航空发动机先进传感器研究

航空发动机全权限数字式电子控制(FADEC)是现代战机飞行和推进系统综合控制的发展趋势，它主要运用计算机系统强大快速的数字运算能力和逻辑判断来实现系统控制。与传统的机械液压式控制系统相比，它具有更加可靠、先进的特点，另外它也增加了控制的多样性，通过它的作用提高了对飞行以及对综合系统的控制能力。传统传感器的模拟信号使用时为输出状态，整个飞行和推进综合系统的传感器输入信号能够超过30路，这种状况下中央处理器将花费巨大的资源用于模拟信号的数据处理以及故障诊断，严重的削弱了数字控制系统的优势。智能传感器运用在航空控制系统中，它不仅发送／接收数字信号而且还要完成信号的采集和处理、故障自诊断、故障容错等工作。FADEC系统的引入可以将繁重的低级任务进行分化，腾出了大量CPU资源来执行更加复杂和精确的控制算法和监控管理。传感器是信息系统的最前端的作为获取信息的十分重要的工具，可以说整个系统质量的好坏，主要依赖于传感器的特性的好坏和输出信息的可靠性。

1　温度传感器

涡扇式发动机主燃油控制系统的重要状态参数之一是涡轮后燃气温度。当发动机控制计划处于训练——战斗状态且发动机进口温度处于288～373K时，通过供油量的电子调节，使涡轮后燃温度直线增加15℃。整个航空发动机分布式控制系统的工作稳定性和可靠性依靠对涡轮后燃气温度的精确测量与控制。航空涡扇发动机涡轮后燃气温度的敏感测温部件为K型热电偶。利用物理中的塞内克效应制成的温敏传感器，当两个不同的导体间组成闭合回路时，若两端结点温度不同，则回路中产生电流，这就是热电偶的原理。热电势包括接触电势和温差电势两部分组成，它的大小和两端温差以及材料的性质有关。

2　智能温度传感器

智能温度传感器的是根据航空发动机温度传感器的原理，并且基于DSP与cAN提出的。智能传感器系统的优点是集成度高，测量和处理速度快，测量精度高，实时性好。智能传感器应用于航空发动机全权限数字式电子控制(FADEC)系统中，一方面具有极大的实用性，另一方面提高了发动机的可靠性。智能温度传感器由上电自检电路、DSP与CAN总线接口电路、热电偶信号处理电路以及电源电路几部分组成。智能温度传感器具有上电自检功能，它的电子模拟开关选用MAX319芯片，工作原理是：当DSP的通用IO引脚输出高电平时，上电自检电路接通；输出低电平时，热电偶测温的信号会被引入信号调理电路。当热电偶发生断线或者超温时，报警信号通过光隔接入DSP的外部中断引脚，触发外部中断，调用中断程序将报警信号通过CAN总线发送到中央处理器。这时热电偶信号经芯片放大处理后，再经过可变电位计的热电偶冷端进行温度补偿，最后经运算放大器送入DSP的模拟量输入通道ADCO，完成对热电偶信号的采样。

传感器由感应到变成数据显示需要经过相应软件的转换，软件主要实现对传感器传送来的信号进行信号滤波、热电偶的线性拟合以及非线性校正，并保存结果。当传感器系统收到中央处理单元的接收数据指令时，DSP开始发出当前温度值；当收到中央处理单元的中断或屏蔽指令时，DSP锁存当前温度值不进行发送操作。特别需要关注的是，发动机温度传感器是双余度设计的，系统会自动将计算中得到的两个温度值中的大者作为有效频率值。如果两值相差超过值大者的10％，一方面选择出有效值的，另一方面输出传感器故障信号。

3　光纤传感器

英国Cranfild大学开发的一种基于光纤结构的传感器系统，目的是进行飞机发动机结构损伤监控。该传感器直径约为200——230um，可以通过以下实验来解释光纤传感器的原理：在将传感器固定在铝样品表面或嵌入碳纤维／环氧树脂复合材料样品来进行空间光斑检测的理论分析和实验检测时发现，当连续光射入多模纤维时，在光纤末端会形成木纹状干涉图像。但是如果结构发生损伤时，外部的干扰就会施加到光纤上，对光纤产生影响，导致散斑出现变化(此时光斑的总强度不会发生改变)。实践中用这种原理来对结构的损伤状况进行检测。

与传统的电子传感器相比，光纤传感器具有重量轻、体积小、价格低等优点，同时在材料特性上具有不受电磁干扰、无电流放电和闪电现象、对很多参数敏感。另外光纤内部传输的光的强度、相位、偏振和频率等都能改变。正是因为光纤传感器重量轻，体积小，灵敏度高的特点，可以方便的嵌入飞机发动机内部或者贴附在表面，而不影响发动机结构完整性和载体材料内部特性。可以在检测振动特征的同时而不破坏飞机结构。此外，光纤传感器还有传感距离长，传感面积大的优点，与复合材料相容性极好，光纤传感器嵌入智能复合材料后可以对服役条件下的飞机发动机结构进行很好的监控。

4　发动机转速传感器

转速传感器的原理如下：发动机低压转子转速N和高压转子转速M是涡扇发动机电子——液压控制系统的主要参数。在发动机最大状态控制计划、加力状态控制计划、训练——战斗状态控制计划、慢车状态控制计划以及启动状态控制计划中。N和M都是两个重要的参数。转速传感器输出的是方波电流信号，在负载电阻R与负载电容C上形成电压频率信号，需要指出的是转速传感器输出的是转动频率F(Hz)，然后经过转速转换公式进行转速测量。

实践中用转速传感器信号代替FADEC系统能够实现信号馓励、A／D转换、数字滤波、线性化测量等一些常用性能。同时同步实现数据传输以及状态信息的收发操作，它一方面可以减轻整个发动机控制系统；另一方面转速传感器的这种结构设计可以把FADEC系统从执行低级功能的状态中释放出来，更有空间执行复杂的控制算法，从而提高发动机的动态特性和整体性能。

5　结语

与传统的传感器比较不难发现，采用数字信号的只能传感器取代了原有的电压或电流标准信号，提高了感应信号传输的可靠性，提高了信号传输的抗干扰能力。又因为智能传感器的总线采用的标准是统一的，使系统更的开放性和通用性更加完善。智能传感器带有标准的数字总线接口的特点，保证了传感器能够自己管理自己。它将所检测到的信号经过变换处理后，通过有形和定量的形式表现出来，因此智能传感器的研究具有广阔的发展前景。

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