飞机发动机振动传感器标定装置的设计.docx
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飞机发动机振动传感器标定装置的设计
飞机发动机振动传感器标定装置的设计
同济大学东方贱人
摘要：
飞机状态与其发动机工作状态关系密切，据有关资料表明：
飞机发动机80%的故障因振动引起。
因此飞机上都配有振动监测装置——振动传感器，振动传感器的精度对航空发动机的安全工作起着非常重要的作用。
在本文中，针对振动传感器设备研制了一种基于LabVIEW的振动监测装置的标定装置。
研制的振动传感器标定装置，可以发动机机载振动传感器的性能参数和技术指标进行检测，该设备在内、外场均可使用，是检测和维修的必备设备。
研究了振动测量原理和设备标定原理，针对飞机发动机振动传感器标定装置的各项需求和指标进行了分析。
重点研究了离位振动传感器测试方法。
飞机发动机振动传感器标定装置的硬件电路，重点介绍了离位检测电路。
上位机软件平台采用LabVIEW，其软件设计是该系统的核心部分，包括数据采集系统、传感器自标定模块。
最后通过实验分析确定了各个频段的标定系数，进行了离位测量试验，所研制的标定装置已用于实践，并取得了良好的效果。
关键字：
发动机;振动;标定;传感器；虚拟仪器；信号处理
Designofcalibrationdeviceforaircraftenginevibrationsensor
Abstract：
Aircraftstatusiscloselyrelatedtotheengineworkingstate,accordingtotherelevantdatashowthat:
80%oftheaircraftenginefailureduetovibrationcaused.Therefore,theaircraftareequippedwithvibrationmonitoringdevice-vibrationsensor,theaccuracyofvibrationsensoronthesafetyoftheaircraftengineplaysaveryimportantrole.Inthispaper,acalibrationdeviceofvibrationmonitoringdevicebasedonLabVIEWisdevelopedforvibrationsensorequipment.
Thecalibrationdeviceofvibrationsensorcanbeusedtotesttheperformanceparametersandtechnicalparametersoftheairbornevibrationsensor,whichcanbeusedinthefield.Itisanecessaryequipmentforthedetectionandmaintenance.
Theprincipleofvibrationmeasurementandequipmentcalibrationarestudied,andtherequirementsandtargetsofthecalibrationdeviceforaircraftenginevibrationsensorareanalyzed.
Aircraftenginevibrationsensorcalibrationdevicehardwarecircuit,fromthepositiondetectioncircuit.PCsoftwareplatformbasedonLabVIEWisintroduced.Andthesoftwaredesignisthecorepartofthesystem,includingdataacquisitionsystem,sensorselfcalibrationmodule.Finallythroughexperimentalanalysistodeterminethecalibrationcoefficientofeachband,wereoutofpositionmeasurement,thedevelopmentofcalibrationdevicehasbeenusedinpracticeandachievedgoodresults.
Keywords:
engine;vibration;calibration;sensor;virtualinstrument;signalprocessing
目录
第一章绪论1
1.1课题的研究背景和研究对象1
1.2课题研究的目的及意义1
