曹慧 CAO Hui

摘要：本文介绍基于高速转台的发动机压力测量系统，该系统能够精确测量发动机燃烧室内部的压强，并自带存储测试相关装备。传统的发动机压力测量采用的是间接测量方法，通过对推力和时间的相对数据而倒推出燃烧室的压力数据，此种方式会因为摩擦力对推力的损耗而产生较大误差。而改进的基于高速转台的发动机压力测量系统则因为通过采用对燃烧室直接测量的方式而减少误差，实现了精确测量。

Abstract： This paper introduces the engine pressure measurement system based on high-speed turntable. The system can accurately measure the pressure in the engine combustion chamber， and has its own storage and testing equipment. The traditional engine pressure measurement adopts the indirect measurement method， which reverses the pressure data of the combustion chamber through the relative data of thrust and time. This method will produce large errors due to the loss of thrust by friction. The improved engine pressure measurement system based on high-speed turntable reduces the error and realizes accurate measurement by directly measuring the combustion chamber.

關键词：高速转台;发动机压力测量;压力测量系统;系统测量条件;系统软件设计

Key words： high speed turntable;engine pressure measurement;pressure measuring system;system measurement conditions;system software design

中图分类号：U464                            文献标识码：A                     文章编号：1674-957X（2021）22-0045-02

0  引言

发动机的应用常常被限制在高速转台的背景下，导致其在此应用状态的性能等产生和其一般应用状态下的显著区别。为此，相关研究人员对发动机在高速转台下的压力水平进行测量对发动机的使用有重要参考价值。本文内容包括该发动机压力测量系统的测量条件、软硬件部分以及测量结构部分等。

1  基于高速转台下的发动机压力测量系统测量条件

1.1 基于高速转台下的发动机压力测量系统具体过程

为了测试出明确的发动机内部动能，该压力测量系统使用已经被长期应用的发动机压力测量实验平台，该实验平台拥有高速转台主轴。该高速度的转台主轴的转速可以达到11000r/min，该高速转轴的内部含有液压油，发动机运行的压力可以被充分疏导出来并且避免因为高温所导致的实验风险的发生。具体的测量过程如下：首先发动机被控制在高速转台主轴上，然后主轴开始高速运转，而发动机则在高速主轴的带动下实现被动式高速运转。实验人员根据发动机被动运行功率值的达成而进行点火，以实现对燃烧室工作环境的完整再现。而燃烧室的内部压力则通过主轴压力液而被传导到压力测量系统中的压力传感器之中，实验人员可以通过压力传感器的数值确定发动机的具体压力数据。

1.2 基于高速转台下的发动机压力测量系统具体方案

该高速转台发动机压力测量系统由传感器系统部分和协调器系统部分两个集成系统组成。传感器集成系统部分是主要的压力测量功能部分。其包括发动机燃烧室压力传感器、信息管理子系统、STM33控制核心、信息储存子系统、信息无线传输支持子系统等内容。

该集成系统部分可以实现对发动机燃烧室压力数据的准确收集、储存与传输，同时该系统的抗干扰性能优良，该系统也可以被长期使用在高温度环境中。协调器集成系统部分包括STM33控制核心、电平变化子系统、信息无线传输子系统等，能够实现压力测量数据的外部传输与管理。该测量系统可以通过串口实现与终端显示平台的连接，实验人员可以在实验完成后将实验数据传输到终端显示器而展示出来。

2  基于高速转台下的发动机压力测量系统硬件设计

2.1 基于高速转台下的发动机压力测量传感器相关设计

高速转台下的发动机在高速运转过程中会产生较高的瞬时冲击力，根据测试，本文所选用的测试发动机的瞬时冲击力可以得到58MPa。当发生较高的瞬时冲击力时，一般的压力测量传感器会因为冲击力而产生较大的漂移，导致压力测量的准确性和长期可靠性降低。而本文介绍的基于高速转台下的发动机压力测量系统则采用LTP-J2型号的溅射式压力传感器进行发动机压力测量。LTP-J2型号溅射式发动机压力传感器可以在经受高速冲击和高温变化时保持低于0.5%的零点漂移率，具有较好的稳定性，并且可以在发动机的动力运转中始终保证传感结果的准确性。该LTP-J2型号压力传感器中的压力感知元件的技术构成包括真空磁控技术、绝缘技术已经高电阻材料技术等，能够实现在压力膜片中的性能优质的惠斯顿电桥的形成，从而保证压力感知的长期良好敏感度。

因为本文介绍的压力测量系统中的传感器集成系统的信号传输功率为9mV以下，而STM33控制核心的ADC电压值的阈值限制在3.3V，因此为了能够实现观感器集成系统信息输出与信息管理的协调性，提升压力测试结果的精确性，该发动机压力测量系统构成中应该包括信息管理子系统。在信息管理子系统中，本文采用AD625型号的放大器来实现对信息传输功率的扩大。AD625型号的放大器采用经典的三运放形式的设计，能够精准适应于压力测量装置的电桥电路使用环境。压力测量人员可以通过对简易电阻装置的安置而实现对信息传输增益的有效控制，放大器的具体电路公式为RG=49.4kΩ/（G-1），其中G为信息传输的增益数值，RG为具体被安置的外部电阻数值。因为现场测试的环境同时存在一定的高频干扰，会对后续的信息转换造成精度降低的影响，因此本文在该压力测量系统中既安置了信息放大装置，同时也安置了信号滤波器装置。该压力测量系统采用运放LF353型号的信号滤波器，能够在低通状态下实现对干扰信号的有效过滤。为了防止该压力测量器的相关电路之间的运行产生相互间的干扰，该发动机压力测量系统采用了MCP6003型号的信息跟随器来进行电路缓冲，保证不同电路之间的良好电阻抗匹配效果。

