发动机旋转部件温度实时无线测试系统设计*

桑豆豆，卢洪义，杨禹成，章 斌，刘 舜

（南昌航空大学飞行器工程学院，江西 南昌 330063）

在航空发动机的研制试验过程中，试验测试技术对其性能的提高和完善起到了至关重要的作用［1］。在发动机整机试验时，对旋转部件，如涡轮叶片表面的温度进行实时测量和分析，不仅可以对发动机整机试验的运行安全提供保障［2］，同时还可为高性能发动机叶片的结构设计和优化提供重要数据。但是，对处于高速旋转状态的部件进行准确的温度测量一直是一个技术难题。

目前，航空发动机转子的温度测量技术可分为接触式测温法和非接触式测温法［3］。对于示温漆、晶体测温这些接触式测温技术［4］只能获得试验状态的最高温度，不能实时监测温度变化［5，6］；
非接触测量技术如红外辐射测温技术，能得到连续的温度场数据，但受发射率测量影响，存在测量误差大、温度分辨率及空间分辨率低等问题［4，7］。在信号采集与处理方面，利用高性能、低功耗、微小型的STM32微控制器［8～10］可实现信号的高速采集与处理［11，12］；
刘永永等人［13］设计了一种基于运算放大器和STM32 微处理器高效、稳定的传感器信号采集和处理系统；
蔡俊等人［14］设计了一种精度高、实时、便携并能有效滤波的多通道电机振动信号采集检测系统；
程远航等人［15］采用STM32F103微处理器设计了一种基于WiFi 的空气质量监测无线传感器系统，实现了空气质量在线实时监测。

针对航空发动机旋转部件温度测量具有高转速、多测量点、实时监测、测量空间狭小等特点，本文利用贴片式薄膜传感器和微小元器件，并设计实现了基于STM32 的多通道无线温度实时测量系统，可以对旋转部件的不同部位实时监测其表面温度。

温度实时无线测试系统由多路温度采集硬件系统和上位机软件系统组成。多只贴片式薄膜传感器固定在旋转部件上，传感器的阻值随温度信号变化，经过平衡电桥输出电压信号到模拟转换开关，模拟转换开关选择信号通道，然后电压信号经过信号调理电路放大后进入STM32 进行模数转换与数据采集与计算，上位机通过蓝牙无线实时显示、记录、保存温度信号数据。

2.1 贴片式薄膜温度传感器

该设计系统选择铂（Pt）100［16］贴片式薄膜电阻温度传感器，其不仅具有测温精度高、准确度高、灵敏度高、测温性能好、耐氧化、耐腐蚀等优点，而且在温度非常高的环境下性质都很稳定。因此，Pt电阻测温计被国标ITS-90 规定为基准测温仪器。

2.1.1 测温原理

Pt电阻在温度变化范围-200 ～800 ℃内可保持良好的线性程度，其所置环境温度变化与电阻阻值满足如下函数表达式

式中T为温度，℃；
RT为温度T时Pt 电阻的阻值，R0为0 ℃时Pt电阻的阻值，Pt100 的R0为100 Ω；
a＝3.90802 ×10-3；
b＝5.801 95 ×10-7；
c＝4.273 51 ×10-12；
当T大于0 ℃时，c＝0。

2.1.2 电路设计

Pt100导线本身带有电阻，导线越长，电阻越大，而温度每变化1 ℃，Pt100电阻的阻值变化只有0.3851 Ω，因此，导线本身的电阻会大大影响测量结果，所以设计采用三线制电桥设计可以消除导线对测量结果的影响，即将导线1 根接到电桥的电源端，其余2 根分别接到传感器所在的桥臂及其相邻的桥臂上，这样桥臂上同时引入相同的导线电阻，便可消除导线本身电阻的变化对平衡电桥的影响，电路如图1所示。