1.3论文主要内容的国内外研究现状2
1.3.1振动传感器标定装置的国内外研究现状2
1.3.2振动检测的国内外研究现状2
1.4论文的主要工作3
第二章飞机发动机振动检测方法与设备的标定3
2.1飞机发动机振动测量原理3
2.2飞机发动机振动传感器的标定7
2.2.1标定的内容7
2.2.2标定的方法7
2.2.3标定的作用8
2.2.4标定的步骤8
2.3本章小结8
第三章飞机发动机振动传感器标定装置的功能设计和测试方法9
3.1飞机发动机振动传感器标定装置的功能设计9
3.1.1功能模块设计9
3.1.2飞机发动机振动传感器标定装置的性能指标10
3.2飞机发动机振动传感器标定装置的方案设计11
3.2.1飞机发动机振动传感器标定装置的系统方案11
3.2.2标定系统11
3.3飞机发动机振动传感器标定装置的测试方法12
3.3.1离位振动检查仪测试方法12
3.4小结14
第四章飞机发动机振动传感器标定装置的设计14
4.1飞机发动机振动传感器标定装置的硬件设计14
4.1.2振动标定装置传感器的简介16
4.2飞机发动机振动传感器标定装置的软件设计16
4.2.1LabVIEW简介16
4.2.2系统功能模块的划分19
4.3小结22
第五章总结22
5.1总结22
5.2技术成熟程度及推广应用前景23
5.3存在的问题及展望23
致谢24
参考文献25
第一章绪论
1.1课题的研究背景和研究对象
标定仪器具有两重含义：
使用标准的计量仪器来对所使用的仪器的精度来进行检测是否符合标准；对仪器进行校准。
仪器设备出厂前进行标定为了保证设备测量数据可靠，定期检查标定仪器实在仪器长期使用后，为了使仪器能够保持良好的测量状态。
振动是工程应用中常见的研究问题，60%以上都是采用振动检测来进行设备的状态检测和故障诊断[1][2]，振动传感器的精度需要通过标定设备来保证，所以振动传感器的标定装置的研究格外重要。
飞机发动机作为飞机的“心脏”，是飞行所需动力的产生部件，也是执行战斗任务的核心支撑部件，发动机的性能，直接影响着飞机的状态。
有关资料显示：
80%的发动机的故障由振动引起，所以发动机都配有振动传感器设备，而保证这些发动机传感器的精度对飞机的安全工作起到至关重要的作用。
本文中针对飞机发动机振动传感器研制了一种基于LabVIEW的振动检测设备的标定装置。
1.2课题研究的目的及意义
振动传感器在制造、装配完毕之后必须对其指标进行一系列实验，已确定传感器的实际使用性能：
在经过一段时间的使用或者检修之后，也必须定期对传感器的主要技术指标重新进行校准验证，从而确保传感器能够长时间达到使用指标[3]。
飞机发动机是一种复杂的高速旋转的机械结构，工作转速往往高于临街速度，转子的不平衡以及气流不稳定等容易导致发动机的全方位周期振动和复杂的随机振动。
因此，保证飞机飞行的安全，实时监测飞机发动机的振动状态显得非常重要[4]。
飞机发动机的振动是靠振动加速度检测系统来实现振动信号的检测和记录的，每套系统由振动速度传感器、振动加速度放大器、振动加速度指示器及照明控制电路组成，每套系统独立检测一台发动机的振动状态。
飞机发动机振动检测设备担负着监控`发动机振动状态的任务，性能好坏直接关乎飞行安全，因此对这些发动机振动检测设备的工作状态进行检查及标定是必不可少的工作。
本文中，任务是设计飞机发动机振动传感器的标定装置，它可以对飞机发动机振动传感器的性能参数和技术指标进行标定，该设备在内外场均可使用，是检测和维修振动传感器的必备设备。
1.3论文主要内容的国内外研究现状
1.3.1振动传感器标定装置的国内外研究现状
在航空发动机的使用过程中，工作者已经意识到要将发动机的性能指标和故障率联系在一起，然而，只有在飞机发动机进入工作状态后，才能对其性能进行监控和标定。
最早的振动系统标定装置是传统机械式的频响标定系统，其系统示意图如图1-1所示，其中信号发生器产生振动信号，功率放大器来驱动振动台振动，而被测传感器以及标准传感器的输出信号则由信号电路来采集。
因为该系统采用机械式结构，所以存在许多缺点。
近年来国内外正在发展许多振动传感器数字化标定的方法，如武汉科技大学研发了船舶柴油机振动检测和故障诊断的柴油机微机诊断系统的标定装置，对于数字化标定方法主要是理论研究。
1.3.2振动检测的国内外研究现状
我国出现发动机检测技术是在六十年代初期；在七十年代，汽车性能综合监测台、发动机综合检测仪等设备开始出现，但是数量有限，性能不完善。
到了八十年代，汽车工业的发展带动了发动机检测诊断技术的发展。
2000年以后，我国开始加大对航空发动机的研究，在这十多年的不断研究中，振动测试技术已经取得巨大进步。
