某俄制飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀性能試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子或螺旋槳，雖然經(jīng)過(guò)嚴(yán)格平衡調(diào)整，在轉(zhuǎn)動(dòng)中依然存在著或大或小的振動(dòng)現(xiàn)象，不但會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的能量消耗增加，還會(huì)使零件疲勞損傷、軸承加速磨損、發(fā)動(dòng)機(jī)壽命縮短[1]。因此，近代飛機(jī)上都裝有發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)速度或加速度。

在購(gòu)買(mǎi)某型號(hào)俄制飛機(jī)時(shí)，隨機(jī)配備有發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀試驗(yàn)器，但由于年久失修，已經(jīng)無(wú)法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀性能進(jìn)行測(cè)試，而目前國(guó)內(nèi)又沒(méi)有替代產(chǎn)品，所以只能憑經(jīng)驗(yàn)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀工作是否正常，給飛行帶來(lái)了安全隱患。本文提出一種可對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀性能進(jìn)行精確測(cè)試的試驗(yàn)器，功能可以完全替代俄制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀的正常維護(hù)。

1 試驗(yàn)器的組成及基本工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀試驗(yàn)器由單片機(jī)、開(kāi)關(guān)電源、電壓隔離傳感器、傳感器信號(hào)模擬電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、顯示驅(qū)動(dòng)和按鍵檢測(cè)電路、顯示器和按鍵以及信號(hào)轉(zhuǎn)換接口組成，如圖1所示。

單片機(jī)通過(guò)按鍵檢測(cè)電路獲取按鍵的狀態(tài)，得到操作者的意圖。經(jīng)過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器組中相應(yīng)的繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將傳感器信號(hào)模擬電路產(chǎn)生的信號(hào)、115 V 400 Hz交流電源和27 V直流電源加到發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀上，將振動(dòng)儀輸出的信號(hào)接到信號(hào)轉(zhuǎn)換接口。單片機(jī)對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換接口輸出的信號(hào)和電壓隔離傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和處理，并將結(jié)果顯示在顯示器上。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)及繼電器驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)采用的C8051系列的F021型單片機(jī)[2-3]具有4 352 B的內(nèi)部存儲(chǔ)器，8路12 bit A/D轉(zhuǎn)換器，32個(gè)I/O接口和5個(gè)捕捉/比較模塊。利用8路12 bit A/D轉(zhuǎn)換器可以對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換接口和電壓隔離傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。利用32個(gè)I/O接口可以非常方便地經(jīng)過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)電路對(duì)繼電器組上的繼電器進(jìn)行控制。利用單片機(jī)的捕捉/比較模塊可準(zhǔn)確地對(duì)傳感器信號(hào)模擬電路輸出信號(hào)的頻率進(jìn)行精確測(cè)量。

由于單片機(jī)的32個(gè)I/O接口輸出電流不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，所以在單片機(jī)的I/O接口與繼電器之間增加了繼電器驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路由2003A繼電器驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成。每片2003A包含7個(gè)三極管，可驅(qū)動(dòng)7個(gè)繼電器。

2.2 顯示驅(qū)動(dòng)和按鍵檢測(cè)電路

顯示驅(qū)動(dòng)和按鍵檢測(cè)電路采用HD7279芯片。該芯片具有通信接口，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰極數(shù)碼管，同時(shí)還可連接64鍵的鍵盤(pán)矩陣[4]。單片機(jī)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(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示器。一旦有按鍵按下，HA7279芯片會(huì)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換接口

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀工作時(shí)，輸出兩路0～200 μA的電流信號(hào)，兩路0～5 V的電壓信號(hào)和兩路27 V開(kāi)關(guān)量信號(hào)。由于單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器的參考電源為+2.5 V，所以需將上面的電流信號(hào)和電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～2.5 V的電壓信號(hào)。0～200 μA的電流信號(hào)可以直接加到一個(gè)阻值為12.5 kΩ的精密電阻上即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。由于0～5 V電壓信號(hào)的輸出阻抗非常大，所以需要加一級(jí)由運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器，然后再由一個(gè)電阻分壓電路變換為0～2.5 V的電壓信號(hào)。為了避免單片機(jī)的工作電源與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀的27 V共地，兩路27 V開(kāi)關(guān)量信號(hào)的測(cè)量需要用到兩片P521光電耦合器進(jìn)行隔離，然后再用單片機(jī)的I/O接口對(duì)光電耦合器的輸出進(jìn)行測(cè)量即可。

