[发明专利]复合传感器及基于该传感器的航空发动机气路故障检测诊断方法

权利要求书

1.一种复合传感器，其特征是：该传感器径向截面结构为三层，外层、内层、中间层，所述外层为屏蔽电极层，该层包括有起屏蔽作用的金属屏蔽罩(1)、起结构固定兼隔离检测电极作用的径向电极(7)，在金属屏蔽罩(1)的内周上等间隔连接有多个径向电极(7)的一端；所述内层为金属管道(8)，多个径向电极(7)的另一端连接在金属管道(8)上；所述中间层为检测电极层，该层包括有多个检测电极，每个检测电极设在二个径向电极(7)之间，并固定在金属管道(8)上，每个检测电极包括有探针式静电敏感电极(2)、耐高温绝缘物质层(4)、电容敏感电极(5)、耐高温绝缘物质层(6)，在电容敏感电极(5)的中心部位有通过耐高温绝缘物质层(4)隔离的探针式静电敏感电极(2)，在电容敏感电极(5)与金属管道(8)之间设有耐高温绝缘物质层(6)。

所述检测电极为电容电极和静电电极的复合体，多个检测电极纵向截面结构设置为相距有间隔的三排电极阵列，所述三排电极阵列的第一、第三两排电极阵列为具有相关测量数据采集作用的保护电极阵列(9)，第二排电极阵列为实现管截面介电常数测量及静电测量的检测电极阵列(10)，将三排电极阵列提供的测量数据进行加权平均后的数据融合值作为测量值，以提高系统可靠性和测量精度。

2.根据权利要求1所述的复合传感器，其特征是：所述多个检测电极为十二～十六个。

3.根据权利要求1所述的复合传感器，其特征是：所述在金属屏蔽罩(1)的内周上等间隔设置的多个径向电极(7)的电极张角θ不小于20.5度。

4.一种根据权利要求1所述复合传感器的航空发动机故障诊断检测方法，该方法是采用所述的复合传感器为检测单元构建的航空发动机故障诊断系统，该系统包括有探测单元、数据采集及处理单元、计算机图像重建及数据融合单元三部分，其中数据采集及数据处理单元分为两个子系统，分别是电容检测系统数据采集及处理子系统和静电敏感检测系统数据采集及处理子系统，针对任意一排电极阵列，该方法包括有以下步骤：

①进行零点标定

对于电容检测系统数据处理子系统，零点标定也称为空管标定，具体做法：首先，将被测管道充满空气，介电常数为1(ε_l＝1)，由所述系统中独立并行的电容检测数据采集及处理子系统所包含的电容测量电路测量每一个电容值并转换成直流测量信号，经电容检测系统数据采集及处理子系统中多路开关选择后进入差分运放，电容检测系统数据采集及处理子系统中计算机控制数据采集卡的D/A转换器先输出满量程的一半，采集差分运放的输出并判断其正负来决定下一步所述D/A转换器的输出，输出信号若为正，则在上一次输出的基础上再加上它的一半，输出信号若为负，则变为上一次的一半，如此反复进行，采用A/D转换器的逐次逼近过程，直到D/A到达最后一位，然后将采集的空管电压信号送至PC机，并以此空管电压值作为基准；

对于静电敏感检测系统，则需要在被测管道充满空气，介电常数为1(ε_l＝1)的情况下，分别测量每个电极电荷量，并以此作为基准；

②进行满量程标定

满量程标定只需对电容检测系统数据处理子系统进行，满量程标定也称为满管标定，在被测管道内充满高介电常数ε_h＝3的介质情况下，为每个电容变化量测量值设置相应的增益1～16，使在满管条件下电容测量值尽量接近电容检测系统数据采集及处理子系统中每一路电容测量电路的A/D转换器的满量程值，以减小转换误差，这个过程就称为满量程标定；

③进行测量

对于电容检测系统数据处理子系统，具体做法：选择电极V₁作为激励电极，电极V₂、V₃、…、V₁₆作为测量电极，并同时测量电极V₁和V₂，V₁和V₃，…，V₁和V₁₆之间的电容，由于测量电路的输入端处于虚地状态，其测量互不影响；下一次测量选中电极V₂作为激励电极，电极V₃、V₄、…、V₁₆作为测量电极，以此类推，直至电极V₁₅作为激励电极，电极V₁₆成为测量电极；根据互易原理，得到120个独立的测量电容值；对于静电敏感检测系统，则分别测量每个电极电荷量；

