件。系统时钟电路c由专用时钟集成模块Y实现，为其提供工作电源即可。电源电路c由C-C8、R12-R14、U16组成的高效率开关电源转换电路与C-C组成的滤波去耦电容组来实现。复位电路c由C9-C1、R9-R11、U5和U7实现，确保嵌入式微处理器的可靠复位，防止静电或电压浪涌造成的异常复位。

参见图4，为通讯信号调理模块电路原理图；在图4中，现场总线电平转换器d由专用现场总线电平转换集成电路U9实现；信号限幅器d由TVS管D-D5组成，实现差分电平之间、差分电平对地电压限制；雷击浪涌抑制器由空气放电管K1-K3实现，阻抗匹配器d由电阻器R12实现。

基于上述监测系统，本发明还提出了一种微小型电动燃油泵泵后脉动压力监测方法，包括以下步骤：

步骤1，微小型压电式压力传感器a将泵后流道中的压力信号变换为电荷信号；

步骤2，传感器信号调理模块b首先通过前级电荷放大器b将传感器输出的电荷信号转换为微弱电压信号，再由电压放大器b将弱电压信号放大至幅值较大且适合嵌入式微处理器采样的电压信号，并通过信号限幅器b进行限幅；

步骤3，运行于嵌入式微处理器c中的高速压力信号采样e由PWM定时器的上升沿触发，通过高速采样电压信号得到压力信号，并进行信号传输与处理；采样频率由PWM频率控制，由DMA控制器建立AD转换器与DMA数据缓冲区之间的通道，实现AD转换结果向数据缓冲区之间的直接存储，使用DMA缓冲区半满和全满两个中断，当AD转换结果向DMA半缓冲区缓前半部分存压力信号数据时，泵后脉动压力监测算法模块处理后半缓冲区中的数据，当AD转换结果向DMA半缓冲区缓后半部分存数据时，泵后脉动压力监测算法模块处理前半缓冲区中的数据，实现压力信号采样与处理并行；

其中，泵后脉动压力监测算法模块中数字信号滤波器f、快速傅里叶算法模块f的处理过程为：

数字信号滤波器对采样结果进行低通滤波，滤除叠加于数据中的高频传感器噪声，再由快速傅里叶算法模块对滤波后的压力信号进行时频变换，依据运算结果，确定信号频谱中的直流分量，作为压力稳态值，确定信号频谱中高频分量的频率和幅值，作为压力脉动幅值和频率；

脉动压力计算算法模块f的处理过程为：

将当前压力信号的直流分量幅值与压力脉动有效值叠加，作为脉动压力监测结果；

步骤4，嵌入式嵌入式微处理器c将脉动压力监测结果通过现场总线上传至电动燃油泵控制器。

以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微小型电动燃油泵泵后脉动压力监测系统，其特征在于，包括：

微小型压电式压力传感器，用于将燃油流道中的压力信号变送为电荷信号；

传感器信号调理模块，用于对微小型压电式压力传感器变送输出的电荷信号进行调理，使之符合嵌入式最小系统的模拟信号采样范围；

嵌入式最小系统，用于为高速压力监测处理软件模块和泵后脉动压力监测算法模块的运行提供硬件平台；

通讯信号调理模块，用于将测量结果通过现场总线输出至电动燃油泵控制器；

高速压力监测处理软件模块，用于对传感器信号调理模块输出的电压信号进行高速采样与数据处理；

泵后脉动压力监测算法模块，用于实时计算泵后脉动压力；

所述微小型压电式压力传感器包括压电式压力传感器芯体、压力传感器壳体、传感器引线；传感器信号调理模块包括前级电荷放大器，以及与前级电荷放大器连接的电压放大器、信号限幅器；嵌入式最小系统包括高速AD转换器、嵌入式微处理器，与嵌入式微处理器连接的系统时钟电路、电源电路、复位电路；通讯信号调理模块包括现场总线电平转换器、信号限幅器、雷击浪涌抑制器、阻抗匹配器；高速压力监测处理软件模块包括高速压力信号采样、高速压力信号传输、并行信号处理；泵后脉动压力监测算法模块包括数字信号滤波器、快速傅里叶算法模块、脉动压力计算算法模块；

传感器引线与传感器信号调理模块中的前级电荷放大器相连；信号限幅器与嵌入式最小系统中的嵌入式微处理器连接，嵌入式微处理器与通讯信号调理模块中的现场总线电平转换器连接。

2.根据权利要求1所述的微小型电动燃油泵泵后脉动压力监测系统，其特征在于，所述嵌入式微处理器内部集成高速AD转换器。

3.根据权利要求1所述的微小型电动燃油泵泵后脉动压力监测系统，其特征在于，所述高速压力监测处理软件模块和泵后脉动压力监测算法模块为运行于嵌入式微处理器中的软件模块。

4.一种利用权利要求1至3中任一所述微小型电动燃油泵泵后脉动压力监测系统进行泵后脉动压力监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，微小型压电式压力传感器将泵后流道中的压力信号变换为电荷信号；

步骤2，传感器信号调理模块首先通过前级电荷放大器将传感器输出的电荷信号转换为弱电压信号，再由电压放大器将弱电压信号放大至幅值较大且适合嵌入式微处理器采样的电压信号，并通过信号限幅器进行限幅；

步骤3，运行于嵌入式微处理器中的高速压力信号采样由PWM定时器的上升沿触发，通过高速采样电压信号得到压力信号，并进行信号传输与处理；采样频率由PWM频率控制，由DMA控制器建立高速AD转换器与DMA数据缓冲区之间的通道，实现AD转换结果向数据缓冲区之间的直接存储，使用DMA缓冲区半满和全满两个中断，当AD转换结果向DMA半缓冲区缓前半部分存压力信号数据时，泵后脉动压力监测算法模块处理后半缓冲区中的数据，当AD转换结果向DMA半缓冲区缓后半部分存数据时，泵后脉动压力监测算法模块处理前半缓冲区中的数据，实现压力信号采样与处理并行；

步骤4，嵌入式微处理器将脉动压力监测结果通过现场总线上传至电动燃油泵控制器。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述泵后脉动压力监测算法模块中，数字信号滤波器、快速傅里叶算法模块的处理过程为：

数字信号滤波器对采样结果进行低通滤波，滤除叠加于数据中的高频传感器噪声，再由快速傅里叶算法模块对滤波后的压力信号进行时频变换，依据运算结果，确定信号频谱中的直流分量，作为压力稳态值，确定信号频谱中高频分量的频率和幅值，作为压力脉动幅值和频率。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述泵后脉动压力监测算法模块中，脉动压力计算算法模块的处理过程为：

将当前压力信号的直流分量幅值与压力脉动有效值叠加，作为脉动压力监测结果。