发动机振动信号调理电路设计与仿真.pdf

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1、SYSPRACTICE系统实践发动机振动信号调理电路设计与仿真◆马萌赵小勇卢玉芳摘要：航空发动机工作时通常存在较大振动，该振动信号经振动传感器采集后，表现为极微弱的电荷型信号，为了能够准确地捕获该信号，工程中常选用电荷放大器作为其测量电路，本文在介绍了目前常用的振动传感器的基础上，提出了一种振动信号调理电路的设计方案，并对该方案进行了仿真，仿真结果表明，该电路能够准确采集电荷型信号，从而达到准确采集发动机振动信号的目的。关键词：发动机振动信号；压电式传感器；电荷放大器航空发动机在实际工作中，由于载荷复杂、工作环境多变，往往存

2、在较多振动信号，这些振动信号中有的是与系统的固有特性相关，有的则是与已发生或即将发生的故障相U关Ⅲ。为了能够准确地进行发动机故障检测和诊断，对振动信号进行精确采集是上述工作的基础。压电式振动传感器是目前较为常用、应用最广的传感器之一，具有可靠性高、安装方便、频带宽等优势，其输出信号为电荷型信号，由于电(a)等效电压源电路荷信号无法采用常用设备仪器采集，因此需要通过电荷放大电路进行转换】。本文在分析振动传感器输出信号特性的基础上，提出了一种振动信号调理电路的设计方案，并对该方案进行了硬件电路仿真分析，分析结果证明，该电路能够准

3、确地采集电荷型信号，从而实现对发动机振动信号采集的目的(b)等效电荷源电路一、振动传感器介绍图1压电传感器的等效电路传感器的等效电路中电压、电荷q与电容的关系可以表振动传感器是一种因感受物体的机械振动而产生可用示为：信号的传感器，该机械振动可表现为振动速度、加速度或频率，不同的振动传感器基于不同的变换原理，主要分为：电Ua=q

4、Co压电式加速度传感器的输出信号是一个与被测量的加动式振动传感器、压电式加速度传感器、电涡流式传感器、速度信号成正比例的电荷型信号，该比例系数通常定义为电感式传感器、电容式传感器和电阻应变式传感器等口

5、]。传感器的灵敏度，工程中常用的振动传感器灵敏度范围为在航空发动机振动信号的测量领域中，压电式加速度传感器作为测量振动加速度值的首选，其1二作原理如下：压(10～50)pC／g。电式加速度传感器中的压电晶体在受到一定方向的外力作用二、振动信号的采集时，晶体表面将产生与该作用力相应的电荷量，通过对该电a)振动信号采集原理。压电式加速度传感器的输出为电荷量进行测量，可得到该测量时刻下的振动加速度值。荷型信号，需使用电荷放大电路对其进行放大和测量，该测若压电式加速度传感器等效为一个两端聚集异性电荷、量电路能够将输入的电荷信号转换为

6、电压信号，将振动传感中间为绝缘介质的电容器，假设为真空介电常数，s为压电器的输出电荷信号等效为一个电荷源电路，则振动传感器与材料相对介电常数，是极化面积，d是压电材料厚度，则该电荷放大电路交联的等效示意图如图2所示。电容器的电容量可表示为：C。=￡o￡，S／d根据该传感器的电容器特性，可进一步将其等效为一个——t]电压源(，口与一个电容c的串联电路或者等效为一个电荷源qI与一个电容的并联电路，等效原理图分别如图1(a)或者图ccRfl1一1(b)所示。图1中，R为压电加速度传感器绝缘电阻，由于其阻值T【IJT一很大，在工程中

7、通常视其为开路状态，因此在压电式加速度图2电荷放大电路示意图26信息系统f程l2014．520SYSPRACTICE系统实践其中，电缆电容为，放大器的输入阻抗为R放大器如图4所示。的输入电容为c，放大器的开环增益为，电荷放大电路的◆Oscilo~ope-XSC1#{毽j反馈电容为c，，反馈电阻为，输}{【电压C0与输入电荷q的关系：{＼／＼／／^＼＼／／^＼f／＼‘亡)0)玄亩，CiCo)＼／／＼／／／实际电路中传感器的绝缘电阻尺、反馈电阻R，和放L／＼J／f＼L／／、＼／／大器的输入电阻都非常大，放大器的开环增益可达到10

8、～10，在振动频率满足jwCf>>1／，的条件下，则有，II(1+A)jwC／>>jw(+Ci+)，此时c，C和C都可忽兰黧；一．～略不计，输出电压可表示为：⋯一》’507s·ooo一!I⋯⋯u_’!L===：：二二”，一Uo=二堡≈一—s。咖lsoo噼／bsa咖l2v／D～15v夏Ed口e『x口。l0Yl0ypal0lLevdlolV(1+A)jwC，C，研F蚰B／^I竖j^cl010jrlt．1』此时电荷放大器的输出电压，与输入的总电荷量成比图4电荷放大电路仿真结果图例，因此可南电荷放大器的输出电压求的当前情况下振动的从

9、图4中可以看出，本文设计的电荷放大电路能够有效加速度值。地对输入电荷信号进行放大，为了进一步分析电路性能，分b)振动信号采集电路设计。南于电荷放大器采用电容负别选取100g、500g和1000g作为输入的加速度测试值，得到反馈实现，该电容对直流工作点相当于开路，因此为了保证的测试结果如表1