CN2578784Y

CN2578784Y - 转角测量仪

Info

Publication number: CN2578784Y
Application number: CN 02280655
Authority: CN
Inventors: 唐世达; 韩奎华; 康文; 李剑秋; 郭旭
Original assignee: Shenyang Liming Aero Engine Group Co Ltd
Current assignee: Shenyang Liming Aero Engine Group Co Ltd
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2003-10-08
Anticipated expiration: 2012-10-23

Abstract

一种转角测量仪，用于测量发动机低压涡轮转子的转角α₁和发动机高压涡轮转子的转角α₂及尾喷口所张开角度，包括壳体和自整角机传感元件，组成该测量仪的电路有：标准信号电路、整流滤波电路、过零脉冲产生电路、角度区间逻辑判别电路、角度逻辑控制电路、角度电压转换电路、输出合成电路和调零电路，本实用新型具有体积小、集成度高、测量精度高等优点。

Description

转角测量仪

所属技术领域

本实用新型属于测量仪器，特别涉及一种用于测量发动机的低压涡轮转子的转角α₁和发动机高压涡轮转子的转角α₂及尾喷口所张开角度的转角测量仪。

背景技术

现有用于测量发动机α₁、α₂转角及尾喷口张开角度的传感器采用了自整角机，采用自整角机发射和自整角机接收的连接方式，把角度变化检出，而在接收自整角机上用齿轮连接一个电位计，再将角度变化转换成0-5V的直流电压变化送计算机采集系统处理，但此种测量装置因齿轮间隙较大及自整角机匹配不好，因而存在误差较大的缺点。

发明内容

针对现有转角测量仪器误差大的问题，本实用新型提供一种测量精度高、数字化的转角测量仪。

本实用新型的工作原理是：

当发动机转子转动时，与发动机转子相连接的自整角机传感元件随着转子的转动而转动。

自整角机的定子由400HZ，36V电源提供其励磁电压，当自整角机随发动机转子转动时，由于磁场的变化，其转子绕组的电动势随转角变化而变化。三相输出分别为：

U_a＝A.SIN αSINωt

U_b＝A.SIN(120°+α)SINωt

U_c＝A.SIN(240°+α)SINωt

若从提供给自整角机定子绕组的励磁电压中取出一个信号作为标准信号，该信号不随发动机的转角变化而变化。经全波整流取其正半周作为其仪器的标准信号。

U_A.U_B.U_C经全波整流，滤波后变成了直流电压，该电压随发动机转子的转角变化而变化。且与转角的函数关系为正弦关系。

由于要求仪器的输出电压与转角成线性关系，因而U_A.U_B.U_C经整流滤波后的电压不能作为输出用，只能做控制信号用。

把U_A.U_B.U_C整流滤波后的直流电压与U标准信号经过比较器比较后就能准确地确定发动机所转动的角度。

由于正弦函数在0-180°区间内是一个双值函数，若Ua经全波整流滤波后在0-180°区间输出某一值就对应两个角度。为了解决这一问题线路中加入了一个角度区间判别电路把0-180°的正弦函数分成了0-60°、60°-120°、120°-180°三个区间，这样0-180°内正弦双值函数变成了单值函数。

角度电压转换电路是采用一个积分电路，由U标准经过零脉冲产生电路准确地发出过零脉冲。

该积分器在过零脉冲发出时开始积分，由角度区间判别电路和U标准与U_a(或U_b.U_c)的比较电路准确地确定发动机转角所在的位置α₁，使积分器积到α₁角度时积分器停止积分并经锯齿波，方波转换电路及滤波后输出。U出＝A₁α，使输出电压与转子转动的角度成正比线性关系。

由于正弦函数存在着双值函数，且正弦函数在接近90°时分辨率差等原因，因而把0-180°的区间分成三大区间。由三相波形图分析：0-60°区间由Ua控制

60°-120°区间由U_c控制

120°-180°区间由U_b控制

U₁＝A₁.α(U_A控制，0-60°区间)

