本發(fā)明涉及航空電子技術領域，具體是一種能夠準確實時的反映發(fā)動機的運行情況，為飛行員的飛行或測試人員測試提供一定的參考依據(jù)通用的飛機發(fā)動機參數(shù)采集方法及采集裝置。

背景技術：

航空發(fā)動機是飛機的動力源，作為飛機上核心的部件之一，在飛行中需要及時準確的了解和控制發(fā)動機的工作狀態(tài)。隨著飛機發(fā)動機越來越復雜，所需要監(jiān)控的參數(shù)也越來越多。目前普遍使用的分離式儀表精度低、可靠性差、體積大、數(shù)量多、布局凌亂，已不能滿足現(xiàn)代飛機發(fā)動機性能監(jiān)控的要求。這就需要一種先進的發(fā)動機參數(shù)采集裝置，能實時采集飛機發(fā)動機的工作狀態(tài)，并及時的將數(shù)據(jù)傳送給其他機載設備使用，這也便于航空電子系統(tǒng)綜合信息化管理。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術中存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種通用的飛機發(fā)動機參數(shù)采集方法及裝置，依據(jù)本發(fā)明方法能夠實時采集發(fā)動機多種信息，支持熱敏電阻信號、熱電偶信號、頻率信號和壓力信號的采集和處理，并能夠根據(jù)不同傳感器的不同特性對超過信號范圍的信號進行告警提示，具有很強的通用性。

本發(fā)明是通過下述技術方案來實現(xiàn)的。

本發(fā)明給出了一種通用的飛機發(fā)動機參數(shù)采集方法，包括下述步驟：

1)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊分別通過壓力傳感器采集滑油壓力和燃油余量，通過熱敏電阻傳感器采集汽缸頭溫度、旋翼機轉軸溫度和發(fā)動機滑油溫度，通過熱電偶傳感器采集排氣溫度，通過轉速傳感器采集發(fā)動機轉速和旋翼轉速；

2)前端信號調理單元將各個傳感器采集的信號進行信號的采樣、放大、濾波、衰減、調制和幅頻變換后，經數(shù)模轉換單元進行數(shù)模轉換；

3)數(shù)據(jù)處理單元將各個傳感器采集的信號繪制為不同的特性曲線，并針對不同傳感器的特性，轉換為所需的實際溫度、壓力和轉速信息；

4)數(shù)據(jù)處理模塊對各個不同傳感器設置不同的告警范圍，將處理以后的數(shù)據(jù)進行判斷，如果數(shù)據(jù)超出規(guī)定的范圍，則將相應的告警標識位設置為告警狀態(tài)；

5)然后數(shù)據(jù)傳輸模塊將實際溫度、壓力和轉速信息傳輸至相應的顯示裝置和備份系統(tǒng)，以便各航電設備進行實時數(shù)據(jù)交互。

進一步，通過轉速傳感器采集發(fā)動機轉速和旋翼轉速，利用計數(shù)器法進行頻率信號測量，每隔1000ms讀一次計數(shù)器值，得到原始頻率數(shù)據(jù)，再根據(jù)發(fā)動機轉速和旋翼轉速的不同特性，處理得到實際的頻率信號；

發(fā)動機轉速采集信號-轉速關系：

S＝nF

其中，F(xiàn)為測得的發(fā)動機轉速脈沖頻率，Hz；S為實測的發(fā)動機轉速，rpm；n為發(fā)動機轉速時間常數(shù)；

旋翼轉速采集信號-轉速關系：

S'＝n'F'/K

其中，F(xiàn)'為測得的旋翼轉速脈沖頻率，Hz；S'為實測的旋翼轉速，rpm；n'為旋翼轉速時間常數(shù)；K為旋翼特性常數(shù)。

進一步，通過熱敏電阻傳感器采集汽缸頭溫度時傳感器的電阻值，根據(jù)溫度-電阻的關系計算得到溫度值，溫度-電阻的關系用公式表示：

T＝ab^RR^-m

其中，R為測得的汽缸頭溫度時傳感器的電阻值，Ω；T為實測汽缸頭溫度值，℃；a、b、m分別為汽缸頭溫度傳感器常數(shù)。

進一步，通過熱敏電阻傳感器采集旋翼機轉軸和發(fā)動機滑油溫度時傳感器的電阻值，根據(jù)溫度-電阻的關系計算得到溫度值，溫度-電阻的關系用公式表示：

T'＝a'b'^R'R'^-m'

