某俄制飛機發(fā)動機振動儀性能試驗器的設計與實現(xiàn)

飛機發(fā)動機的渦輪轉子或螺旋槳，雖然經(jīng)過嚴格平衡調整，在轉動中依然存在著或大或小的振動現(xiàn)象，不但會使發(fā)動機的能量消耗增加，還會使零件疲勞損傷、軸承加速磨損、發(fā)動機壽命縮短[1]。因此，近代飛機上都裝有發(fā)動機振動儀用于測量發(fā)動機的振動速度或加速度。

在購買某型號俄制飛機時，隨機配備有發(fā)動機振動儀試驗器，但由于年久失修，已經(jīng)無法對發(fā)動機振動儀性能進行測試，而目前國內又沒有替代產(chǎn)品，所以只能憑經(jīng)驗判斷發(fā)動機振動儀工作是否正常，給飛行帶來了安全隱患。本文提出一種可對該發(fā)動機振動儀性能進行精確測試的試驗器，功能可以完全替代俄制設備，實現(xiàn)了對發(fā)動機振動儀的正常維護。

1 試驗器的組成及基本工作原理

發(fā)動機振動儀試驗器由單片機、開關電源、電壓隔離傳感器、傳感器信號模擬電路、繼電器驅動電路、顯示驅動和按鍵檢測電路、顯示器和按鍵以及信號轉換接口組成，如圖1所示。

單片機通過按鍵檢測電路獲取按鍵的狀態(tài)，得到操作者的意圖。經(jīng)過繼電器驅動電路控制繼電器組中相應的繼電器進行轉換，將傳感器信號模擬電路產(chǎn)生的信號、115 V 400 Hz交流電源和27 V直流電源加到發(fā)動機振動儀上，將振動儀輸出的信號接到信號轉換接口。單片機對信號轉換接口輸出的信號和電壓隔離傳感器輸出的信號進行測量和處理，并將結果顯示在顯示器上。

2 硬件設計

2.1 單片機及繼電器驅動電路

單片機采用的C8051系列的F021型單片機[2-3]具有4 352 B的內部存儲器，8路12 bit A/D轉換器，32個I/O接口和5個捕捉/比較模塊。利用8路12 bit A/D轉換器可以對信號轉換接口和電壓隔離傳感器輸出的電壓信號進行測量。利用32個I/O接口可以非常方便地經(jīng)過繼電器驅動電路對繼電器組上的繼電器進行控制。利用單片機的捕捉/比較模塊可準確地對傳感器信號模擬電路輸出信號的頻率進行精確測量。

由于單片機的32個I/O接口輸出電流不能直接驅動繼電器，所以在單片機的I/O接口與繼電器之間增加了繼電器驅動電路。該驅動電路由2003A繼電器驅動芯片構成。每片2003A包含7個三極管，可驅動7個繼電器。

2.2 顯示驅動和按鍵檢測電路

顯示驅動和按鍵檢測電路采用HD7279芯片。該芯片具有通信接口，可同時驅動8位共陰極數(shù)碼管，同時還可連接64鍵的鍵盤矩陣[4]。單片機可以將要顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送給HA7279芯片，由HA7279芯片直接驅動數(shù)碼顯示器。一旦有按鍵按下，HA7279芯片會產(chǎn)生中斷請求信號，單片機通過接收HA7279芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)，即可知道按下的按鍵。

2.3 信號轉換接口

發(fā)動機振動儀工作時，輸出兩路0～200 μA的電流信號，兩路0～5 V的電壓信號和兩路27 V開關量信號。由于單片機的A/D轉換器的參考電源為+2.5 V，所以需將上面的電流信號和電壓信號轉換為0～2.5 V的電壓信號。0～200 μA的電流信號可以直接加到一個阻值為12.5 kΩ的精密電阻上即可實現(xiàn)轉換。由于0～5 V電壓信號的輸出阻抗非常大，所以需要加一級由運放構成的跟隨器，然后再由一個電阻分壓電路變換為0～2.5 V的電壓信號。為了避免單片機的工作電源與發(fā)動機振動儀的27 V共地，兩路27 V開關量信號的測量需要用到兩片P521光電耦合器進行隔離，然后再用單片機的I/O接口對光電耦合器的輸出進行測量即可。