U₂＝A₁.α+2.5V(U_C控制60°-120°区间，因要求120°为5V故60°时为2.5V，变化范围α为0-60°)

U₃＝A₁.α-2.5V(U_b控制120°-180°区间，180°时输出为0V，120°，输出为-2.5V，变化范围α为0-60°)

采用运算放大器加法电路把上述U₁，U₂，U₃合成后，再加上调零电路(该调零电路为发动机转子原始零点变化而设计的)就达到了U_出与转角成正比输入输出关系。

本实用新型包含有壳体和自整角机传感元件，组成该测量仪的电路有：标准信号电路、整流滤波电路、比较器过零脉冲发生电路、角度区逻辑判别电路、角度逻辑控制电路、角度电压转换电路、输出合成电路和调零电路。

传感元件自整角机与发动机转子相连，自整角机的定子由电源提供其励磁电压，自整角机的定子与标准信号电路相连，取出一信号，经全波整流取其正半周作为测量仪的标准信号U标；与发动机转子相连的自整角机三相输出为U_A、U_B、U_C分别与整流滤波电路及角度区间逻辑判别电路相接，整流滤波电路的输出端 U_a、 U_b、 U_c分别与三个角度逻辑控制电路的比较器相连接，标准信号电路的输出端与过零脉冲产生电路相接，并与三个角度逻辑控制电路的比较器相接，过零脉冲产生电路的输出端分别与3个角度逻辑控制电路相连，角度逻辑区间判别电路也与三个角度逻辑控制电路相接，3个角度逻辑控制电路的输出端分别与3个不同角度的电压转换电路相接，角度电压转换电路、调零电路分别与输出合成电路相接；由自整角机三相输出的U_A、U_B、U_C经全波整流、滤波后变成了直流电压， U_a、 U_b、 U_c与U标准信号经比较器比较，角度区间判别电路把0-180°的正弦函数分成了0-60°、60°-120°、120°-180°三个区间，U_标信号经过零脉冲产生电路发出过零脉冲，角度电压转换电路在过零脉冲发出时开始积分，由角度区间判别电路和U_标与UA的比较电路准确地确定发动机转角所在的位置α₁，积分器积到α₁角度时停止积分并经转换电路及滤波后输出U_出三相输出U₁、U₂、U₃经输出合成电路合成后，再加上调零电路就得出了U_出与转角成正比输入输出关系。

标准信号电路：

由变压器T₂、一级跟随器、全波整流电路及二级跟随器组成，在T₂输出后级加入了R₁、R₁ ¹衰减器，在全波整流之后加入二级跟随器；加入R₁、R₁ ¹衰减器使一级跟随器输出不失真，R₁ ¹的加入可调节U_标的输出值，二级跟随器起隔离作用，减少输入输出间的影响，提高变压器T₂的二次输入阻抗，N₆组成的全波整流电路将400HZ的正弦波整流成800HZ的正向正弦波。

整流滤波电路：

U_A、U_B、U_C三路整流滤波电路相同，整流滤波电路采用全波整流滤波电路，其整流电路采用了二级运算放大器组成的绝对值整流电路，滤波电路采用了二级运算放大器组成的二级低通滤波电路，其中第一同相运放组成1∶1放大器，在输入端加了一个调整电阻，组成可变衰减器。

角度区间逻辑判别电路：则α变化时， U_a、 U_b、 U_c相互之间关系如下：

α	0～30°	30～60°	60～90°	90～120°	120～150°	150～180°
α	0～30°	30～60°	60～90°	90～120°	120～150°	150～180°	U_a、 U_b、U_c关系	U_b＞ U_c＞ U_a	U_b＞ U_a＞ U_c	U_a＞ U_b＞ U_c	U_a＞ U_c＞ U_b	U_c＞ U_a＞ U_b	U_c＞ U_b＞ U_a