其中，R'為測得的旋翼機轉軸或發(fā)動機滑油溫度時傳感器的電阻值，Ω；T'為實測旋翼機轉軸或發(fā)動機滑油溫度值，℃；a'、b'、m'分別為旋翼機轉軸溫度傳感器常數(shù)。

進一步，通過壓力傳感器采集發(fā)動機的滑油壓力時的壓力傳感器電阻值，根據(jù)電阻和壓力的關系得到滑油壓力，通過下式表示：

P＝cR”-d

其中R”為測得的滑油壓力時的壓力傳感器的電阻值，Ω；P為實測滑油壓力值，psi；c、d分別為滑油壓力傳感器常數(shù)。

進一步，通過壓力傳感器采集燃油余量時的壓力傳感器電阻值，根據(jù)電壓和燃油余量的關系得到燃油余量，通過下式表示：

L＝eV/f

其中V為測得的電壓值，V；L為實測燃油余量，L；e，f分別為燃油余量壓力傳感器常數(shù)。

由于熱電偶溫度信號是來自于熱電偶的差分模擬量信號，被測量實際溫度為熱電偶測得溫度與熱電偶冷端環(huán)境溫度差，所以排氣溫度值為直接測得的K型熱電偶溫度值。

本發(fā)明的一種通用的飛機發(fā)動機參數(shù)采集裝置，包括傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊和殼體；

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，包括前端信號調理單元和模數(shù)轉換單元，用于采集傳感器信號；前端信號調理單元把各種熱敏電阻信號、頻率信號、壓力信號和熱電偶信號轉換成電壓信號，經過模數(shù)轉換后轉換成數(shù)字信號；

數(shù)據(jù)處理模塊，對采集的信號進行處理，根據(jù)不同傳感器與測量參數(shù)之間的關系曲線，將原始信號通過相應數(shù)據(jù)處理，還原發(fā)動機各個參數(shù)的實際物理量；

數(shù)據(jù)傳輸模塊，將數(shù)據(jù)傳輸至相應的顯示裝置、信息化系統(tǒng)和備份設備，以便各航電設備間進行實時的數(shù)據(jù)交互；

電源模塊，將飛機的供電電源進行隔離、轉換、穩(wěn)壓、濾波后為各功能模塊提供穩(wěn)定的電源；

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊依次與數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊相連，各模塊分別與電源模塊相連，各模塊放置在殼體內。

進一步，所述傳感器數(shù)據(jù)采集模塊包括采集發(fā)動機的滑油壓力和燃油余量的壓力傳感器；采集汽缸頭溫度、旋翼機轉軸溫度和發(fā)動機滑油溫度的熱敏電阻傳感器；采集排氣溫度的熱電偶傳感器；以及采集發(fā)動機轉速和旋翼轉速的轉速傳感器。

進一步，所述數(shù)據(jù)處理模塊為基于ARM架構的Cortex-M3處理器，可用內存為64KB隨機存取存儲器SRAM，程序存儲器ROM為256KB的FLASH。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有下述優(yōu)點：

1.可以將數(shù)據(jù)以5Hz的頻率刷新，保證實時準確地采集發(fā)動機參數(shù)。

2.具備測量多種類型的傳感器。支持壓力信號、熱敏電阻信號、熱電偶信號和頻率信號的采集和處理。具有很強的通用性。

3.能夠根據(jù)不同傳感器的不同特性對超過信號范圍的信號進行告警提示。

4.通過RS-422傳輸數(shù)據(jù)，能夠與各種航電設備交聯(lián)。

5.具有一定的配置功能。

附圖說明

圖1是系統(tǒng)組成示意圖；

圖2是對外接口示意圖；

圖3是數(shù)據(jù)采集模塊示意圖；

圖4是配置功能流程圖；

圖5(a)-(d)是發(fā)動機轉速特性；

圖6是NTC溫度曲線；

圖7是RTD壓力曲線；

圖8是告警功能流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對發(fā)明作進一步的詳細說明，但并不作為對發(fā)明做任何限制的依據(jù)。

如圖1所示，本發(fā)明的通用的飛機發(fā)動機參數(shù)采集裝置，包括傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊和殼體。