20世纪50年代以前[5]，分析振动信号的技术主要使用模拟分析方法；50年代后，大型数字计算机开始应用于振动信号的分析；60年代后[6],随着人类探索领域的加深,航天、航海、海下探测、军事等各个领域都提出对信号分析速度计分辨率能力更高的要求，美国的J.W.Cooley和J.Q.Tukey在1965年提出了FFT计算方法，大大节省了计算量，随着数字信号处理技术的发展，获得了非常广泛的应用。
1.4论文的主要工作
（1）分析振动检测设备的工作原理；
（2）归纳振动检测设备传感器的标定的方式；
（3）设计传感器标定设备；
（4）检测标定设备功能；
（5）搭建了基于LabVIEW的振动标定装置;
第二章飞机发动机振动检测方法与设备的标定
振动是机械设备运行过程中不可避免的现象，它影响仪器或传感器的寿命、精度和可靠性。
机械、零件、机构等组成部分都会产生振动，因此测量和分析振动对于机械动力学的工程应用有着非常重要的意义。
发动机作为飞机重要的部件，由于发动机结构中存在各种部件及系统，会产生各种作用力。
因此发动机的振动主要有着形态复杂、宽频带、多振源特点。
目前国内外的计量部门对振动传感器的标定主要采用手工操作仪器与计算机数据处理相结合的方法。
2.1飞机发动机振动测量原理
随机振动是非确定性振动，可分为平稳随机振动和非平稳随机振动。
平稳随机振动又包括着各态历经的平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动。
图2-1所示时间历程的振动信号。
由于振动的复杂性和测量现场复杂，在用电测法进行振动测量时，测量系统是多种多样的。
一般的振动测量系统通常由激振、拾振、中间变换电路、振动分析仪器及显示记录装置多构成。
如图2-2。
（1）测振传感器
测振部分是振动测量仪器的最基本的部分，其性能往往决定整个仪器或系统的性能。
由线性系统的叠加原理得，振动的响应是振动系统测振部分对各个谐振动的叠加。
例如惯性式测振传感器，振动系统的振动是由载体的运动所引起的，如图2-3所示，设载体的绝对位移为z1，质量块妈的绝对位移位为z0,则质量块的运动方程为[7-10]:
质量块m相对于载体的相对位移为：
z01=z0-z1（2-2）
则上式可改写为：
设载体为简谐振动，即z1（t）=z1msinwt，则式（2-3）可写成：
考虑以下几种情形下的响应特性：
z01相对于载体振动位移z1，此时相当于测振仪处于位移工作状态下，此时幅频特性和相频特性分别为：
其幅频特性曲线如图2-4所示。
z01相对于载体振动速度，此时相当于测振仪处于速度计的工作状态下，此时幅频特性和相频特性分别为：
其幅频特性曲线如图2-5所示。
z01相对于载体振动速度，此时相当于测振仪处于速度计的工作状态下，此时幅频特性和相频特性分别为：
其幅频特性曲线如图2-6所示。
I.测振仪在不同的工作状态下，有效的工作区域是不相同的；
II.阻尼比的取值对测振仪幅频特性和相频特性有比较大的影响。
激振器
激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，使试件受可控的、按预定要求振动的装置。
为减少激振器质量对被测系统的影响，应尽量使激振器体积小、重量轻。
振动分析仪器
常见的振动分析仪器有测振仪、频率分析仪、FFT分析仪和虚拟频谱分析仪。
2.2飞机发动机振动传感器的标定
传感器或仪器在制造、装配完毕之后必须要对其设计的指标进行一系列的全面检测，来确定传感器或仪器实际使用性能的优劣，整个过程便是标定的过程。
仪器设备或传感器经过一段时间的使用或检修之后，还必须对传感器或仪器设备的主要的技术指标重新再进行校准实验，从而确保仪器设备或传感器能够长时间达到使用指标。
2.2.1标定的内容
现在振动测量系统的标定主要分为两方面：
传感器的标定——将振动的机械量（表振动的机械量有位移、速度和加速度）转换为电信号（电压、电流或电荷量），这样来确定传感器的灵敏度，以及传感器一些动态响应参数；各种电子器件的标定——将传感器输出的电量经过放大、滤波、读数、分析、记录等信号调理电路，让整个测量系统的测量输出结果更直观的表现，对于电子器件的性能标定，一般采用标准信号源和高精度的电压表来标定。
2.2.2标定的方法
标定的方法：
将已知的被测量（即标准量）输入给待标定的传感器，同时得到传感器的输出量，对得到的传感器的输入量—输出量进行处理以及比较分析，从而可以得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而便可得到传感器的性能指标的实测结果。