由于0-60°、60°-120°、120°-180°三个区间的线路类似，以0～60°区间进行分析：

0-60°区间：

若α角处于60～120°或120°～180°区间，这时 U_b＞ U_a或 U_b＞ U_c两关系式中有一个关系式不满足，使N_17B的输出④脚为“1”→N_17c的输出⑩脚为“0”。

60～120°、120°～180°区间逻辑判别电路按上述方法分析。

过零脉冲发生电路：

N_16A为过零比较器，正弦波信号经过零比较器输出产生对称的方波，其跳变点为正弦波两个过零点。

N_16B为迟滞比较器，正弦波信号经迟滞比较器后输出也是一个对称的方波，但跳变点为正弦波的过零点间后延迟了一个相角θ₁，θ₁的大小由正反馈电阻R₆₃和同相点对地电阻R₆₄的比值有关。

在过零点到θ₁相角区间，使U_16A输出和U_16B输出均为“1”或均为“0”，而在此区间外不存在均为“1”和均为“0”，的状态，即一个为“1”，另一个为“0”。生负过零脉冲

若N_16A输出为“0”，而N_16B输出为“1”或N_16A输出为“1”，而N_16B输出为“0”时，在上述两种情况下N_20A和N_20D的输出均为“1”→N_43C输出均为“0”→无负过零脉冲产生。

由上分析在U标过零脉冲产生后产生了一个很窄的负过零脉冲，过零脉冲下跳点在过零点。

角度逻辑控制电路工作原理：

①为提高比较器的比较精度，电路引入了一个高放大倍数的差动放大器使UA＜U标时比较器输出为“0”。UA＞U标时比较器输出为“1”。

②设转角为某一角度α₁时，当ωt＝0时即过零点，由于 U_A＞U标，比较器输出为“1”。若α₁在0°-60°之间，0°-60°端输出为“1”，→N₂₂③脚输出为“0”→与N₂₂④脚输出为“1”。

③过零脉冲发出时，R-S触发器输入为“0，1”状态，R-S触发器Q输出为“0”。模拟开关不工作处于打开状态。

④过零脉冲结束后，R-S触发器的输入为“1，1”状态输出保持原态。

⑤当U_A＜U标时，比较器输出为“0”与门N₂₂④脚输出为“0”。

R-S触发器的输入为“1，0”状态→R-S触发器Q输出为“1”状态→模拟开关工作(即合上)。

⑥若α₁不在0°-60°范围之内，0°-60°控制线为“0”电平，N₂₂③脚输出为“1”电平→N₂₂④脚输出为“0”电平，R-S触发器输入处于“1，0”状态→R-S触发器Q端输出始终为“1”→模拟开关始终为合上状态。

⑦为保证角度α1的测量精度，要求 U_bmax＝ U_cmax＝U_标峰。

⑧60°～120°，120°-180°区间逻辑控制电路分析类似。

角度-电压转换电路工作原理：

(1)第一级为锯齿波发生器，过零脉冲发生时模拟开关处于断开状态，积分器正向积分，当U标≥Uα₁时，积分电容上并联的模拟开关I闭合，积分器停止积分，使积分器的输出为U标＜Uα₁时为正向锯齿波，U标≥U₁时，积分器输出为0。

(2)由于第一级锯齿波发生器在靠近过零点线性较差(斜率较小)，故加入第二级锯齿波斜率修正电路。其工作原理如下当U过零，U过零1脉冲经单稳延迟产生了一个延迟脉冲，其脉宽为5°左右，该脉冲控制模拟开关II使模拟开关闭合。因而在5°左右时其放大倍数为1。超过5°时其放大倍数为1.8倍，这样修正了U₁与角度的线性关系。

