CN112611447A - 航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于克服上述发动机振动信号中发动机转子基频频率幅值测量方法的不足，提出了一种航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路，旨在解决现有通过软件方式获取振动信号转子基频处的振动幅值精度低，算法复杂的技术问题。本发明通过硬件电路实现航空发动机转子振动信号基于转子基频的跟踪自适应调理，且截止频率可连续自适应，将振动信号中的高频分量、不相关振动信息及噪声等信号衰减至可接受范围，可以大幅减小FFT运算引入的频率混叠、频谱泄漏、栅栏效应所带来的采集误差。

Description

航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路
技术领域
本发明属于航空发动机振动监测技术领域，具体涉及一种航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路。
背景技术
在航空发动机振动监测领域，振动信号是诊断航空发动机故障的一个重要信号。由于航空发动机机械结构和工作状态的复杂性，导致原始振动信号是一种包含不同部件振动源和噪声的混合信号，因此需要对发动机振动信号进行复杂的处理分析，提取和识别出发动机的各种状态信息，从而对发动机可能出现的故障情况进行检测诊断与处理。
在发动机振动信号中，发动机转子基频处振动幅值的大小是实现发动机振动告警功能的一个重要指标，但是由于在发动机运行过程中，转速频率实时变化，因此获取振动信号转子基频处的振动幅值时，需对转速变化进行跟踪。在实现中，通常是使用FPGA或CPU同时采集转速信号和振动信号，采用FFT运算将振动信号转换到频域，然后根据采集到的转速信号，通过特定算法(参考论文：任赛璞，吴定祥，唐立军《动平衡测试***中不平衡量的测试方法研究》；赵建平《航空发动机振动信号整周期等相位重采样技术研究》等)，求取振动信号基频幅值，其中架构如图1所示。这些算法不同程度的存在以下缺点：
1.由于转速信号存在波动，且转速计算会滞后于振动采集使用的转速频率，很难真正实现等相位采样，影响后续分析精度。
2.由于FFT运算引入的频率混叠、频谱泄漏、栅栏效应等原因，影响振动分析精度。
3.振动基频信号特征的获取通过软件实现，算法复杂，计算量较大，对如何在资源有限的机载嵌入式计算机应用中实现算法也提出了相当的挑战(参考论文：殷彬彬,张星星《航空发动机控制***振动信号处理方法研究》等)。
发明内容
本发明的目的在于克服上述发动机振动信号中发动机转子基频频率幅值测量方法的不足，提出了一种航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路。
本发明的技术解决方案是：
航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路，包括电荷放大器、转子转速信号调理电路和高通滤波器；电荷放大器用于将航空发动机转子振动传感器的电荷信号调理为电压信号；转子转速信号调理电路用于调理转子转速信号，获取包含振动信号基频频率信息的信号；高通滤波器用于滤除航空发动机转子振动信号中的直流分量；
其特殊之处在于：
还包括截止频率可配置的低通滤波器和抗混叠滤波器；
截止频率可配置的低通滤波器用于对航空发动机振动信号进行转速跟踪自适应低通滤波，其截至频率基于转子转速信号调理电路获取的包含振动信号基频频率信息的信号进行配置；
抗混叠滤波器用于对调理后振动信号中的噪声、高频混叠信号进行衰减。
进一步地，截止频率可配置的低通滤波器为开关电容低通滤波器。
进一步地，开关电容低通滤波器的截止频率fLP采用下述方法配置：
若转子转速信号调理电路对转子转速信号调理后，得到频率为fN的方波信号，则对fN进行倍频处理后获得倍频信号fb＝K×fN，将fb作为配置开关电容低通滤波器的频率输入，配置开关电容低通滤波器的截止频率fLP，fLP应尽量小，同时要保证开关电容低通滤波器在振动信号fN处不衰减；K为倍频系数。
或者，截止频率可配置的低通滤波器为电压控制低通滤波器。
进一步地，电压控制低通滤波器的截止频率fLP采用下述方法配置：
