發動機旋轉部件溫度實時無線測試系統設計*

桑豆豆，盧洪義，楊禹成，章 斌，劉 舜

（南昌航空大學飛行器工程學院，江西 南昌 330063）

0 引 言

在航空發動機的研制試驗過程中，試驗測試技術對其性能的提高和完善起到了至關重要的作用［1］。在發動機整機試驗時，對旋轉部件，如渦輪葉片表面的溫度進行實時測量和分析，不僅可以對發動機整機試驗的運行安全提供保障［2］，同時還可為高性能發動機葉片的結構設計和優化提供重要數據。但是，對處于高速旋轉狀態的部件進行準確的溫度測量一直是一個技術難題。

目前，航空發動機轉子的溫度測量技術可分為接觸式測溫法和非接觸式測溫法［3］。對于示溫漆、晶體測溫這些接觸式測溫技術［4］只能獲得試驗狀態的最高溫度，不能實時監測溫度變化［5，6］；非接觸測量技術如紅外輻射測溫技術，能得到連續的溫度場數據，但受發射率測量影響，存在測量誤差大、溫度分辨率及空間分辨率低等問題［4，7］。在信號采集與處理方面，利用高性能、低功耗、微小型的STM32微控制器［8～10］可實現信號的高速采集與處理［11，12］；劉永永等人［13］設計了一種基于運算放大器和STM32 微處理器高效、穩定的傳感器信號采集和處理系統；蔡俊等人［14］設計了一種精度高、實時、便攜并能有效濾波的多通道電機振動信號采集檢測系統；程遠航等人［15］采用STM32F103微處理器設計了一種基于WiFi 的空氣質量監測無線傳感器系統，實現了空氣質量在線實時監測。

針對航空發動機旋轉部件溫度測量具有高轉速、多測量點、實時監測、測量空間狹小等特點，本文利用貼片式薄膜傳感器和微小元器件，并設計實現了基于STM32 的多通道無線溫度實時測量系統，可以對旋轉部件的不同部位實時監測其表面溫度。

1 系統總體方案

溫度實時無線測試系統由多路溫度采集硬件系統和上位機軟件系統組成。多只貼片式薄膜傳感器固定在旋轉部件上，傳感器的阻值隨溫度信號變化，經過平衡電橋輸出電壓信號到模擬轉換開關，模擬轉換開關選擇信號通道，然后電壓信號經過信號調理電路放大后進入STM32 進行模數轉換與數據采集與計算，上位機通過藍牙無線實時顯示、記錄、保存溫度信號數據。

2 系統硬件

2.1 貼片式薄膜溫度傳感器

該設計系統選擇鉑（Pt）100［16］貼片式薄膜電阻溫度傳感器，其不僅具有測溫精度高、準確度高、靈敏度高、測溫性能好、耐氧化、耐腐蝕等優點，而且在溫度非常高的環境下性質都很穩定。因此，Pt電阻測溫計被國標ITS-90 規定為基準測溫儀器。

2.1.1 測溫原理

Pt電阻在溫度變化范圍-200 ～800 ℃內可保持良好的線性程度，其所置環境溫度變化與電阻阻值滿足如下函數表達式

式中T為溫度，℃；RT為溫度T時Pt 電阻的阻值，R0為0 ℃時Pt電阻的阻值，Pt100 的R0為100 Ω；a＝3.90802 ×10-3；b＝5.801 95 ×10-7；c＝4.273 51 ×10-12；當T大于0 ℃時，c＝0。

2.1.2 電路設計

Pt100導線本身帶有電阻，導線越長，電阻越大，而溫度每變化1 ℃，Pt100電阻的阻值變化只有0.3851 Ω，因此，導線本身的電阻會大大影響測量結果，所以設計采用三線制電橋設計可以消除導線對測量結果的影響，即將導線1 根接到電橋的電源端，其余2 根分別接到傳感器所在的橋臂及其相鄰的橋臂上，這樣橋臂上同時引入相同的導線電阻，便可消除導線本身電阻的變化對平衡電橋的影響，電路如圖1所示。