(3)第三级比较器的作用是把锯齿波变成了方波，其方波宽度与角度成正比。

(4)第4、5级运算放大器(N₂₆)组成的低通滤波器滤波后输出的电压为：

实现了输出电压与角度的线性关系。

(5)60°-120°角度区间角度电压变换器在上述电路上加入一个电压，使U₂＝A₁α+2.5V

(6)120°-180°角度区间角度电压变换器在上述电路上加入一个电压，使U₃＝A₁α-2.5V

输出合成电路

输出合成电路采用二级运放在模拟开关控制下U₁，U₂，U₃合成后成统一的U出合成信号，达到所需的输入输出关系。

其工作原理：

①U₁经二次反相输出仍为+U₁，同样U₂的输出也为+U₂，

②U₃经一次反相输出为-U₃，

③以上分析U_出＝U₁+U₂-U₃，达到了所需输出输入关系，

④若转角从120°向0°往回退时由于过滤器的时间常数存在，在刚退到60°时，U₁由0逐渐升到2.5V，而原来U_出为U₂的值即60°时为2.5V，而退到U₁的60°为逐渐升到2.5V，因而U_出在60°转换点有跳度，必须加入适当的电路加以克服，由于已满足设计要求故末加此功能。

⑤若发动机的原始零点不发生变化时，调零电位计的中间端W₅接地，这样调零电位不起作用。故发动机的原始零点不发生变化时，调零电位计中间端必须接地。

⑥若发动机的原始零点发生变化时，这时调零电位计起作用。一般原始零点变化不应太大，在原始零附近变化。

设发动机的原始零点变到0°以上(假定5°为原始点，这样U出值应为原来U出的值减去5°的值。现把α角调到原始零点(5°)，按一下复位按键，调零电位计W₆使U_出＝0即可。

因5°时，0°～60°为“1”，按一下复位按键→N_40D触发器的Q＝“1”→模拟开关4合上→U_出为原来U_出-5°

而 Q＝＂0＂→模拟开关5断开

若原始零点变到-5°，按上方法，使U_出为原来的U_出，加上一个5°的值。

因-5°时，0°～60°为“0”，按一下复位按键→N_40D触发器的

本实用新型具有体积小、集成度高、测量精度高等优点。

附图说明

图1为本实用新型整体电路结构框图，

图2为电源电路原理图，

图3为标准信号电路原理图，

图4为整流滤波电路原理图，

图5为角度区间逻辑判别电路原理图，

图6为过零脉冲发生电路原理图，

图7为0°～60°区间角度逻辑控制和角度电压转换电路原理图，

图8为60°～120°区间角度逻辑控制和角度电压转换电路原理图，

图9为120°～180°区间角度逻辑控制和角度电压转换电路原理图，

图10为输出合成电路与调零电路原理图，

图11为本实用新型前面板示意图，

图12为本实用新型后面板示意图。

具体实施方式

本实用新型整体电路参见图1，与发动机转子相连的自整角机三相输出为U_A、U_B、U_C分别与整流滤波电路及角度区间逻辑判别电路相连，整流滤波电路的输出端 U_a、 U_b、 U_c分别与三个角度逻辑控制电路的比较器相连，标准信号电路的输出端U标与过零脉冲产生电路相接并与三个角度逻辑控制电路的比较器相接，过零脉冲产生电路的输出端分别与三个角度逻辑控制电路相连，角度逻辑区间判别电路与三个角度控制电路相接，三个角度逻辑控制电路的输出端分别与三个不同角度(0°～60°，60°～120°，120°～180°)的电压转换电路相接，三个不同角度电压转换电路、调零电路分别与输出合成电路相接。标准信号电路参见图3，由变压器T₂、N_5A组成的一级跟随器、N₆组成的全波整流电路及N_5B组成二级跟随器构成。在T₂输出后级加入了R₁、R₁ ¹衰减器在全波整流之后加入二级跟随器。

整流滤波电路参见图4采用了全波整流滤波电路，其整流电路采用了二级运算放大器组成的绝对值整流电路，滤波电路采用了二级运算放大器组成的二级低通滤波电路。其中对U_A的全波整流由N_7A、N_7B构成的全波整流电路实现，经N_8B、N_8A组成的二级低通滤波输出；对U_B的全波整流由N_10A、N_10B组成的全波整流电路实现，经N_8B、N_8A组成的二级低通滤波电路输出；对U_C的全波整流由N_13A、N_13B组成的全波整流电路实现，经N_14B、N_14A组成的二级低通滤波电路输出。

