南京航空航天大学硕士学位论文气路静电监测信号处理及测试系统设计研究姓名：钱颖雪申请学位级别：硕士专业：交通信息工程及控制指导教师：左洪福20090201南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 航空发动机气路静电监测技术是一种新型监测技术，能够对发动机气路部件实施在线故障检测和早期故障预警，解决了无法在线监测发动机气路部件故障的问题，能够提供更全面的发动机运行状态信息和故障预警，为现代民用航空发动机的维修理念向基于状态的视情维修转变提供支持。静电监测技术是基于静电感应的原理，其信号的特点是信号微弱、背景噪声大、特征难以提取。因此对静电感应信号进行处理降噪分析，从中提取信号特征是该监测技术实施过程中的关键环节。 本文对气路静电监测技术的基本原理和监测与诊断机理进行了介绍和总结，在航空发动机静电监测模拟实验台上进行了气路故障模拟，并测得了模拟故障静电监测信号；进行了气路静电监测信号处理方法研究， 针对静电监测信号的特点， 将信号处理过程分为去工频和降噪两步；利用时频、小波分析和自适应、中值理论，对模拟故障信号进行特征提取与分析降噪处理；对静电监测信号进行了奇异点检测方法研究，研究了奇异点的定位和奇异度计算问题，利用小波分析工具对实测信号进行了奇异点检测；最后开发出一套基于 LabVIEW 8.5 的静电监测系统，在航空发动机模拟实验台上进行了气路故障模拟验证实验，利用本文的降噪和检测方法对模拟静电监测信号进行分析，取得了较好的效果。为气路静电监测技术在国内的进一步研究提供了理论参考和研究依据。 关键词：关键词：航空发动机、气路、静电监测、小波变换、工频、奇异点检测、信噪比 气路静电监测信号处理及测试系统设计研究 II Abstract Aero-engine gas path debris monitoring technology is a new monitoring technology which can monitor the engine gas path components on-line and give early failure warning. It solves the problem that common monitoring technology cannot do. Whats more, it can provide more comprehensive engine state informations and support the concept of Condition Based Maintenance (CBM). Aero-engine gas path debris monitoring technology is based on the principle of electrostatic induction. Its signal is characterized in weak signal, background noise and difficult to extract. Therefore, signal processing and the signal feature extract are the key issue of the monitoring technology implementation. In this paper, the principle and characteristics of aero-engine gas path debris monitoring technology was presented. Methods of signal processing and de-noising are studied. Wavelet analysis tools, the theoretics of adapting and median are used in the processing and analyzing of the signal from the fault seeded test. The singular point detection method is also mentioned in the paper. A monitoring system is developed based on LabVIEW 8.5 in the last section. All these methods are used in the fault seeded test and receive a good result. The work of this paper supports the further investigation on the gas path debris monitoring technology. Keywords: Aircraft engine, gas path, electrostatic monitoring, wavelet transform, frequency, singular points detection, signal to noise ratio 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图表清单 图 1.1 静电监测技术实施过程.4 图 2.1 单个恒速运动点电荷静电感应模型11 图 2.2 导体感应电荷和感应电流示意图11 图 2.3 模拟实验台示意图12 图 2.4 模拟实验台实物图13 图 2.5 测量等效电路图13 图 3.1 陷波器去工频效果图17 图 3.2 小波与傅立叶变换耦合去工频效果图19 图 3.3 自适应抵消器20 图 3.4 自适应法去工频效果图20 图 3.5 小波分解的过程图解21 图 3.6 小波阈值消噪效果图22 图 3.7 小波域相关滤波效果图24 图 3.8 相关理论和中值滤波法的流程图25 图 3.9 相关中值滤波效果图25 图 3.10 去工频效果对比图.26 图 3.11 降噪效果对比图.27 图 4.1 信号奇异点与小波变换模极大值31 图 4.2 模极大值随尺度变化的性状33 图 4.3 时域信号及其模极大值曲线35 图 4.4 各层小波变换高低频系数36 图 4.5 各个尺度下小波变换模极大的波形36 图 5.1 发动机气路模拟实验系统40 图 5.2 信号监测系统41 图 5.3 本文使用的探针式静电传感器42 图 5.4 数据采集板卡43 图 5.5 欢迎界面前面板45 图5.6 Acquire事件响应时的程序框图46 图 5.7 Analyze 事件响应时的程序框图.46 气路静电监测信号处理及测试系统设计研究 VI 图 5.8 Stop 事件响应时的程序框图.46 图 5.9 数据采集模块流程图47 图 5.10 数据采集模块前面板.47 图 5.11 数据采集模块程序框图.48 图 5.12 数据分析模块前面板.48 图 5.13 在 LabVIEW 中调用 Matlab 的 MATLAB Script.49 图 5.14 去工频子事件被触发时的程序框图.49 图 5.15 降噪处理子事件被触发时的程序框图.49 图 5.16 奇异点检测子事件被触发时的程序框图.50 表 3.1 信噪比和均方根误差对比表27 表5.1 PCI-6024E数据采集卡参数表.43 南京航空航天大学硕士学位论文 VII 注释表 英文缩写 英文全称 中文译名 CBM Condition Based Maintenance 视情维修 EDMS Exhaust Debris Monitoring System 排放颗粒监测系统 IDMS Ingested Debris Monitoring System 吸入颗粒监测系统 EHM Engine Health Management 发动机健康管理 PHM Prognostic and Health Management 故障预测与状态管理 STFT Short-Time Fourier transform 短时傅立叶变换 WT Wavelet transform 小波变换 FFT Fast Fourier transform 快速傅立叶变换 DWT Discrete Wavelet Transform 离散小波变换 MRA Multi-Resolutions Analysis 多分辨率分析 WTDCF Wavelet Transform Do-main Correlation Filter小波域相关滤波方法 RMSE