图1 三线制电桥电路

在计算输出电压信号时，忽略所有导线电阻的阻值，计算电压输入输出传递函数

式中VCC为输入电压；
U1，U2为电桥桥臂输出电压；
R1，R2，R3为电路图中电阻阻值；
VO为电桥输出电压信号的值。

2.2 多路选择开关电路设计

由于发动机测量空间狭小问题，利用多路选择开关，使多路传感器信号共用信号调理电路和模数转换电路，可以简化采集电路硬件装置，减小采集装置体积。

电桥的输出信号为两端电压差，选用ADG507 双8 路模拟开关。其具有高切换速度和低导通电阻；
选择开关先断开后接通，这样输入信号就能防止瞬时短路；
由于其还具有低泄漏电流使其适用于高精度电路。利用STM32 控制ADG507A的3 个二进制地址和1 个使能输入的状态，将8 路差分输入中的一路切换到公共差分输出。接线时将每个平衡电桥的差分输出端分别接在SxA 和SxB（x为：1，2，…，8）引脚；
根据真值表在程序设计时，选择信号通道。

2.3 信号调理电路

由于Pt100的电阻随温度变化而引起输出信号的电压变化为毫伏（mV）级，为了将信号转换到模／数转换器（analog to digital converter，ADC）的有效输入范围内，需要将信号放大后送入ADC进行A／D 转换，设计时选用AD623 可编程设置增益，增益最高可达1 000 倍。设计的电路如图2 所示，其中，在＋RG与-RG之间连接电位器，通过改变电位器阻值改变放大倍数。

图2 信号调理电路

其放大倍数K＝1 ＋100 000 Ω／R7。

2.4 主控芯片

为了提高数据采集的实时性、准确性，选用STM32F103ZET6 主控芯片，其内核是32 位高性能ARM Cortex-M3处理器，时钟高达72 MHz，是51单片机的8倍左右，具有3个12位的A／D，共有21个ADC外部通道，每个通道经过ADG507A模拟开关可以扩展为8 路差分信号输入，这样每个STM32最多可以采集168 路传感器信号。其还具有低功耗、微型化、高速度、高精度等优点，能够满足本文的数据采集要求。

主控芯片执行程序代码，通过控制选择开关的二进制控制输入端A0、A1、A2 和使能引脚EN 选择输入通道；
开启A／D转换，将模拟信号转换为数字信号；
开启串口通信，通过蓝牙向上位机传输数据。

2.5 A／D转换

利用STM32 内部的12 位逐次逼近型的ADC。每个ADC具有多达18 个复用通道，可测量来自16 个外部源，这些通道的A／D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。A／D转换的结果可以存储在16位数据寄存器中。

1）分辨率：STM32的ADC输出范围为0 ～3.3 V，其分辨输入电压变化最小值为3.3 V×1／212＝0.8 mV。

2）转换时间：STM32 内部ADC 的输入时钟（ADC_CLK）由APB2（外设总线2）时钟经过分频产生，最大值为14 MHz，APB2 总线时钟为72 MHz，而ADC 最大工作频率为14 MHz，所以设计时选择设置分频因子为6，这样ADC_CLK为12 MHz。ADC 要完成对输入电压的采样需若干个ADC_CLK周期，其中采样周期最小是1.5 个，即要达到最快的采样，那么应该设置采样周期为1.5 个周期，ADC 的总转换时间跟ADC_CLK 和采样时间有关，其公式为Tcovn＝采样时间＋12.5 个周期，其中，Tcovn为ADC 总转换时间。当ADC_CLK为12 MHz时，并设置1.5 个周期的采样时间，则系统转换时间Tcovn＝1.5 ＋12.5 ＝14 个周期＝1.17 μs。

2.6 信号无线传输与接收

利用ADC转换后的A／D值经过STM32计算后通过蓝牙无线传输，可以在上位机（此设计为电脑和手机）实时显示温度传感器所检测到的温度值，并在上位机进行保存，以便后续分析。

利用蓝牙无线通信技术［17，18］实现信号的传输，相比较于WiFi、红外等无线通信，蓝牙具有低成本、低功耗、穿透性强等特点。蓝牙的工作频段在全球通用的2.4 GHz ISM频段，采用快跳频和短包技术，该技术具有高效的抗干扰能力，使蓝牙在工作频段可有效避免干扰源，设备间的蓝牙通信可以实现全双工传输且数据传输速率可达到1 Mbps，非常适用于设备间短距离的通信，通信传输距离为10 m，满足测试要求。