若转子转速信号调理电路对转子转速信号调理后，得到频率为fN的方波信号，对fN进行F/V变换处理后获得电压信号Vf＝K1×fN，将Vf作为配置电压控制低通滤波器的电压输入，配置电压控制低通滤波器的截止频率fLP，fLP应尽量小，同时要保证电压控制低通滤波器在振动信号fN处不衰减；K1为F/V变换系数。
进一步地，抗混叠滤波器的截止频率fHD为
Figure BDA0002839446090000031
进一步地，电荷放大器根据输入振动信号的频率及量值范围进行设计，调理精度满足：在转子信号频率范围内，电荷信号调理误差不大于1％FS。
进一步地，高通滤波器根据输入振动信号的频率及量值范围进行设计，截止频率满足5Hz＜fHP＜10Hz，且保证在2fHP处的衰减大于24dB。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过硬件电路实现航空发动机转子振动信号基于转子基频的跟踪自适应调理，且截止频率可连续自适应，将振动信号中的高频分量、不相关振动信息及噪声等信号衰减至可接受范围，可以大幅减小FFT运算引入的频率混叠、频谱泄漏、栅栏效应所带来的采集误差。
2、经本发明调理后的信号可用于航空发动机振动告警分析，因使用纯硬件电路，降低了***设计的复杂度及***软件开销，提高了振动信号基频幅值的分析准确度，对分析航空发动机振动监控具有重要价值。
附图说明
图1是传统的发动机转子基频振动信号调理硬件架构图。
图2是本发明的硬件结构框图(A/D采集处理不是本发明的一部分)。
图3是本发明使用开关电容低通滤波器实现航空发动机转子基频振动信号转速跟踪自适应调理的硬件结构框图。
图4是本发明使用电压控制低通滤波器实现航空发动机转子基频振动信号转速跟踪自适应调理的硬件结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图2所示，本发明所提供的航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路，包括电荷放大器、转子转速信号调理电路、高通滤波器、截止频率可配置的低通滤波器和抗混叠滤波器。
电荷放大器用于将航空发动机转子振动传感器(通常为压电式传感器)的电荷信号调理为电压信号；电荷放大器根据输入振动信号的频率及量值范围进行设计，调理精度应满足：在转子信号频率范围内，电荷信号调理误差不大于1％FS。
转子转速信号调理电路用于调理转子转速信号，获取包含振动信号基频频率信息的信号；具体实现方式是先将转子转速信号依次进行隔直、比例变换、滤波、整形后，调理为频率为fN的方波信号(频率fN为转子基频)，然后根据所采用截止频率可配置的低通滤波器的形式，对频率为fN的方波信号进行相应的处理，以配置截止频率可配置的低通滤波器的截止频率，具体如下：
1)若截止频率可配置的低通滤波器采用开关电容低通滤波器，则按照开关电容低通滤波器要求，对fN进行倍频处理后获得倍频信号fb＝K×fN(其中K为倍频系数)，将fb作为配置开关电容低通滤波器的频率输入，配置开关电容低通滤波器的截止频率fLP，fLP应尽量小，同时要保证开关电容低通滤波器在振动信号fN处不衰减；
2)若截止频率可配置的低通滤波器采用电压控制低通滤波器，则按照电压控制低通滤波器设计指标，对fN进行F/V变换处理后获得电压信号Vf＝K1×fN(其中K1为F/V变换系数)，将Vf作为配置电压控制低通滤波器的电压输入，配置电压控制低通滤波器的截止频率fLP，fLP应尽量小，同时要保证电压控制低通滤波器在振动信号fN处不衰减。
高通滤波器用于滤除航空发动机转子振动信号中的直流分量，对直流分量进行衰减，高通滤波器根据输入振动信号的频率及量值范围进行设计，优选截止频率满足5Hz＜fHP＜10Hz，且保证在2fHP处的衰减大于24dB，保证直流分量不影响采集精度。
截止频率可配置的低通滤波器用于对航空发动机振动信号进行转速跟踪自适应低通滤波，截止频率可配置的低通滤波器可以为开关电容低通滤波器，也可以为电压控制低通滤波器，其截至频率基于转子转速信号调理电路获取的包含振动信号基频频率信息的信号进行配置。
图3是使用开关电容低通滤波器实现航空发动机转子基频振动信号转速跟踪自适应调理的硬件结构框图；开关电容低通滤波器以Maxim公司的MAX291为例，其输出的截止频率与输入的倍频信号的关系为1:100，将倍频系数K配置为150，生成fb＝150×fN的频率信号输入至MAX291截止频率配置引脚，则MAX291输出的低通滤波截止频率为fLP＝1.5×fN，保证信号经MAX291滤波后，在fN处不衰减，同时保证对频率大于fN的不相关信号的衰减速率。