圖1 三線制電橋電路

在計算輸出電壓信號時，忽略所有導線電阻的阻值，計算電壓輸入輸出傳遞函數

式中VCC為輸入電壓；U1，U2為電橋橋臂輸出電壓；R1，R2，R3為電路圖中電阻阻值；VO為電橋輸出電壓信號的值。

2.2 多路選擇開關電路設計

由于發動機測量空間狹小問題，利用多路選擇開關，使多路傳感器信號共用信號調理電路和模數轉換電路，可以簡化采集電路硬件裝置，減小采集裝置體積。

電橋的輸出信號為兩端電壓差，選用ADG507 雙8 路模擬開關。其具有高切換速度和低導通電阻；選擇開關先斷開后接通，這樣輸入信號就能防止瞬時短路；由于其還具有低泄漏電流使其適用于高精度電路。利用STM32 控制ADG507A的3 個二進制地址和1 個使能輸入的狀態，將8 路差分輸入中的一路切換到公共差分輸出。接線時將每個平衡電橋的差分輸出端分別接在SxA 和SxB（x為：1，2，…，8）引腳；根據真值表在程序設計時，選擇信號通道。

2.3 信號調理電路

由于Pt100的電阻隨溫度變化而引起輸出信號的電壓變化為毫伏（mV）級，為了將信號轉換到模／數轉換器（analog to digital converter，ADC）的有效輸入范圍內，需要將信號放大后送入ADC進行A／D 轉換，設計時選用AD623 可編程設置增益，增益最高可達1 000 倍。設計的電路如圖2 所示，其中，在＋RG與-RG之間連接電位器，通過改變電位器阻值改變放大倍數。

圖2 信號調理電路

其放大倍數K＝1 ＋100 000 Ω／R7。

2.4 主控芯片

為了提高數據采集的實時性、準確性，選用STM32F103ZET6 主控芯片，其內核是32 位高性能ARM Cortex-M3處理器，時鐘高達72 MHz，是51單片機的8倍左右，具有3個12位的A／D，共有21個ADC外部通道，每個通道經過ADG507A模擬開關可以擴展為8 路差分信號輸入，這樣每個STM32最多可以采集168 路傳感器信號。其還具有低功耗、微型化、高速度、高精度等優點，能夠滿足本文的數據采集要求。

主控芯片執行程序代碼，通過控制選擇開關的二進制控制輸入端A0、A1、A2 和使能引腳EN 選擇輸入通道；開啟A／D轉換，將模擬信號轉換為數字信號；開啟串口通信，通過藍牙向上位機傳輸數據。

2.5 A／D轉換

利用STM32 內部的12 位逐次逼近型的ADC。每個ADC具有多達18 個復用通道，可測量來自16 個外部源，這些通道的A／D 轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。A／D轉換的結果可以存儲在16位數據寄存器中。

1）分辨率：STM32的ADC輸出范圍為0 ～3.3 V，其分辨輸入電壓變化最小值為3.3 V×1／212＝0.8 mV。

2）轉換時間：STM32 內部ADC 的輸入時鐘（ADC_CLK）由APB2（外設總線2）時鐘經過分頻產生，最大值為14 MHz，APB2 總線時鐘為72 MHz，而ADC 最大工作頻率為14 MHz，所以設計時選擇設置分頻因子為6，這樣ADC_CLK為12 MHz。ADC 要完成對輸入電壓的采樣需若干個ADC_CLK周期，其中采樣周期最小是1.5 個，即要達到最快的采樣，那么應該設置采樣周期為1.5 個周期，ADC 的總轉換時間跟ADC_CLK 和采樣時間有關，其公式為Tcovn＝采樣時間＋12.5 個周期，其中，Tcovn為ADC 總轉換時間。當ADC_CLK為12 MHz時，并設置1.5 個周期的采樣時間，則系統轉換時間Tcovn＝1.5 ＋12.5 ＝14 個周期＝1.17 μs。

2.6 信號無線傳輸與接收

利用ADC轉換后的A／D值經過STM32計算后通過藍牙無線傳輸，可以在上位機（此設計為電腦和手機）實時顯示溫度傳感器所檢測到的溫度值，并在上位機進行保存，以便后續分析。

利用藍牙無線通信技術［17，18］實現信號的傳輸，相比較于WiFi、紅外等無線通信，藍牙具有低成本、低功耗、穿透性強等特點。藍牙的工作頻段在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，采用快跳頻和短包技術，該技術具有高效的抗干擾能力，使藍牙在工作頻段可有效避免干擾源，設備間的藍牙通信可以實現全雙工傳輸且數據傳輸速率可達到1 Mbps，非常適用于設備間短距離的通信，通信傳輸距離為10 m，滿足測試要求。

