氣路碎屑監(jiān)測(cè)靜電傳感器設(shè)計(jì)及模擬實(shí)驗(yàn)

曾蘇凡，蔣世奇，袁世輝，曲建鳳

(1.成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院，四川成都610225；2.成都信息工程學(xué)院控制工程學(xué)院，四川成都610225；3.西北工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，陜西西安710072；4.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

氣路碎屑監(jiān)測(cè)靜電傳感器設(shè)計(jì)及模擬實(shí)驗(yàn)

曾蘇凡1，蔣世奇2，袁世輝3，4，曲建鳳1

(1.成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院，四川成都610225；2.成都信息工程學(xué)院控制工程學(xué)院，四川成都610225；3.西北工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，陜西西安710072；4.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

基于靜電感應(yīng)原理，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管結(jié)構(gòu)和模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求，設(shè)計(jì)了一種用于氣路荷電碎屑監(jiān)測(cè)的靜電傳感器。通過(guò)荷電碎屑模擬實(shí)驗(yàn)，證明了該靜電傳感器監(jiān)測(cè)荷電碎屑的有效性，并分析了碎屑荷電量、碎屑與探極表面相對(duì)位置對(duì)傳感器輸出的影響。結(jié)果表明：碎屑荷電量越多，傳感器輸出電壓幅值越大；同一軸向位置，隨著碎屑與探極表面徑向距離的增大，傳感器輸出電壓幅值迅速減小；碎屑與探極表面徑向距離一定時(shí)，碎屑與探極末端軸向距離越大，傳感器輸出電壓幅值越小。此外，還進(jìn)一步分析了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一些難以避免的影響測(cè)量結(jié)果的因素。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；氣路故障；荷電碎屑監(jiān)測(cè)；靜電傳感器；模擬實(shí)驗(yàn)；探極表面

1 引言

使用靜電技術(shù)監(jiān)測(cè)航空氣路故障的研究，始于20世紀(jì)70年代初的美國(guó)，其使用的基本前提是氣路故障產(chǎn)生的碎屑帶電[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常時(shí)，氣路環(huán)境有一個(gè)正常的靜電荷水平，而當(dāng)氣體中的荷電碎屑數(shù)量增加時(shí)，氣路的總體電荷水平會(huì)隨之改變。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，可能有葉片磨損、燃燒室產(chǎn)生的大量碳粒散發(fā)出來(lái)、密封或涂層磨損及外來(lái)物等。氣路碎屑靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理，就是檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路中碎屑所攜帶的靜電電荷。本文介紹的氣路碎屑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)置于尾噴管處的靜電傳感器，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)氣路靜電荷水平變化，以此來(lái)達(dá)到監(jiān)測(cè)氣路部件狀態(tài)的目的，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供初始故障狀態(tài)的早期預(yù)警信息。

1978年，Couch[2]研究并驗(yàn)證了通過(guò)監(jiān)測(cè)氣路中的靜電脈沖信號(hào)，能有效監(jiān)測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能退化，并表明采用該方法后大部分發(fā)動(dòng)機(jī)至少能提前4 h預(yù)測(cè)到氣路故障。90年代，Powrie等[3-5]對(duì)靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)做了大量實(shí)驗(yàn)研究，并研制出了發(fā)動(dòng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(EDMS)和吸入顆粒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(IDMS)。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在JSF、F-22等項(xiàng)目上，成為英、美等國(guó)限制出口的軍事技術(shù)[6]。

目前，國(guó)內(nèi)靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面的研究還處于初期階段[7]，仍需進(jìn)行大量的研究和實(shí)驗(yàn)，才能最終實(shí)用。本文基于靜電感應(yīng)原理，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管結(jié)構(gòu)和模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求，設(shè)計(jì)了一種用于氣路荷電碎屑監(jiān)測(cè)的靜電傳感器，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其監(jiān)測(cè)荷電碎屑的有效性，分析了影響測(cè)量結(jié)果的因素。

2 靜電傳感器設(shè)計(jì)

氣路荷電碎屑監(jiān)測(cè)靜電傳感器，基于靜電感應(yīng)[8]原理設(shè)計(jì)，主要分為傳感器物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)部信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)兩部分。