2.4 開(kāi)關(guān)電源及電壓隔離傳感器

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀試驗(yàn)器的工作電源為115 V 400 Hz交流電源。試驗(yàn)器所需要的±5 V、+12 V電源以及發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀需要的+27 V電源全部由開(kāi)關(guān)電源提供。115 V 400 Hz交流電源除了向開(kāi)關(guān)電源供電外，還是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀的主要工作電源，其電壓范圍是需要測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。為此，試驗(yàn)器利用一個(gè)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(hào)，然后由單片機(jī)的A/D變換器進(jìn)行測(cè)量。

2.5 傳感器信號(hào)模擬電路

由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀傳感器工作時(shí)，其輸出信號(hào)的大小和頻率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的大小和頻率改變而改變，所以傳感器信號(hào)模擬電路應(yīng)能夠輸出大小和頻率精確可調(diào)的交流信號(hào), 該信號(hào)能否精確模擬，決定了能否對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀的工作性能進(jìn)行精確測(cè)量。傳感器信號(hào)模擬電路由MAX038函數(shù)發(fā)生器、AD536真有效值轉(zhuǎn)換芯片。LM358運(yùn)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(dāng)A1端為邏輯1，A0端為任意電平時(shí)，芯片的OUT端就會(huì)輸出幅值為±1 V的正弦波電壓信號(hào)。芯片的REF端可輸出一個(gè)穩(wěn)定的2.5 V參考電壓，在芯片的REF端和IN端連接一個(gè)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(zhǔn)確設(shè)定正弦波的頻率，需利用單片機(jī)對(duì)該信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，為此由LM358構(gòu)成一個(gè)過(guò)零比較器，將正弦波變?yōu)榉讲╗6]，經(jīng)“頻率信號(hào)”端發(fā)送給單片機(jī)。

為了調(diào)整輸出信號(hào)的大小，將MAX038函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)接到由LM358構(gòu)成的反相輸入放大器上，通過(guò)改變可變電阻R2來(lái)調(diào)整輸出信號(hào)的大小。由于振動(dòng)儀傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，在0～2 mV之間，為了準(zhǔn)確模擬這個(gè)信號(hào)，放大器的輸出信號(hào)是該信號(hào)的1 000倍，然后再由一個(gè)0.1%的分壓電路進(jìn)行分壓，從而減少放大器產(chǎn)生的干擾信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的影響。

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

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件實(shí)現(xiàn)的具體功能如圖3所示。首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，主要是對(duì)A/D轉(zhuǎn)換接口、捕捉輸入接口、I/O接口的控制寄存器進(jìn)行設(shè)置。然后單片機(jī)進(jìn)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(shè)定信號(hào)頻率、設(shè)定信號(hào)電壓、測(cè)量輸出電壓、測(cè)量輸出電流、測(cè)量開(kāi)關(guān)量中的一項(xiàng)，然后將結(jié)果通過(guò)數(shù)碼顯示器進(jìn)行顯示。之后再回到按鍵掃描，進(jìn)行下一次循環(huán)。本文所設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀試驗(yàn)器目前在外場(chǎng)維護(hù)工作中已經(jīng)應(yīng)用了近半年時(shí)間，實(shí)踐證明，該試驗(yàn)器的各項(xiàng)性能指標(biāo)完全符合發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)儀測(cè)試要求，功能完全覆蓋原俄制設(shè)備。同原俄制設(shè)備相比，該試驗(yàn)器還具有技術(shù)先進(jìn)、體積小、性價(jià)比高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。