目前标定传感器主要是绝对法和相对法：
比较标定法
比较标定法是目前常用的实现标定的方法：
将传感器与标准传感器放于同样的激励环境下，通过它们输出差别来评价被测传感器的响应特性。
该方法适用于常规生产中或者工程应用中，其精度可达到2%左右。
在对传感器进行比较标定过程中，标准传感器与被测传感器是刚性连接或者背靠背地安装在振动台上，这样，标准传感器与被测传感器就会受到相同的振动激励。
绝对标定法
绝对标定法是以标准质量参照物在激励环境下为目标，该目标一般是用于高精度传感器或标准传感器的标定。
一般情况下，绝对标定法比比较标定法的实施更加复杂而且成本也更高，但其标定精度很高，一般都小于0.5%，所以有些测试结果只能采用绝对标定法才能得到。
2.2.3标定的作用
对传感器进行标定的主要作用有以下四点:
（1）确定测量系统的输入一输出关系，赋予测量系统分度值;
（2）确定测量系统的静态特性指标;
（3）消除系统误差，改善系统的正确度;
（4）在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。
2.2.4标定的步骤
传感器的标定由静态标定和动态标定构成，静态标定的一般步骤为:
（1）将传感器的全量程分成若干等间距点;
（2）根据传感器量程分点情况，从小到大、逐点递增输入标准量值，记录下与各点输入值相对应的输出值;
（3）将输入量的值从大到小逐点递减，并记录下与各点输入值相对应的输出值;
（4）按上述步骤
（2）,（3）所述的过程，对传感器进行正反行程往复循环多次（一般为3-10次）测试，将得到的输出一输入测试数据用表格列出或画成曲线;
（5）对测试数据进行数据处理，输入己知的标准量测出传感器输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，并计算传感器的灵敏度、线性度、滞后和重复性等静态特性指标。
传感器的动态标定：
通过实验来得到传感器的动态性能指标，其确定方法往往因传感器的类型不同而不一样，原理上一般可以分为阶跃信号响应法、正弦信号响应法、随机信号响应法和脉冲信号响应法等。
2.3本章小结
本章主要介绍了飞机发动机振动测量的原理及测量系统的组成结构、振动测量的常用方法、和设备标定的内容与步骤，为后续的实验系统的搭建、测量实验的实现以及实验数据的处理与分析提供了理论依据。
第三章飞机发动机振动传感器标定装置的功能设计和测试方法
3.1飞机发动机振动传感器标定装置的功能设计
飞机发动机振动传感器标定装置综合采用微电子技术、传感器技术、计算机总线技术研制，具备重量轻、体积小、性能可靠和使用便捷特点，并且在内、外场均可使用。
它具有振动仪试验器和振动速度检测系统综合检查仪的功能，能产生测试振动传感器所需的模拟信号，能够完成技术规范和工艺卡规定的性能参数测量。
该设备是完成通机300小时、900小时、1800小时的定检工作，以及发动机振动检测系统使用、维护工作中必不可少的测试工具。
3.1.1功能模块设计
振动信号发生系统、振动信号采集处理系统和专用适配接口组成飞机发动机振动传感器标定装置。
如图3-1所示。
振动信号发生系统包括标准振动台、功率放大器和振动信号发生器。
振动信号采集系统包括标准振动加速度计，振动信号采集卡和专用夹具。
专用接口适配器包括各种电缆接口、航空插头及附件。
笔记本处理器是控制程序的安装和运行载体，同时也是显示测试结果和调试、记录、储存测试结果的面板；主机由机箱、电源、测试接口和主控电路板组成。
机箱用于安装测试接口、电源和电路板，采用三防结构，方便使用，、运输和储存;控制面板是安装测试电子组合、振动加速度放大器、振动传感器、振动速度传感器和指示器等部件连接的接口和通讯接口;电源提供仪器或被测部件工作所要求的各种电压、电流（恒压源、恒流源）;主控电路板是整个仪器的核心，它由cDAQ-9172、函数发生器9265、信号采集器9215、9234和精密电阻、信号调理电路等构成，来产生、测试各部件的信号，并进行处理并输出;电缆来连接仪器和各部件。
电动振动台可提供频率、幅度和加速度可控的模拟振动，进行振动传感器的离位测试。
飞机发动机振动检测设备标定装置能够完成通机机载振动检测系统33个UUT的测试诊断与故障隔离。
具体的功能如下:
（1）检查飞机发动机振动检测系统振动传感器原位阻值性能;
（2）检查指示器振动指示值的正确性及调节;
（3）调节电子组合的放大系数;
（4）检查振动传感器的灵敏度系数;
（5）检查指通机机载振动速度传感器、振动加速度放大器、振动加速度指示器所需的全部信号。
3.1.2飞机发动机振动传感器标定装置的性能指标