3.1 主程序设计

主程序首先调用硬件初始化函数，包括开启系统时钟、中断分组、配置STM32引脚端口以及蓝牙传输等。然后初始化模数转换，读取1 次通道1 的转换值，将A／D 转换值转换为温度值并保存，然后通过配置模拟转换开关A0、A1、A2引脚的高低电平，以改变采样通道，依次将传感器所检测到的温度值通过蓝牙发送出到上位机，最后进入程序循环，实时不间断地向上位机传输数据，程序流程如图3所示。

图3 程序流程

3.2 A／D转换程序设计

首先使能A／D 转换时钟和端口时钟，并配置引脚端口（PA1）为模拟输入模式，然后初始化ADC 结构体，包括A／D转换的转换模式、触发方式、数据对齐方式、规则序列等参数，最后使能ADC 并校准；
配置好后再设置规则序列里面的通道，采样顺序以及通道的采样周期，然后启动A／D转换。在转换结束后，通过读取函数获取转换结果值。

3.3 无线通信程序设计

通过蓝牙控制指令将蓝牙分别设置为发送和接收模式。程序设计时，首先，使能通信串口及端口时钟，并初始化串口通信引脚为复用功能；
其次，配置串口结构体，使能串口并开启接收中断，为了防止串口发送状态标志位的影响，需要清除串口状态标志位；
最后，配置相应的嵌套向量中断控制器，并使能对应中断通道，将串口通信的抢占优先级设置为2，响应优先级设置为2；
蓝牙获得通信串口的数据，向上位机发送，上位机通过与发送蓝牙配对进行实时显示数据，并保存。

4.1 硬件系统搭建与程序设计

基于以上设计的电路，将各元器件焊接在电路板上，编写程序代码，下载到芯片，对硬件电路进行调试，确保电路板可以正常工作。

4.2 系统验证

多通道温度实时无线测量系统的验证以3 通道为例，利用标准温度仪和本文设计的系统进行测温，分析该设计系统的准确性，由测量结果可知：该系统的测量精度优于0.1 ℃，分辨率达到0. 01 ℃。其实验测量结果如表1所示。

表1 实验验证数据分析℃

4.3 系统测试与分析

采用的纽扣温度记录仪是坚固耐用的自供电系统，能够测量温度并将测量的结果记录在受保护的存储器内，其测量温度范围0 ～120 ℃，采集时间间隔最小为1 s，采样分辨率0.062 5 ℃，该装置采用低功耗技术设计，无须外界电源，具有体积小（直径16 mm，厚度6 mm）等优点。使用时只需通过软件设置启动时间、采用速率，然后放置在测温点，完成试验后，通过软件读取记录仪记录的温度值，并可自动生成温度随时间的曲线。试验时利用纽扣记录仪记录的温度数据作为参考温度。

传感器与测量部件固定有多种方式，为了尽量减少对测量部件表面气体流动的影响，试验时利用粘贴胶将传感器与物体紧紧固定在一起。

本文试验利用涡桨发动机试验台，分别将3 个贴片式薄膜传感器固定在桨叶的50%叶高、50%轴向位置，来测量该点桨片的温度，将纽扣温度记录仪紧挨着传感器1 安装；
温度采集与发送装置固定在中心旋转轴上随旋转轴一起旋转，上位机在满足蓝牙通信距离的试验台附近。

试验时，上位机通过蓝牙无线实时显示采集系统发送的数据。试验结束后，将上位机和纽扣记录仪保存的温度值，绘制成温度随时间的变化曲线，如图4所示。由于桨叶高速旋转且所受条件相同，不同桨叶相同位置点的温度值应该几乎相等。由图4 可以看出，4 条温度曲线重合度较高，说明该测温系统能够较好地完成该试验。

图4 温度曲线

为了满足测试系统微小化，利用多路选择开关设计，减少了测试系统的硬件元器件，降低了测试系统的体积，有利于在测试空间狭小的发动机安装；
采用信号无线传输技术，解决了以往在旋转部件试验时无法引出信号线进行实时监测信号问题；
通过实验，该系统的测量精度优于0.1 ℃，分辨率达到0.01 ℃；
对于测量时对测量部件气流流动的影响问题还需进一步研究，以优化测试装置。

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