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

主程序首先調用硬件初始化函數，包括開啟系統時鐘、中斷分組、配置STM32引腳端口以及藍牙傳輸等。然后初始化模數轉換，讀取1 次通道1 的轉換值，將A／D 轉換值轉換為溫度值并保存，然后通過配置模擬轉換開關A0、A1、A2引腳的高低電平，以改變采樣通道，依次將傳感器所檢測到的溫度值通過藍牙發送出到上位機，最后進入程序循環，實時不間斷地向上位機傳輸數據，程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程

3.2 A／D轉換程序設計

首先使能A／D 轉換時鐘和端口時鐘，并配置引腳端口（PA1）為模擬輸入模式，然后初始化ADC 結構體，包括A／D轉換的轉換模式、觸發方式、數據對齊方式、規則序列等參數，最后使能ADC 并校準；配置好后再設置規則序列里面的通道，采樣順序以及通道的采樣周期，然后啟動A／D轉換。在轉換結束后，通過讀取函數獲取轉換結果值。

3.3 無線通信程序設計

通過藍牙控制指令將藍牙分別設置為發送和接收模式。程序設計時，首先，使能通信串口及端口時鐘，并初始化串口通信引腳為復用功能；其次，配置串口結構體，使能串口并開啟接收中斷，為了防止串口發送狀態標志位的影響，需要清除串口狀態標志位；最后，配置相應的嵌套向量中斷控制器，并使能對應中斷通道，將串口通信的搶占優先級設置為2，響應優先級設置為2；藍牙獲得通信串口的數據，向上位機發送，上位機通過與發送藍牙配對進行實時顯示數據，并保存。

4 系統測試與結果分析

4.1 硬件系統搭建與程序設計

基于以上設計的電路，將各元器件焊接在電路板上，編寫程序代碼，下載到芯片，對硬件電路進行調試，確保電路板可以正常工作。

4.2 系統驗證

多通道溫度實時無線測量系統的驗證以3 通道為例，利用標準溫度儀和本文設計的系統進行測溫，分析該設計系統的準確性，由測量結果可知：該系統的測量精度優于0.1 ℃，分辨率達到0. 01 ℃。其實驗測量結果如表1所示。

表1 實驗驗證數據分析℃

4.3 系統測試與分析

采用的紐扣溫度記錄儀是堅固耐用的自供電系統，能夠測量溫度并將測量的結果記錄在受保護的存儲器內，其測量溫度范圍0 ～120 ℃，采集時間間隔最小為1 s，采樣分辨率0.062 5 ℃，該裝置采用低功耗技術設計，無須外界電源，具有體積?。ㄖ睆?6 mm，厚度6 mm）等優點。使用時只需通過軟件設置啟動時間、采用速率，然后放置在測溫點，完成試驗后，通過軟件讀取記錄儀記錄的溫度值，并可自動生成溫度隨時間的曲線。試驗時利用紐扣記錄儀記錄的溫度數據作為參考溫度。

傳感器與測量部件固定有多種方式，為了盡量減少對測量部件表面氣體流動的影響，試驗時利用粘貼膠將傳感器與物體緊緊固定在一起。

本文試驗利用渦槳發動機試驗臺，分別將3 個貼片式薄膜傳感器固定在槳葉的50%葉高、50%軸向位置，來測量該點槳片的溫度，將紐扣溫度記錄儀緊挨著傳感器1 安裝；溫度采集與發送裝置固定在中心旋轉軸上隨旋轉軸一起旋轉，上位機在滿足藍牙通信距離的試驗臺附近。

試驗時，上位機通過藍牙無線實時顯示采集系統發送的數據。試驗結束后，將上位機和紐扣記錄儀保存的溫度值，繪制成溫度隨時間的變化曲線，如圖4所示。由于槳葉高速旋轉且所受條件相同，不同槳葉相同位置點的溫度值應該幾乎相等。由圖4 可以看出，4 條溫度曲線重合度較高，說明該測溫系統能夠較好地完成該試驗。

圖4 溫度曲線

5 結束語

為了滿足測試系統微小化，利用多路選擇開關設計，減少了測試系統的硬件元器件，降低了測試系統的體積，有利于在測試空間狹小的發動機安裝；采用信號無線傳輸技術，解決了以往在旋轉部件試驗時無法引出信號線進行實時監測信號問題；通過實驗，該系統的測量精度優于0.1 ℃，分辨率達到0.01 ℃；對于測量時對測量部件氣流流動的影響問題還需進一步研究，以優化測試裝置。