振动监测

袁雪松++皮骏

[摘 要]为了监测航空发动机的运行状态，设计一套针对双转子涡轮风扇发动机的振动信号监测系统。监测系统包括输入、运算和输出三个部分。输入部分主要由振动通道构成，采用多通道同时对振动信号进行放大，针对不同航空发动机和不同的振动传感器自由选择放大倍数，滤波器采用Butterworth低通滤波器，其设计简单、通带衰减平缓、性能稳定，适合于此系统。

[关键词]航空发动机；振动信号；放大；滤波

中图分类号：V217.39 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0330-02

1 振动通道的设计

1.1 振动通道数量的确定

在双转子涡轮发动机的风扇机匣、进气机匣、涡轮机匣、发动机前安装节和后安装节处各安装两个振动传感器。各处安装两个传感器是为了防止其中一个传感器损坏或相应电路通道失效后，仍有另一组信号传输至振动监测硬件系统，保证系统运行，故需要10组振动通道。另外在过程量通道处设计有两组积分振动通道，在需要的时候可以将振动通道中10组中任意一组振动信号接入积分通道完成积分运算。

1.2 单通道内信号放大

传感器的输出信号需经过电压放大后再进行滤波，之后进行A/D转换。信号放大将采用运算放大器实现。放大方式采用反向放大方式，由运算放大器和电阻组成反向放大器。根据运算放大器“虚短”和“虚断”原理知：

为了保证信号强度可以实现A/D 转换，将单通道内信号分为多组进行放大，通过多组不同的反向放大器，初步设定放大值为-0.5、-1、-5、-25、-125。任意一组振动信号可对放大到上述任意一个放大倍数。

1.3 单通道内信号放大后的通道切换

为了顺利将多组放大后的信号中的一组选用并进行滤波，采用CMOS模拟多路复用器进行线路选择。CMOS模拟多路复用器选用Intersil公司的DG408。接入放大值分别为-0.5、-1、-5、-25、-125的不同信号，接地，GND接地，D端连接后端的滤波器以及其他元件。、、和EN接入数字信号，和分别接+5V与-5V。

2 低通滤波器的设计与仿真

经由CMOS模拟多路复用器选择后的信号分为三组信号经不同频率的有源低通滤波器，之后再经过另一个CMOS模拟多路复用器选择低通频率，输出至A/D转换。滤波器采用巴特沃斯（Butterworth）型滤波器，三组有源低通滤波器截止频率分别为10kHz、2kHz 和500Hz。

10KHz巴特沃斯低通滤波器设计要求其通带截止频率（），通带衰减；阻带截止频率（），阻带衰减。

利用MATLAB软件绘制其特性曲线，如图1、图2所示。从幅频特性图可看出所设计的低通滤波器在时信号幅值开始明显下降，到时信号幅值趋近于零。从信号衰减特性图可看出信号衰减为零并开始衰减，时信号衰减28dB，其通带和阻带截止频率处衰减值均优于设计指标。

2kHz和500Hz巴特沃斯低通滤波器要求其通带截止频率、，通带衰减均约等于1dB，阻带截止频率、，阻带衰减约大于25dB。

同理获得2kHz和500Hz巴特沃斯低通滤波器传递函数：

利用MATLAB 软件绘制其特性曲线，如图3～图6所示。从幅频特性图（图3、图5）中可以看出信号的幅值在设计频率附近开始衰减；从信号衰减特性图（图4、图6）可看出通带截止频率处衰减为1dB左右，阻带截止频率处衰减为28dB左右，符合设计要求。

4 总结

航空发动机的振动信号监测硬件系统的振动通道部分已设计完成。振动信号经传感器输出至由运算放大器组成的放大电路进行分组放大，各组放大倍数不同，由模拟多路复用器选择所需要的放大信号进行分组滤波处理，各组滤波器参数不相同，同样由模拟多路复用器选择滤波后的振动信号进行后续处理。

参考文献：

[1] 王志.航空发动机整机故障诊断技术研究[D].沈阳航空工业学院，2007，1：3

[2] 孙海东，傅强.航空发动机振动监测研究[J].机械设计与制，1001-3997（2007）02-0127-02.

第一作者

袁雪松，（1985-05），安徽合肥，本科，南京理工大学，工程师，研究方向：发动机。

第二作者

皮骏，副教授，主要研究领域：转子振动和流体力学的研究。