为了保证仪器测量数据的可靠性，仪器出厂前都需要进行出厂标定，使得传感器有一个合适的量级输出读数;在传感器长期使用时，性能指标也会因为长期工作环境影响而发生改变，因此对于长期使用的传感器需要对其进行定期的检验，来保证仪器能够长期处于良好的工作状态。
飞机发动机振动传感器标定装置的性能指标包括灵敏度、频率、相位特性等。
（1）灵敏度的标定
灵敏度S：
指输出电量与输入振动物理量之比。
表征振动的物理量有位移、速度和加速度这三个参量，根据表征的物理量可以分别计算出灵敏度。
（2）频率响应
频率响应可以用专门的频率分析仪来进行测量。
如丹麦公司生产的B&K测振仪，由一系列的仪器配套组成频率响应测量装置。
（3）相频特性
相频特性：
指测振传感器在不同的频率下其输入振动量与输出电量之间的相位差。
相频特性用电子示波器来确定，也可用相位计直接测量。
（4）动态范围
动态范围：
传感器的灵敏度呈线性输出的范围，其测量的上限一般是由传感器的结构特性决定的。
3.2飞机发动机振动传感器标定装置的方案设计
3.2.1飞机发动机振动传感器标定装置的系统方案
据调研所掌握的资料，并且认真总结各方面意见的基础上，对发动机振动传感器工作过程进行了详细的分析、比较、验证，确定了飞机发动机振动传感器标定装置的总体研制方案。
主要是研制振动速度传感器、振动加速度放大器、振动加速度指示器及照明控制电路的测试设备。
振动信号的离位检测包括振动信号发生系统，振动信号采集和处理系统、振动信号检测和显示系统。
据系统方案和具体的机型型号进行具体的设计，主要包括以下部分:
（1）振动信号发生系统
进行离位检测时，需要提供标准振动源，该振动源能够代表和模拟发动机的真实的振动情况，并且能够智能控制，本项目采用电动振动台和配套的功率放大器组合系统来模拟飞机发动机的振动源;同时制作了专用夹具将振动传感器与振动台刚性连接，构成了一套完整的离位振动测试系统。
该方案的关键点在于振动台的准确控制与连续控制，该项目采用了目标振级逐次逼近控制法，按照无限微小步进来实现振动系统的连续控制。
（2）振动信号采集系统
不论是原位还是离位检测，都需要振动信号采集系统。
原位检测时，直接采集机载电子组合输出的电信号；离位检测时，振动采集系统需要承担振动源信号的实时检测和差分稳频功能，即同时采集振动标准传感器及被测振动传感器的输出信号，一方面校准和修正振动标准信号，另一方面还需要检测被测传感器的灵敏度系数指标。
（3）振动信号处理和显示系统
振动信号处理和显示系统主要是指用户交互窗口，不同机型的表现方式不
同，包括相对振动百分比和振动加速度a值。
3.2.2标定系统
系统的标定是保证测量仪器正常工作必不可少的重要环节，它是一个标准量衡量自身并进行调整的过程，该课题研制的标定系统是对信号频率敏感的系统，其主要体现在:
（a）振动传感器对于不同频率振动信号的灵敏度可能存在着微小差异;
（b）隔直电路对不同频率信号的不同影响。
该标定装置的工作频率范围在O-SOOHz之间，对每一个点进行标定是不切
实际的，所以在软件标定中使用了分段折线拟合的方法。
系统每隔50Hz设置一个标定点，即0HZ,50HZ、...、450Hz,500Hz,共10个标定数据区间，若被测频率介于两个频率之间，可用直线拟合的方法来求解出标定系统。
系统的标定模型如图3-2所示：
标定过程中，将振动测量仪的传感器B与标准振动传感器A叠在一起并固定在激振台上，激振台产生指定频率的振动信号。
振动传感器A接到电压测定仪，振动传感器B连接到测量仪器，测量仪切换至标定界面。
然后调整标定系统，使振动测量仪的输出与标准振动传感器的测定值相接近。
将激振台的频率调整为指定的频率，依次按照上述过程标定求解出每一个频率点的标定系数。
最后选择任意的频率点，对使用拟合标定系数的振动量进行确认。
实践证明，这种方法实现的标定，操作简单且标定精度满足用户的要求。
3.3飞机发动机振动传感器标定装置的测试方法
3.3.1离位振动检查仪测试方法
一离位检测工作原理：
离位检测：
在维修、更换机载振动检测系统，在内场将检测系统的部件进行检测，以确保组成系统的各个部分性能完好和指标的准确。
离线检测包括两部分。
一是检测振动传感器的性能，主要是测试传感器的灵敏度系数和零点漂移;测试原理是控制标准振动台，使其按照设定频率和幅度输出振动信号，并将被测传感器与标准传感器“背靠背”刚性连接，然后通过标准传感器和被测传感器的输出信号，计算出被测传感器的灵敏度系数，即线性度。
标准传感器的加装不仅是为了保证振动
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