角度区间逻辑判别电路参见图5。

过零脉冲产生电路参见图6，其中N_16A为过零比较器，N_16B为迟滞比较器；

角度逻辑控制电路和角度电压转换电路参见图7，图8、图9角度逻辑控制电路由差动放大器、比较器、两级与非门电路、RS触发器和模拟开关等构成；电路引入高放大倍数的差动放大器以提高比较器的精度。角度电压转换电路由积分电路、放大电路、比较器和两级低通滤波电路组成。

输出合成电路与调零参见图10，输出合成电路采用二级运放开关控制下U₁、U₂、U₃合成后成统一的U_出合成信号，达到所需的输入、输出关系。

Claims

1、一种转角测量仪，包括壳体和自整角机传感元件，其特征在于组成该测量仪的电路有：标准信号电路、整流滤波电路、过零脉冲产生电路、角度区间逻辑判别电路、角度逻辑控制电路、角度电压转换电路、输出合成电路和调零电路，传感元件自整角机与发动机转子相连，自整角机的定子与标准信号电路相连，与发动机转子相连的自整角机三相输出U_A、U_B、U_C分别与整波滤波电路及角度区间逻辑判别电路相接，整流滤波电路的输出端 U_a、 U_b、 U_c分别与三个角度逻辑控制电路的比较器相连接，标准信号电路的输出端与过零脉冲产生电路相接并与三个角度逻辑控制电路的比较器相连接，过零脉冲产生电路的输出端分别与三个角度逻辑控制电路相接，角度逻辑区间判别电路也与三个角度逻辑控制电路相连，三个角度逻辑控制电路的输出端分别与三个不同角的电压转换电路相接，角度电压转换电路、调零电路分别与输出合成电路相接，由自整角机三相输出的U_A、U_B、U_C经全波整流、滤波后变成了直流电压， U_a、 U_b、 U_c与U标准信号经比较器比较，角度区间判别电路把0～180°的正弦函数分别为0～60°、60～120°、120～180°三个区间，U标准信号经过零脉冲产生电路发出过零脉冲，角度电压转换电路在过零脉冲发出时开始积分，由角度区间判别电路和U标准与U_A的比较电路准确地确定发动机转角所在的位置α₁，积分器积到α₁角度时停止积分并经转换电路及滤波后输出U_出，三相输出U₁、U₂、U₃经输出合成电路合成后，再加上调零电路就得出了U_出与转角成正比输入输出关系。

2、根据权利要求1所述的转角测量仪，其特征在于所述标准信号电路由变压器T₂、一级跟随器、全波整流电路及二级跟随器组成，在T₂输出后级加入了R、R₁ ¹衰减器，在全波整流之后加入二级跟随器；加入R、R¹衰减器使一级跟随器输出不失真，R¹可调节U_标的输出值，二级跟随器起隔离作用，减少输入输出间的影响，提高变压器T₂的二次输入阻抗。

3、根据权利要求1所述的转角测量仪，其特征在于U_A、U_B、U_C三路整流滤波电路相同，整流滤波电路采用全波整流滤波电路，其整流电路采用了二级运算放大器组成的绝对值整流电路，滤波电路采用了二级运算放大器组成的二级低通滤波电路，其中第一同相运放组成1∶1放大器，在输入端加了一个调整电阻，组成可变衰减器。

4、根据权利要求1所述的转角测量仪，其特征在于所述的过零脉冲电路由迟滞比较器和门电路组成。

5、根据权利要求1所述的转角测量仪，其特征在于所述角度逻辑控制电路由差动放大器、比较器、RS触发器和模拟开关组成，电路引入高放大倍数的差动放大器以提高比较器的精度。

6、根据权利要求1所述的转角测量仪，其特征在于所述角度一电压转换电路由积分电路、放大电路、比较器和两级低通滤波电路组成。