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要用來采集傳感器信號，由前端信號調理單元和模數(shù)轉換單元組成。前端信號調理單元把各種熱敏電阻信號、頻率信號、壓力信號和熱電偶信號轉換成模數(shù)轉換可以識別的電壓信號，經過模數(shù)轉換后轉換成數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集模塊如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理模塊是對采集的信號進行處理，根據(jù)不同傳感器與測量參數(shù)之間的關系曲線，將原始信號通過相應數(shù)據(jù)處理，還原發(fā)動機各個參數(shù)的實際物理量。

數(shù)據(jù)傳輸模塊是將數(shù)據(jù)傳輸至相應的顯示裝置、信息化系統(tǒng)和備份設備。以便各航電設備間進行實時的數(shù)據(jù)交互。

電源模塊將飛機的供電電源進行隔離、轉換、穩(wěn)壓、濾波后為各功能模塊提供穩(wěn)定的電源，保證系統(tǒng)能夠正常運行。

殼體輕便耐用，可靠性高。使用密封圈進行了防水處理，達到了IP67的防護等級。

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊依次與數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊相連，各模塊分別與電源模塊相連，各模塊放置在殼體內。

本發(fā)明作為一種通用的發(fā)動機參數(shù)采集裝置，本裝置可以支持的多種傳感器信號類型，這些傳感器類型有：熱敏電阻傳感器、熱電偶傳感器、壓力傳感器和轉速傳感器。通過采集各種傳感器參數(shù)，對不同特性的傳感器可以進行配置，可對發(fā)動機的滑油壓力、發(fā)動機滑油溫度、汽缸頭溫度、燃油余量、發(fā)動機轉速、旋翼轉速、排氣溫度、旋翼機轉軸溫度等系統(tǒng)的信號進行采集。根據(jù)各個傳感器的特性，選擇不同的配置參數(shù)進行計算，轉換為所需的實際溫度、壓力和轉速等信息。然后將采集到的數(shù)據(jù)再進行濾波處理。并提供各個參數(shù)的告警功能。最終，通過標準RS-422串行接口以5Hz的速率與外部設備實現(xiàn)通信，能夠實時的與綜合顯控裝置、信息化系統(tǒng)和備份設備等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享。

發(fā)動機采集裝置需要采集發(fā)動機轉速、旋翼轉速、滑油溫度、汽缸頭溫度、旋翼頭溫度、滑油壓力、燃油余量和排氣溫度等參數(shù)信息。其接口關系如圖3所示。

本發(fā)明運行的硬件平臺數(shù)據(jù)處理模塊為基于ARM架構的Cortex-M3處理器，可用內存為64KB的SRAM，程序存儲器為256KB的FLASH。

采用16路12位模數(shù)轉換通道，采集的最小電壓為0.2mV，完全滿足傳感器數(shù)據(jù)的精度。

殼體采用2A12-T4型號鋁合金制成。

作為本發(fā)明的進一步改進，在軟件中加入告警判斷的功能，根據(jù)不同傳感器能夠設置不同的告警范圍，將處理以后的數(shù)據(jù)進行范圍地判斷，給出告警提示。

為了適應不同的傳感器，本發(fā)明裝置還提供可配置傳感器的功能。能夠根據(jù)不同傳感器的特性，靈活配置傳感器的電阻、溫度和壓力等采集范圍和采集方式。其中溫度信號可以支持采集熱敏電阻信號和熱敏電阻信號。并且支持不同的電阻-溫度關系曲線。還可以根據(jù)不同的熱敏電阻信號范圍，對采集的熱敏電阻信號的量程進行切換。能夠根據(jù)不同發(fā)動機和旋翼轉速的轉速比，適應合適的轉速計算方法。具體的配置流程如圖4所示。

通用的飛機發(fā)動機參數(shù)采集方法，包括下述步驟：

1)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊分別通過壓力傳感器采集滑油壓力和燃油余量，通過熱敏電阻傳感器采集汽缸頭溫度、旋翼機轉軸溫度和發(fā)動機滑油溫度，通過熱電偶傳感器采集排氣溫度，通過轉速傳感器采集發(fā)動機轉速和旋翼轉速；

