[发明专利]基于声表面波标签的航空发动机扭矩检测系统及检测方法

说明书

本发明公开了一种基于声表面波标签的扭矩检测系统及检测方法，采用四个时分多址标签实现对航空发动机动态扭矩的检测。四个标签沿发动机转轴的周向呈差动对称形式排布，通过对所有反射栅数量与位置的整体拓扑结构进行优化设计，不仅可同时测量所有回波脉冲信号的时延和相位，而且利用相邻反射栅距离的比例关系，采用逐步递推方式获得相隔最远的回波脉冲之间无模糊的相位差，可使同一标签上相隔最远的反射栅距离达到最大，提高扭矩检测精度。阅读器发射经相位编码调制的二相键控脉冲，并采用相应的匹配滤波器对回波进行时域压缩，不仅可减小相邻最近的反射栅距离，增大扭矩检测量程，而且还可提升回波信号的信噪比，增强极端环境下的抗干扰能力。

技术领域：

本发明涉及一种基于声表面波标签的航空发动机扭矩检测系统及检测方法，属于无线无源传感领域。

背景技术：

扭矩是航空发动机最重要的试验测试参数之一。无论是整机或部件台架试车以及批量生产试飞前、服役过程中、定期维修后，都需要对航空发动机的扭矩进行检测，以确保发动机处于健康运行状态。

根据检测原理，扭矩传感器可分为应变型、转角型、反作用力型三种类型，其中转角型又可细分为磁电式、光电式和电容式。现有的各种扭矩传感器在各自具有优点的同时也存在着明显的缺点或使用限制：对于应变型扭矩传感器，温度、粘接剂等因素影响测量精度，并且抗干扰能力有待改进；磁电式的响应速度慢、动态特性差；光电式不适于起动和低转速条件；电容式不适于大尺寸转轴；反作用力型通常只应用于静态加载试验，不适于动态扭矩的测量。

由于转轴处于旋转状态，航空发动机检测扭矩时无法直接采用导线，其能量供给和信号传输通常采用导电滑环、电磁耦合、无线遥测三种方式，均存在着相应的问题：导电滑环方式会因其触头的磨损和接触电阻的变化影响传感器的测量精度和使用寿命，而且存在着较大的噪声；电磁耦合利用环形变压器来传输电源和信号，变压器及其线圈布排都对安装工艺及现场环境要求较高，并且最大转速受到限制；无线遥测通过安装在转轴上的无线收发模块实现信号的无线传输，但电源采用高能电池，其有源方式存在功耗寿命问题以及高温高压条件下的易燃易爆危险。因此，如何实现能量的可靠供给和信号的有效传输，是当前航空发动机扭矩检测面临的重要问题。

声表面波器件可分为谐振器型和延迟线型两种，分别如图1和图2所示。谐振器型声表面波器件由压电基底、叉指换能器、反射栅构成，叉指换能器两端的反射栅呈密集型阵列布置，以形成声学谐振腔；延迟线型声表面波器件由压电基底、输入叉指换能器、输出叉指换能器构成。声表面波器件可用作扭矩传感器，根据转轴扭矩导致应变进而引起器件谐振频率变化或时延变化来测量扭矩，其最显著的优点是无线功能和无源本质，即以天线作为能量和信号的传输媒介，利用压电效应，通过阅读器端的射频能量来无线供能，传感器端完全不需要电池。相比较而言，采用声表面波技术从原理上可以有效地解决现有航空发动机扭矩检测技术存在的可靠供电和信号传输的困难。

从目前公开的文献资料来看，针对基于声表面波技术的扭矩检测，国内外全部采用的是谐振器型声表面波器件，且都是基于频分多址的方案，压电基底材料通常选用石英单晶，叉指换能器和反射栅材料通常选用铝或金。上述方案用于航空发动机扭矩检测时存在着以下问题：

(1)航空发动机在飞机起动、正常飞行以及出现故障时，扭矩都会变化甚至快速变化，因此航空发动机的扭矩检测强调测量过程的实时性，即提高响应速度、实时监测扭矩的动态变化。而谐振器型声表面波器件需要通过给器件充能来使谐振腔谐振，因此阅读器发射的脉冲信号较长，导致单次测量周期长；与此同时，频分多址的方案是通过逐个轮询的方式来测量多个声表面波器件，因此响应速度进一步变慢，不适用于对实时性要求较高的航空发动机扭矩检测场合。

(2)谐振器型声表面波器件的扭矩检测精度取决于谐振频率的估计精度。若采用扫频测强度的频率估计方法，需要通过步进频率的细分来提高估计精度；若采用傅里叶变换测频谱的方法，需要通过频域插值来提高估计精度。上述两种提高精度的方法都需要牺牲时间即以进一步影响扭矩检测的实时性为代价。