④进行数据处理

对于电容检测系统数据处理子系统，当电容敏感电极i为激励电极，电容敏感电极j为测量电极时，电容敏感电极对i-j之间的电容值可由下式计算C_ij：

式中，φ_i-φ_j为激励电极i与测量电极j的电位差，A为包围电容敏感电极j的封闭曲面，Q为电容敏感电极j上的感应电荷量；

采用有限元法求解管道截面上的电位分布φ(x，y)，电荷量的计算由后处理程序通过数值积分的方法来完成；

对于静电敏感检测系统数据处理子，采用数值解法对电场求解，静电敏感电极可视为等势体，静电敏感电极表面的电场强度沿着导体法线方向，由高斯定理可以求得静电敏感电极表面的感应电荷面密度为：

σ(x,y,z)=-ϵ∂φ(x,y,z)∂n]]>

因此，沿着静电敏感电极表面S积分，则可求出静电敏感电极上的感应电量：

q=∫Sσ(x,y,z)ds]]>

其中，φ(x，y，z)为场域内电势，q为静电敏感电极表面的感应电荷量，σ(x，y，z)为静电敏感电极表面的感应电荷面密度，ε为敏感区域电介质分布；

⑤分别对第一、二、三排电极阵列进行上述①～④步骤，则可得到第一、二、三排电极阵列的三组测量值，以此三组测量值为依据，进行数据融合，进而进行航空发动机气路故障诊断；

A..由于三排电极阵列相距间距小于2cm，而被测物体航空发动机尾气属于高速流体，设定所述三排电极阵列的测量数据为同一截面的数据，因此，在处理电容敏感电极阵列或静电敏感电极阵列的测量数据时，采用加权平均法进行数据预处理，即对三排电极阵列的测量值按照电容测量值和电荷测量值分别进行加权平均，加权算术平均数的计算公式如下：

y＝∑(x_i×w_i)÷∑(w_i)

上式中x_i为各排电极阵列的测量值；w_i为各排电极阵列的对应权值；y为加权算术平均数，即对三排电极阵列预处理得到的测量值；

B.依据最小距离聚类理论，对于经过预处理后的电容检测系统数据处理子系统的测量值和静电敏感检测系统数据处理子系统的测量值进行数据融合；

本系统复合传感器包含有电容敏感电极阵列和静电敏感电极阵列共相当于32个传感器，分别对电容值和电荷量2个参数进行测量，假设第i个传感器的测量数据用列向量X_i＝(x_i1，...，x_ik)^T表示，不同传感器测量数据之间的偏差大小通过测量数据本身来确定，设任意两个传感器p、l的测量数据为X_p、X_l，定义d_pl为X_p、X_l之间的欧氏距离：

d_pl＝[(X_p-X_l)^T(X_p-X_l)]^1/2

设任意两个传感器p、l的测量数据为X_p、X_l，则d_pl为X_p、X_l之间的欧氏距离；

d_pl的值越小，则表明X_p，X_l越接近，否则偏差就很大，由此得到所有传感器的距离矩阵D：

D=d1i...d1kdk1...dkk]]>

显然，D为距离矩阵对称矩阵，主对角元素均为0；

融合算法如下：

a.将每一个电容敏感电极和静电敏感电极都视为一个传感器并作为一类，假设第i个传感器的测量数据X_i作为一类，选择距离矩阵D中除去主对角元素0之外的最小元素，设该最小元素为d_ij，即距离矩阵D中第i行第j列的元素d_ij为最小元素，则将测量数据X_i、测量数据X_j合并为一个新的类X_f＝{X_i，X_j}，对距离矩阵D划去第j列、第j行和第i行得到新矩阵D¹，然后按照下列公式：

d_fk＝min{d_ik，d_jk}，k≠i，j

计算原来的类中除去X_i，X_j后剩余的类和新类X_f之间的距离d_fk，并将d_fk作为最后一行数据补充到矩阵D¹中，于是，就得到了一个(k-1)阶的距离矩阵D₍₁₎；

b.由D₍₁₎出发重复a步骤的做法得到D₍₂₎，...，直至进行(k-1)次，使测量数据聚为一个大类为止；

c.记下每一步选择的最小元素以及合并个体的编号，对新类X_f按照下列公式进行融合，融合公式为：

f(xil,xjl)=c(xil+xjl)+(c-1)2xil·xjl1+c2-(c-1)2(xil+xjl-2xil·xjl)]]>

其中，f(x_il，x_jl)表示传感器电容敏感电极(5)和静电敏感电极(2)的测量数据的第l个分量融合后的值，c为大于1的实数；

d.经过a～c步骤的数据融合后得到最终的融合数据X。

⑥利用第⑤步骤融合后的数据与故障数据库中针对不同型号的发动机已设定的数据比照，以此结果为依据进行航空发动机故障诊断，当X≤1时，确认发动机运行正常。