图4是使用电压控制低通滤波器实现航空发动机转子基频振动信号转速跟踪自适应调理的硬件结构框图；F/V变换以ADI公司的AD650为例，通过配置AD650的外接电容、电阻，设计F/V变换系数为Vf＝K1×fN(K1为F/V变换系数)，作为电压控制低通滤波器的截止频率配置输入。电压控制低通滤波器使用通用的设计(可参考论文：冉兴萍，马习平《高阶自适应多功能滤波器的仿真实现》)，配置电压控制低通滤波器截止频率fLP＝1.5×fN，保证信号经低通滤波后，在fN处不衰减，同时保证对频率大于fN的不相关信号的衰减速率。
抗混叠滤波器用于对调理后振动信号中的噪声、高频混叠等不相关信号进行衰减，截止频率fHD设置为
Figure BDA0002839446090000051
航空发动机振动信号经本发明调理后，输入到后级的A/D采集器，由处理器或FPGA进行A/D采集及FFT运算，获取振动信号转子基频的幅频特性。

Claims (8)

1.航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路，包括电荷放大器、转子转速信号调理电路和高通滤波器；电荷放大器用于将航空发动机转子振动传感器的电荷信号调理为电压信号；转子转速信号调理电路用于调理转子转速信号，获取包含振动信号基频频率信息的信号；高通滤波器用于滤除航空发动机转子振动信号中的直流分量；
其特征在于：
还包括截止频率可配置的低通滤波器和抗混叠滤波器；
截止频率可配置的低通滤波器用于对航空发动机振动信号进行转速跟踪自适应低通滤波，其截至频率基于转子转速信号调理电路获取的包含振动信号基频频率信息的信号进行配置；
抗混叠滤波器用于对调理后振动信号中的噪声、高频混叠信号进行衰减。
2.根据权利要求1所述的航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路，其特征在于：截止频率可配置的低通滤波器为开关电容低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路，其特征在于：开关电容低通滤波器的截止频率fLP采用下述方法配置：
若转子转速信号调理电路对转子转速信号调理后，得到频率为fN的方波信号，则对fN进行倍频处理后获得倍频信号fb＝K×fN，将fb作为配置开关电容低通滤波器的频率输入，配置开关电容低通滤波器的截止频率fLP，fLP应尽量小，同时要保证开关电容低通滤波器在振动信号fN处不衰减；K为倍频系数。
4.根据权利要求1所述的航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路，其特征在于：截止频率可配置的低通滤波器为电压控制低通滤波器。
5.根据权利要求4所述的航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路，其特征在于：电压控制低通滤波器的截止频率fLP采用下述方法配置：
若转子转速信号调理电路对转子转速信号调理后，得到频率为fN的方波信号，对fN进行F/V变换处理后获得电压信号Vf＝K1×fN，将Vf作为配置电压控制低通滤波器的电压输入，配置电压控制低通滤波器的截止频率fLP，fLP应尽量小，同时要保证电压控制低通滤波器在振动信号fN处不衰减；K1为F/V变换系数。
6.根据权利要求1-5任一所述的航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路，其特征在于：抗混叠滤波器的截止频率fHD为
Figure RE-FDA0002943892530000021
7.根据权利要求6所述的航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路，其特征在于：电荷放大器根据输入振动信号的频率及量值范围进行设计，调理精度满足：在转子信号频率范围内，电荷信号调理误差不大于1％FS。
8.根据权利要求7所述的航空发动机转子转速自适应跟踪振动基频信号调理电路，其特征在于：高通滤波器根据输入振动信号的频率及量值范围进行设计，截止频率满足5Hz<fHP<10Hz，且保证在2fHP处的衰减大于24dB。
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