2.1 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靜電傳感器的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，由探極、內(nèi)置信號(hào)調(diào)理電路、絕緣塊、屏蔽外殼和輸出電纜組成。考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管結(jié)構(gòu)和模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求，傳感器探極設(shè)計(jì)為棒狀，探極與屏蔽外殼均采用耐高溫和電阻率小的不銹鋼材料制作，絕緣塊采用耐高溫(250℃)和電阻率高的聚四氟乙烯制作。在航空氣路管道中，荷電碎屑沿虛線由A處運(yùn)動(dòng)到B處，經(jīng)歷了遠(yuǎn)離探極、靠近探極、再遠(yuǎn)離探極的過(guò)程，使得靜電傳感器探極上的感應(yīng)電荷隨之變化。感應(yīng)電荷經(jīng)內(nèi)置信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換放大后輸出變化的電壓信號(hào)，再通過(guò)采集板卡采集到計(jì)算機(jī)中予以顯示和保存，從而監(jiān)測(cè)氣路中異常荷電碎屑的存在。

圖1 典型的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)原理圖Fig.1 Typical engine vibration monitoring principle

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

假設(shè)靜電傳感器探極的感應(yīng)電荷量為Q，靜電傳感器的電荷等效電路圖如圖2所示。圖中，Ca為靜電傳感器自身電容，Cc為傳感器輸出電纜電容，Ra為靜電傳感器的漏電阻，Ci為放大器輸入電容，Ri為放大器輸入阻抗，Cf為放大器反饋電容，Rf為并聯(lián)在反饋電容兩端的漏電阻。由于靜電傳感器的漏電阻不可能無(wú)窮大，感應(yīng)電荷會(huì)通過(guò)電阻泄漏，因此電壓不能恒定不變。

圖2 靜電傳感器與電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路連接的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of electrostatic sensors and charge to voltage converting circuit

由電路理論可得放大器的輸出電壓U0：

運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益K=100 dB(TL081運(yùn)算放大器)即105倍、Cf=1 000 pF時(shí)，假設(shè)傳感器輸出電纜長(zhǎng)500 m，采用低噪聲電纜STYV-1，則Cc≈50 000 pF；假設(shè)Ca=6 000 pF；則(1+K)Cf?Ca+Cc+Ci，此時(shí)Ca、Cc、Ci對(duì)電路的影響可忽略。當(dāng)Ra、Ri相當(dāng)大時(shí)，U0可寫為：

從式(2)中可看出：電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān)。

靜電傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，由電荷電壓變換電路、適調(diào)放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路和電源五部分組成，其工作原理如圖3所示。

圖3 傳感器內(nèi)置信號(hào)調(diào)理電路工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of internally-installed signal conditioning circuit

(1)電荷電壓變換電路以運(yùn)算放大器U1為核心，其將靜電傳感器探極上的感應(yīng)電荷變換為電壓量，并將傳感器的高輸入阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩埂１驹O(shè)計(jì)中的電路參數(shù)下，1 pC的感應(yīng)電荷對(duì)應(yīng)此級(jí)輸出1 mV的電壓值。

(2)適調(diào)放大電路以運(yùn)算放大器U2為核心。當(dāng)電路最終輸出信號(hào)大于10 V時(shí)，信號(hào)將失真，此時(shí)可調(diào)節(jié)電位器使放大倍數(shù)降低。

(3)U3構(gòu)成了二階有源低通濾波電路，截止頻率為100 kHz，用于消除高頻干擾信號(hào)對(duì)電路的影響。

(4)由C4、R4構(gòu)成一階無(wú)源高通濾波器，截止頻率為0.3 Hz，用于抑制低頻干擾信號(hào)。

(5)電源部分(圖中未給出)是通過(guò)開(kāi)關(guān)電源得到儀器工作電壓±15 V。

3 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證本文設(shè)計(jì)的靜電傳感器對(duì)荷電碎屑監(jiān)測(cè)的有效性，并通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)條件的方法，分析實(shí)際碎屑監(jiān)測(cè)中輸出信號(hào)與輸入碎屑之間的定量關(guān)系。

3.1 荷電碎屑模擬實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，以傳感器探極的軸為圓心的虛線同心圓表示傳感器的敏感空間；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絕緣桿末端的石墨小球逆時(shí)針勻速運(yùn)動(dòng)，以電機(jī)軸為圓心的虛線圓表示石墨小球的運(yùn)動(dòng)軌跡；在石墨小球運(yùn)動(dòng)軌跡的另一側(cè)加上高壓電場(chǎng)，石墨小球經(jīng)過(guò)高壓電場(chǎng)后表面帶上電荷，以此來(lái)模擬荷電碎屑。為避免高壓電場(chǎng)對(duì)傳感器輸出造成干擾，淹沒(méi)石墨小球引起的有用信號(hào)，高壓電場(chǎng)置于距離傳感器探極的最遠(yuǎn)端。實(shí)驗(yàn)時(shí)統(tǒng)一傳感器和高壓電場(chǎng)的參考電壓，傳感器屏蔽外殼和內(nèi)置信號(hào)調(diào)理電路接大地，高壓電場(chǎng)負(fù)極接大地。