2.2 基于高速转台下的发动机压力测量信息采集的设计

基于高速转台的发动机压力测量信息系统的信息采集微型控制器的型号为STM32F103VET7，该型号的微型信息采集装置内部包含有超过十二数位的高分辨率A/D装置，能够在超过1MHz的速率下实现对信息的有效转换。通过该型号信息采集与信息转换装置，发动机压力测量人员可以在微型信息采集装置的电压正极范围之内实现对信息的有效转换，并且保证信息转换后的传输电压的高精度性。信息经过转换与管理后的传输最大功率值可以达到2.45V。发动机压力测量人员应该通过对初始电压的稳定来提升信息采集的准确度。因此测量人员可以通过该系统中的REF3025电压供给单元来实现对初始电压值的穩定提供。该压力测量系统采用CC2530芯片来构建信息无线支持子系统，以实现网络传输设施的良好搭建。该发动机压力测量系统的信息储存子系统的核心芯片选择为Nor Flash的W25X64，能够实现对超过8MB信息的长期有效存储。通过W25X64芯片，该压力测量系统可以在3.75μs/Byte（130kHz）的速度下实现对信息的高速储存，充分满足压力测量系统对信息传输与储存的高要求。

2.3 基于高速转台下的发动机压力测量动态标定的设计

当进行高速转台下的发动机压力测量时，该测量系统应该实现对高速转轴与发动机压力测量传感器的同时控制，但是因为高速转轴与压力测量传感器的共线效果容易出现问题，因此测量人员可能在具体测试过程中发现该压力测量传感器在高速运转中出现受到离心力影响的位移现象，造成压力感知膜片的数据误差的出现。此时的发动机压力测量系统的数据就是发动机燃烧室压力和高速旋转产生的离心力所共同造成的结果。为了保证压力测量传感器传感膜片的数据正确，排除离心力的影响，该发动机压力测量系统采用动态标定的设计方法来实现压力测量结果的精确性。利用此种方式，该发动机压力测量系统可以明确对压力测量感知膜片造成影响的压力来源，同时将此种压力来源进行数据上的排除。该动态标定设计如图1所示。

通过对压力传感器的标准压力的确定，动态标定设计方式可以实现对不同状态下的压力数值的准确测量，从而得出动态压力输出与静态压力输出的数字差距，然后反推出传感器感知数据的误差数值，进而帮助测量人员明确压力测量的准确数值。该公式如下：ΔU=U（P）-U′（P）。

3  基于高速转台下的发动机压力测量系统软件设计

基于高速转台下的发动机压力测量系统软件部分的最重要内容是数据的采集部分。当系统被初始化之后，系统的信息感知部分处于待机状态，当外部信息传输时，该系统的信息感知部分就被唤醒。具体而言，信息通过输入脉冲的方式实现对串口指令的控制，进而实现对信息感知部分的触发。当信息感知部分被触发后，信息储存芯片将会主动对失效信息进行抹去，同时采集新信息，当信息未达到极限时，信息将会一直被循环存储。本文的软件系统采用了两个信息缓冲区域来进行信息存储，以避免信息操作的冲突出现。该软件系统的的信息采集速度消耗可以达到1.17μs。该软件设计部分所采用的信息无线传输支持子系统的芯片为CC2530。利用该芯片，设计人员可以通过对ZigBee程序内容的编写而进行对信息传输的有效控制。

4  基于高速转台下的发动机压力测量系统结构设计

基于高速转台下的发动机压力测量系统的整个结构应该能够让发动机在高速度被动运转的情况下实现对离心力影响的有效排除，同时尽量减少压力测量平台的功率消耗。该发动机压力测量系统的结构设计应该以对称设计为原则。该结构中的上端盖部分应该被设置两个开口，当测量人员向系统注入压力液时，系统中的空气可以通过开口而被排除，从而杜绝气机现象的发生。当压力液被注入系统后，测量人员通过螺栓密封测试装置，并利用螺纹等将整个系统固定在低端座上。

5  结语

综上所述，本文基于对高速转台下的发动机进行了压力测量系统的设计与分析。传统的压力测量方法会因为发动机燃烧室内的阻力等导致数值的偏差。而本文介绍的压力测量系统则直接对燃烧室内部的压力进行测量，能够在排除各种内外部干扰的情况下实现对发动机压力水平的精确测量，为发动机的应用提供科学的参考数据，从而促进我国发动机事业的发展。

参考文献：

[1]杨学广，张晓光，邢志国.航空发动机动态压力测试发展与展望[J].科技展望，2015，25（27）：144.

[2]陈海峰，邝奇，翟文化，姚羽佳.液体火箭发动机试验脉动压力测量技术研究[J].火箭推进，2016，42（05）：104-109.

[3]李富亮，雷勇.航空发动机全流程参数试验中温度和压力测量综述[J].机械设计与制造，2010（03）：255-256.