2.4 開關電源及電壓隔離傳感器

發(fā)動機振動儀試驗器的工作電源為115 V 400 Hz交流電源。試驗器所需要的±5 V、+12 V電源以及發(fā)動機振動儀需要的+27 V電源全部由開關電源提供。115 V 400 Hz交流電源除了向開關電源供電外，還是發(fā)動機振動儀的主要工作電源，其電壓范圍是需要測量的一個參數(shù)。為此，試驗器利用一個電壓隔離傳感器，將115 V 400 Hz交流電壓變換為直流電壓信號，然后由單片機的A/D變換器進行測量。

2.5 傳感器信號模擬電路

由于發(fā)動機振動儀傳感器工作時，其輸出信號的大小和頻率隨著發(fā)動機振動的大小和頻率改變而改變，所以傳感器信號模擬電路應能夠輸出大小和頻率精確可調的交流信號, 該信號能否精確模擬，決定了能否對發(fā)動機振動儀的工作性能進行精確測量。傳感器信號模擬電路由MAX038函數(shù)發(fā)生器、AD536真有效值轉換芯片。LM358運算放大器以及電阻和電容組成，如圖2所示。

MAX038函數(shù)發(fā)生器可產(chǎn)生正弦波、方波和三角波，輸出方式由芯片的A0端和A1端控制。當A1端為邏輯1，A0端為任意電平時，芯片的OUT端就會輸出幅值為±1 V的正弦波電壓信號。芯片的REF端可輸出一個穩(wěn)定的2.5 V參考電壓，在芯片的REF端和IN端連接一個可變電阻，這樣便可改變流入IN端的電流，從而改變輸出正弦波的頻率[5]。為了準確設定正弦波的頻率，需利用單片機對該信號的頻率進行測量，為此由LM358構成一個過零比較器，將正弦波變?yōu)榉讲╗6]，經(jīng)“頻率信號”端發(fā)送給單片機。

為了調整輸出信號的大小，將MAX038函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號接到由LM358構成的反相輸入放大器上，通過改變可變電阻R2來調整輸出信號的大小。由于振動儀傳感器輸出的信號非常微弱，在0～2 mV之間，為了準確模擬這個信號，放大器的輸出信號是該信號的1 000倍，然后再由一個0.1%的分壓電路進行分壓，從而減少放大器產(chǎn)生的干擾信號對輸出信號的影響。

另外，為了設定輸出信號，須將放大器的輸出信號反饋給單片機。這里利用AD536真有效值轉換芯，將正弦信號轉換為直流電壓信號[7]，然后由單片機的A/D轉換器轉換為數(shù)字量，最后通過顯示器進行顯示。

3 軟件設計

軟件實現(xiàn)的具體功能如圖3所示。首先對單片機進行初始化，主要是對A/D轉換接口、捕捉輸入接口、I/O接口的控制寄存器進行設置。然后單片機進行按鍵掃描，判斷是否有按鍵按下，根據(jù)按鍵按下的情況，確定執(zhí)行設定信號頻率、設定信號電壓、測量輸出電壓、測量輸出電流、測量開關量中的一項，然后將結果通過數(shù)碼顯示器進行顯示。之后再回到按鍵掃描，進行下一次循環(huán)。本文所設計的發(fā)動機振動儀試驗器目前在外場維護工作中已經(jīng)應用了近半年時間，實踐證明，該試驗器的各項性能指標完全符合發(fā)動機振動儀測試要求，功能完全覆蓋原俄制設備。同原俄制設備相比，該試驗器還具有技術先進、體積小、性價比高、操作簡單等特點，具有較高的應用價值。