在飞机的飞行过程中， 飞机发动机的进气道进口， 存在着速度、温度以及压力分布的不均匀性， 其引起的进气道/发动机相容性问题， 均可造成发动机性能降低、喘振， 甚至引起发动机空中停车等严重飞行事故。
以下为本篇论文正文：
摘 要： 针对某飞行台某被试发动机试验要求， 设计研发了一套被试发动机进气道畸变信号调理系统。介绍了该动态压力测量的原理， 完成了直流放大系统及交流放大系统的电路设计， 实现了对进气畸变动态压力信号的预处理， 可以为后续不同型号发动机进气道畸变调理器设计提供参考。
关键词： 进气道畸变； 飞行台； 调理器；
Abstract: According to the test requirements of a certain test engine on a flight platform, a set of conditioning system of signals for the intake port distortion of the tested engine was designed and developed. The principle of the dynamic pressure measurement is introduced, the circuit design of the DC amplification system and the AC amplification system is completed, and the preprocessing of the input air distortion dynamic pressure signal is realized, which can provide reference for the design of the distortion adjuster of different engine intake ports.
Keyword: intake port distortion; flight station; regulator;
1、 概述
在飞机的飞行过程中， 飞机发动机的进气道进口， 存在着速度、温度以及压力分布的不均匀性， 其引起的进气道/发动机相容性问题， 均可造成发动机性能降低、喘振， 甚至引起发动机空中停车等严重飞行事故。所以对进气道进气畸变的检测， 是实施进气道发动机所具有的相容方面的性质进行有效评估的必要步骤。对于进气道畸变检测系统来说， 传感器以及其信号调理设备是其不可或缺的组成元件， 对测试系统进行有效分析的大部分任务都是在准确获得被测信号的基础上进行的， 测量准确是整个系统动态特性的关键环节， 占有重要地位。
由于进气气流脉动频率分布的复杂性， 使得对于进气道动态压力数据测试具有精度高、采样率高的特点。用于动态压力测量的传感器输出通常为微弱速变信号， 因此在后续的信号采集过程中， 需要对微弱动态压力信号进行预处理， 实现信号的交直流分离、信号放大， 滤波和桥压激励， 以使其匹配采集器的信号采集范围， 便于后续的采集处理， 该部分工作主要通过进气道畸变调理器来实现。本文基于某型号发动机飞行试验台进气畸变测试系统， 从工作原理和所设计的电路方面介绍了进气道畸变动态压力测量调理系统， 验证了其工作可靠性。
2、 系统设计
2.1、 动态压力测量调理系统
进气道畸变测量是一种场信号采集， 是通过在进气道出口加装稳态、动态压力传感器， 在进气道与发动机的气动界面上测量进气道出口总压畸变， 以便解决流场畸变获得可靠数据。用于动态压力测量的传感器输出通常为0V~100m V±10m V, 频谱范围0~2000Hz的微弱速变电压信号。为了实现对于该信号的采集及分析处理， 需要针对信号本身进行进一步的调理， 在保证其频谱范围的基础上， 完成信号的滤波及与采集器的匹配。整个信号调理过程包括信号的交直流分离、信号放大， 滤波和桥压激励。其实际的信号处理过程对应一个交流测试通道和一个直流测量通道， 如下图1所示， 交流通道测量动态分量信号， 从直流通道全压力信号中提取， 经过隔离和进一步放大处理得到；直流通道用于全信号测量及动态压力信号在地面的检查及标定。整个信号调理系统采用4路差分输入， 系统采样频率2000Hz, 桥压激励10V, 各通道独立输出， 具备短路保护功能。整个系统关键点在于信号的提取及处理， 对调理器的要求比较严格， 包括高精度的信号放大， 严格的通道一致性， 合理的频域分解等等方面。
图1 动态压力测量工作原理图
2.2、 直流信号放大系统
直流通道用于全信号测量及动态压力信号在地面的检查及标定， 整个电路分为信号的直流放大及滤波两个部分， 其电路原理图如图2所示。
图2 直流放大电路原理图
图3 直流放大电路滤波仿真结果
由放大器INA101M实现对于直流信号的放大， IN-A101采用双电源±12V供电， 放大增益=1+40K/R3.由于信号直流幅度最大大约在110m V, 因此放大倍数设为45倍， 直流放大输出信号0~4.95V, 增益电阻值909Ω， 运算放大器A2用来调零。由于巴特沃思滤波器具有最大平坦幅度响应特性， 其在线性相位， 衰减斜率和加载特性方面具备特性均衡的优点， 系统采用由两个放大器电路串联组成的4阶巴特沃思低通滤波器实现信号滤波， 具体电路如图2所示。调零运放和滤波运放都采用低电流噪声、输入失调和输入偏置电流的AD704, 温漂1μV/℃， 单电源5V供电。采用滤波器仿真软件对直流放大电路进行了仿真， 结果如图3所示， 系统频响0~2000±20Hz, 40~1200Hz通带内波动≤0.1d B, 带外衰减-6d B/倍频程， 满足后续信号采集及处理要求。
2.3、 交流信号放大系统
交流通道用来测量动态分量信号， 其信号在直流放大、滤波后直接输出， 放大电路采用电容耦合在直流放大器之后， 通过进一步的2次放大、滤波， 完成对信号的预处理， 其电路原理图如图3所示。
其中， C1用来隔直， R1提供直流偏置电流。由放大器INA101M实现对于直流信号的放大， 系统增益=1+40K/R3, 由于系统交流幅度大约在±10m V, 前级放大45倍后， 约为±450m V, 因此交流部分放大倍数设为5倍， 放大到±2.25V, 增益电阻值为10kΩ， INA101采用双电源±5V供电。A2用来调零。信号滤波则采用2阶巴特沃思高通滤波器， 与前级低通滤波器组成带通滤波器， 具体电路如图4所示。调零运放和滤波运放都采用低电流噪声、输入失调和输入偏置电流的AD704, 温漂1μV/℃， 单电源5V供电。采用滤波器仿真软件对交流放大电路进行了仿真， 结果如图5所示， 系统频响1±0.2Hz~2000±20Hz, 40~1400Hz通带内波动≤0.1d B, 带外衰减-60d B/倍频程， 满足后续信号采集及处理要求。
图4 交流放大电路原理图
图5 交流放大电路滤波仿真结果
3、 结束语
本文针对某飞行台某型被试发动机试验要求， 设计研发了一套被试发动机进气道畸变信号调理系统， 以实现对某发动机实验过程中进气畸变脉动压力信号的前期预处理。经实验室调试试验及20多架次的飞行试验证明， 该系统性能可靠， 系统精度， 滤波特性及频谱响应特性均满足测量及后续数据采集处理分析要求， 可以为后续不同型号发动机进气道畸变调理器设计提供参考。
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