圖4 荷電碎屑模擬實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of charged particles simulation experiment

傳感器探極置于屏蔽外殼以外部分長(zhǎng)110 mm，探極直徑8 mm，石墨小球粒徑10 mm，高壓電場(chǎng)長(zhǎng)度100 mm，絕緣桿長(zhǎng)度200 mm。石墨小球運(yùn)動(dòng)至距離探極最近端時(shí)，探極表面與小球表面最近距離設(shè)為X。探極末端平面設(shè)為Y=0的平面，沿探極軸向越靠近傳感器屏蔽外殼，Y值越大。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 傳感器輸出有效性實(shí)驗(yàn)

靜電傳感器的輸出由傳感器探極上感應(yīng)電荷的總量產(chǎn)生，而探極上感應(yīng)電荷的總量為敏感區(qū)域內(nèi)所有施感點(diǎn)電荷引起的感應(yīng)電荷的疊加[9]。由于石墨小球粒徑遠(yuǎn)小于其運(yùn)動(dòng)軌跡半徑，因此可忽略其粒徑，將其視作點(diǎn)電荷。

實(shí)驗(yàn)中電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至2 000 r/min，石墨小球隨電機(jī)做勻速周期運(yùn)動(dòng)，反復(fù)多次經(jīng)過(guò)探極附近，故石墨小球經(jīng)過(guò)傳感器敏感區(qū)域的速度約為1.256 m/s，通過(guò)高壓電場(chǎng)充電時(shí)間約為2.33 ms。石墨小球旋轉(zhuǎn)軌跡位于Y=10 mm的平面，X=10 mm。

設(shè)置采樣頻率為1 000.0 Hz，圖5為實(shí)驗(yàn)采集信號(hào)通過(guò)50.0 Hz陷波器后的輸出信號(hào)(去除工頻干擾)，圖6為該信號(hào)的頻域特性。可見(jiàn)，圖6中有一頻率為35.6 Hz的明顯峰值，與小球經(jīng)過(guò)探極附近的頻率(約33.3 Hz)十分接近。由于實(shí)驗(yàn)誤差的存在，因此可確定35.6 Hz即為實(shí)際傳感器檢測(cè)到的石墨小球周期運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)頻率，本文設(shè)計(jì)的靜電傳感器能有效檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)中的荷電碎屑。

3.2.2 參數(shù)對(duì)傳感器輸出的影響

二維靜電場(chǎng)中，探極上的感應(yīng)電荷量由施感電荷量和施感電荷與探極表面的相對(duì)位置決定[10]。施感電荷量即石墨小球所帶電荷量，由小球充電時(shí)間決定。由于棒狀探極為軸對(duì)稱，因此施感電荷與探極表面的相對(duì)位置，可用X和Y來(lái)表示。

降低電機(jī)轉(zhuǎn)速至600 r/min，旋轉(zhuǎn)起始點(diǎn)在高壓電場(chǎng)內(nèi)，石墨小球充電一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，由遠(yuǎn)端至探極附近再轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)端高壓電場(chǎng)內(nèi)停止。充電時(shí)間分別為5 s、4 s、3 s和2 s時(shí)，改變X值后重復(fù)實(shí)驗(yàn)。需注意的是，每次實(shí)驗(yàn)后，為避免上次實(shí)驗(yàn)石墨小球上剩余電荷量對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，應(yīng)對(duì)小球完全放電。另外，認(rèn)為充電時(shí)間相同時(shí)，石墨小球每次實(shí)驗(yàn)所帶的電荷量基本一致；X相同時(shí)，充電時(shí)間越長(zhǎng)，小球荷電量越多。圖7示出了石墨小球充電5 s，旋轉(zhuǎn)軌跡位于Y=10 mm平面、X=1 mm時(shí)，石墨小球單次靠近探極引起的傳感器輸出信號(hào)。

圖8示出了小球旋轉(zhuǎn)軌跡位于Y=10 mm平面時(shí)，小球與探極表面徑向距離對(duì)傳感器輸出的影響。可見(jiàn)，荷電量相同時(shí)，X越大，傳感器輸出電壓越小；X、Y都相同時(shí)，小球荷電量越多，傳感器輸出電壓越大。

圖5 模擬實(shí)驗(yàn)去工頻處理后的信號(hào)Fig.5 Signal after power frequency processing in simulation experiment