2)前端信號調理單元將各個傳感器采集的信號進行信號的采樣、放大、濾波、衰減、調制和幅頻變換后，經數(shù)模轉換單元進行數(shù)模轉換；

3)數(shù)據(jù)處理單元將將各個傳感器采集的信號繪制為不同的特性曲線，見圖5(a)-(d)、圖6、圖7所示，并針對不同傳感器的特性，轉換為所需的實際溫度、壓力、轉速信息；

4)數(shù)據(jù)處理模塊對各個不同傳感器設置不同的告警范圍，將處理以后的數(shù)據(jù)進行判斷，如果數(shù)據(jù)超出規(guī)定的范圍，則將相應的告警標識位設置為告警狀態(tài)；

5)然后數(shù)據(jù)傳輸模塊將實際溫度、壓力和轉速信息傳輸至相應的顯示裝置、信息化系統(tǒng)和備份設備，以便各航電設備間進行實時的數(shù)據(jù)交互。

本發(fā)明軟件采集并處理發(fā)動機轉速、旋翼轉速、滑油溫度、兩路汽缸頭溫度、旋翼頭溫度、滑油壓力、燃油余量和兩路排氣溫度的數(shù)據(jù)。

發(fā)動機轉速和旋翼轉速采用轉速傳感器，轉速傳感器的特性如圖5(a)-(d)。

通過轉速傳感器采集發(fā)動機轉速和旋翼轉速，利用計數(shù)器法進行頻率信號測量，每隔1000ms讀一次計數(shù)器值，得到原始頻率數(shù)據(jù)，再根據(jù)發(fā)動機轉速和旋翼轉速的不同特性，處理得到實際的頻率信號；發(fā)動機轉速采集信號-轉速關系：

S＝60*F

其中，F(xiàn)為測得的發(fā)動機轉速脈沖頻率，Hz；S為實測的發(fā)動機轉速，rpm。

旋翼轉速采集信號-轉速關系：

S’＝60*F’/10

其中，F(xiàn)’為測得的旋翼轉速脈沖頻率，Hz；S’為實測的旋翼轉速，rpm。

通過熱敏電阻傳感器采集汽缸頭溫度時傳感器的電阻值，根據(jù)溫度-電阻的關系圖6得到汽缸頭溫度值，溫度-電阻的關系用公式表示：

T＝287.93556*0.999011^R*R^-0.2668335

其中，R為測得的汽缸頭溫度時傳感器的電阻值，Ω；T為實測汽缸頭溫度值。

通過熱敏電阻傳感器采集旋翼機轉軸和發(fā)動機滑油溫度時傳感器的電阻值，根據(jù)溫度-電阻的關系圖6得到旋翼頭溫度值和滑油溫度，溫度-電阻的關系用公式表示：

T’＝377.50126*0.99928994^R’*R’^-0.31087291

其中，R’為測得的旋翼機轉軸或發(fā)動機滑油溫度時傳感器的電阻值，Ω；T’為實測旋翼機轉軸或發(fā)動機滑油溫度值，℃。

通過壓力傳感器采集發(fā)動機的滑油壓力時的壓力傳感器電阻值，根據(jù)電阻和壓力的關系得到滑油壓力，滑油壓力的傳感器特性如圖7所示。其中電阻和壓力的關系符合RTD曲線，公式為：

P＝0.06666667*R”–2.26666667

其中R”為測得的滑油壓力時的壓力傳感器的電阻值，Ω；P為實測滑油壓力值，psi。

燃油余量的壓力傳感器特性中，通過壓力傳感器采集燃油余量時的壓力傳感器電阻值，根據(jù)電壓和燃油余量的關系通過下式表示：

L＝80*V/16

其中V為測得的燃油余量時的壓力傳感器的電壓值，V；L為實測燃油余量，L。

排氣溫度值為直接測得的K型熱電偶溫度值。

本發(fā)明通過將采集到的原始數(shù)據(jù)通過以上處理，計算出實際的所表示的物理量，然后由濾波算法將數(shù)據(jù)做平滑處理，減少數(shù)據(jù)抖動。再根據(jù)每個傳感器和信號的特性，判斷數(shù)據(jù)是否在合理范圍內。如果數(shù)據(jù)超出規(guī)定的范圍，則將相應的告警標識位設置為告警狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)在規(guī)定的范圍，則設置告警狀態(tài)為正常，最后將數(shù)據(jù)組成一定的幀格式，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。重復上述傳感器信號采集過程，告警功能流程圖如圖8所示。

以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權利要求書確定專利保護范圍。