美捷特（厦门）传感器件有限公司 郭琪琦

航空发动机中加速度传感器的应用

美捷特（厦门）传感器件有限公司 郭琪琦

发动机是飞机的心脏，为保证飞机操作系统绝对安全可靠、飞行安全，必须在发动机上安装相应的传感器，用来测量发动机的工作参数，随时监控发动机的工作状态。加速度传感器在发动机研制、生产和使用过程中，对发动机进行振动测量和监视。目前用于航空发动机振动测量的传感器主要是磁电式速度传感器和压电加速度传感器。航空发动机振动非常复杂，工作环境又比较恶劣，对振动传感器的要求非常苛刻，不仅要有好的性能指标，更重要的要具有长时间工作的可靠性和稳定性。

一、航空发动机测振用传感器

1. 压电式振动加速度传感器。压电式振动加速度传感器是根据压电材料具有的压电效应设计而成的。它输出的电信号与振动加速度成正比，积分后可以测量振动速度和振动位移。

压电式振动加速度传感器的主要特点如下：第一，内部结构坚固，没有活动部件，是一种惯性式固态传感器，因而寿命较长。第二，频率范围很宽，从几赫兹到几千赫兹甚至几十千赫兹，而且动态范围很大，能测量从零点几个g到几千个g的加速度，这特别适合于宽频带振动测量和分析。第三，能够设计成耐高温型，能在高温环境中有效地工作，现在压电加速度计最高使用温度为700℃以上，能满足发动机高温部位振动测量的要求，可在台架试车时用于涡轮外环等高温部位的振动测量。第四，灵敏度高，稳定性好，体积小，重量轻，安装方便，能进行长时间的振动测量和监视，而且其工作方向是任意的。因此，用于机载振动监视的传感器大多是压电式振动加速度传感器。

但是，由于压电式振动加速度计的输出阻抗很高，而且对高频敏感，因此，使用时必须保证信号输出插件绝对干燥、清洁和接触可靠，否则，将产生严重的干扰噪声，影响使用。

2. 磁电式振动加速度传感器。磁电式振动加速度传感器是按照电磁感应原理设计而成的，它产生的电信号与振动速度成正比，经过积分电路可以测量振动位移。

磁电式振动加速度传感器的主要特点是输出信号大，输出阻抗低，抗干扰能力和信噪比都比较好，曾广泛应用于发动机的振动测量，特别适用于装卸频繁而环境污染又比较严重的发动机台架试车时的振动测量。但是，由于这种传感器内部有活动元件，使它的可测频率范围，特别是高频上限受到限制，不能满足研究的需要，阻碍了它在要求不断提高的航空发动机振动测量中的进一步应用。另外，磁电式传感器的寿命也受到内部磨损的影响，且体积较大，不适合用于发动机的随机振动检测。

二、压电式振动加速度传感器在航空发动机振动状况监测中的应用

1. 测振加速度传感器的校准。目前，测振传感器采用两种方法来校准：绝对校准和比较校准。

（1）绝对校准法是采用适当的方法直接测定测振传感器的特性参数。校准时，测振传感器置于精密的激振台上承受振动，通过直接测量振动的振幅、频率和测振传感器的输出电量来确定测振器的特性参数。不断改变试验的激振频率，可以校准幅频特性、相频特性。改变振幅大小，可以校准测振传感器的直线性。决定校准精度是振幅、频率和输出电量的测量精度，以及振动台的正弦波。校准精度高，需要使用较高精密的仪器，校准法主要有激光干涉校准法和互易校准法。

（2）比较校准法是取一个经过严格校准过的测振传感器作为基准来和被测传感器作对比试验，确定被测传感器的性能参数。该方法较简单，试验时间较短，可以获取满足一般要求的校准精度。

2. 测点选择。航空发动机的振动测量，首先应选择合适的测振点用于安装振动传感器。由于受到传感器技术水平的限制，传感器耐受温度不高、体积较大，只能将测振点选择在发动机的外部机匣上，而无法直接选在发动机转子上。测振点离振源比较远，容易受发动机结构振动的干扰，测量误差较大。随着传感技术的发展，已出现耐高温、可靠性高、密封性好、防污染能力强的振动传感器。一些新型发动机在设计时就将测振点从发动机外部移动到内部转子支承点上。例如，CFM-56发动机就有一测振点选择在前端风扇的1号轴承座上。由于测点靠近振源，传感器测出的振动信号更能准确地反映转子的振动状况。

3. 振动测量方法。随着振动测量技术的不断发展，采用可靠的压电加速度计测量发动机外部机匣的振动加速度信息，然后将加速度计测出的信号经二次仪表放大，通过滤波器显示发动机振动加速度总量。必要时选择窄带通滤波器或转速自动跟踪滤波器，显示发动机转速频率的振动加速度。这种测量方法能够直接测出发动机的振动加速度，不需要任何换算，减小了测量误差。由于压电加速度计坚固耐用，这种新的测量方法已被推广应用。为保证飞行安全，空中飞行时也需要监视发动机的振动状况，这已是发动机振动测量技术的新领域。一些先进的运输机和客机已装有发动机振动监视系统，操作员能够通过监视仪表随时了解发动机的振动状况。发动机振动监视系统包括压电加速度计、数字式振动监视仪、连接加速度计和监视仪的电缆、指示仪表、警告和控制装置。

4. 振动分析。对传感器获取的振动信息进行分析，了解发动机的运行状况，以便及时作出调整、维护。针对振动频谱的不同频段进行分析，目前有多种不同的分析方法：通过带通滤波器测量发动机某一频段的振动总量，必要时选择窄带通滤波器测量某一特定频率的振动分量，进行简单的振动分析。这类分析简单、方便，仪器价格便宜，因此，在国内发动机振动测量中应用最普遍，但测量误差较大。还可运用快速傅里叶变换技术的数字式振动信号分析仪分析，它可以在测量现场对发动机的振动信号实时地进行频谱分析，显示或打印出发动机振动频谱。另外，可运用机载发动机数字式振动监视仪分析，它能在飞行过程中分析加速度计所测的振动信号，产生并储存关于发动机振动幅值和相位的数据。

三、对发展航空发动机测振用加速度传感器的建议

1. 发展航空发动机转子轴承用加速度传感器。在外部机匣上测量振动，增加了测量误差。发展发动机内部测振用传感器，应具备防污染性强、可靠性好、整体式封装等特点。同时应开展由于测振点转移带来的振动信号的可靠传输、振动极限的控制等一系列技术研究。

2. 发展耐高温加速度传感器。开发新型耐高温材料，加强耐高温传感器的设计、制造及装调以满足发动机机载振动需求。

3. 发展航空发动机测振传感器校准研究。航空发动机振动传感器在安装、信号输出、整体质量等方面都不同于一般振动传感器。如高频响应和高温响应试验，通用设备和方法根本不能实现。