圖6 信號(hào)的頻域特性Fig.6 Frequency spectrum of the signal

圖7 石墨小球充電5 s，X=1 mm、Y=10 mm時(shí)靜電傳感器的輸出信號(hào)Fig.7 Electrostatic sensor output signal while graphite ball charging 5 s,X=1 mm,Y=10 mm

圖8 小球與探極表面徑向距離對(duì)傳感器輸出的影響(Y=10 mm)Fig.8 Influence of radial distance between the ball and the surface of the electrode on sensor output(Y=10 mm)

圖9示出了小球軸向位置對(duì)傳感器輸出的影響，其中小球充電時(shí)間統(tǒng)一為5 s。可見(jiàn)，X一定時(shí)，小球沿探極軸向位置方向移動(dòng)時(shí)，隨著Y值的增大，傳感器輸出電壓逐漸減小。

圖9 軸向位置對(duì)傳感器輸出的影響Fig.9 Influence of axial position on sensor output

用實(shí)驗(yàn)的方法改變碎屑荷電量、碎屑與探極表面的相對(duì)位置，探極表面的感應(yīng)電荷會(huì)產(chǎn)生變化，引起傳感器輸出變化，從而可分析得到傳感器的靈敏度分布情況。但由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)難以精確控制，因此存在著一些難以避免的誤差，如：

(1)文中認(rèn)為小球充電時(shí)間一致時(shí)，其荷電量基本相同，但實(shí)驗(yàn)中充電時(shí)間難以精確控制，另外即使充電時(shí)間完全一致，小球荷電量也不能保證完全相同。因此，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的充電時(shí)間相差較大(1 s)，這樣不同充電時(shí)間下小球荷電量相差較多，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)存在的情況下可使其誤差在允許范圍內(nèi)。

(2)石墨小球與傳感器探極表面的相對(duì)位置難以精確控制，因此對(duì)探極表面的感應(yīng)電荷量也會(huì)產(chǎn)生影響。通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置可減小該誤差，且該誤差不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)。

(3)探極表面的感應(yīng)電荷量會(huì)受濕度、溫度等實(shí)驗(yàn)環(huán)境變化的影響，實(shí)驗(yàn)環(huán)境變化較大時(shí)其影響較大。本文所用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中在較短時(shí)間內(nèi)采集、存儲(chǔ)，環(huán)境溫度、濕度變化不大，環(huán)境引起的誤差較小，可忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

本文基于靜電感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的靜電傳感器，能有效監(jiān)測(cè)到荷電碎屑。通過(guò)荷電碎屑模擬實(shí)驗(yàn)表明：碎屑荷電量越多，傳感器輸出電壓幅值越大。同一軸向位置，碎屑與探極表面徑向距離越大，傳感器輸出電壓幅值減小越迅速；碎屑與探極表面徑向距離一定時(shí)，隨著碎屑距探極末端軸向距離的增大，傳感器輸出電壓幅值逐漸減小。本文所做工作，為氣路碎屑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后續(xù)研究提供了依據(jù)。

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Electrostatic Sensor Design for Debris Monitoring in Gas Path and Simulation Test

ZENG Su-fan1，JIANG Shi-qi2，YUAN Shi-hui3，4，QU Jian-feng1
(1.College of Electronic Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610025，China；2.College of Control Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610025，China；3.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；4.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Based on the principle of electrostatic induction,combining the structure of aero-engine nozzle and the requirements of simulation environment,an electrostatic sensor for charged particles monitoring in gas path was designed.The validity of the electrostatic sensor in charged particles monitoring was proved by charged particles simulation experiments.The effects of the particles charge,and the distance between the particles position and the electrode surface on the output of the sensor were also analyzed.The experimental results show that the more the charge of particles is,the bigger the output voltage amplitude of sensor is;the sensor output voltage amplitude decreases rapidly as the radial distance of debris and the surface of the electrode increases in the same axial location;the sensor output voltage amplitude gets smaller as the dis?tance between the debris and the electrode surface in the axial gets larger in case the radial distance be?tween the debris and the electrode surface is fixed.Some inevitable factors which affect the measuring re?sults in the experiments were further analyzed.

aero-engine；gas path fault；charged particles monitoring；electrostatic sensor；simulation test；surface of the electrode

V263.6

：A

：1672-2620(2014)05-0058-05

2014-02-14；

：2014-10-27

航空科學(xué)基金(20101024005)；成都信息工程學(xué)院科研基金(KYTZ201106)

曾蘇凡(1987-)，女，江西南昌人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)獲取技術(shù)及處理。