鄭超超

摘 要：文章介紹了航空用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，通過理論研究與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對測速系統(tǒng)中磁電式轉(zhuǎn)速傳感器與音輪匹配技術(shù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)闡明了音輪存在高齒時(shí)與傳感器的匹配性對輸出波形的影響，進(jìn)一步指導(dǎo)傳感器的匹配性設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器；測速系統(tǒng)；匹配技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）09-0053-03

Abstract： This paper introduces the basic structure and working principle of the speed measurement system of magnetoelectric speed sensor for aeronautical use. By the method of combining theoretical research with experimental verification， the matching technology between magnetoelectric speed sensor and voice wheel is analyzed in this paper. The effect of matching between the sound wheel and the sensor when the sound wheel has high teeth on the output waveform is expounded， and the matching design of the sensor is further guided.

Keywords： magnetoelectric speed sensor； speed measuring system； matching technology

1 概述

轉(zhuǎn)速是評價(jià)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能、試車過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)極其重要的參數(shù)，也是發(fā)動(dòng)機(jī)常用作被控量的參數(shù)[1]。由于磁電式轉(zhuǎn)速傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、信號(hào)強(qiáng)、性能可靠和壽命長等特點(diǎn)，因此在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中被廣泛使用[2]。

航空用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測速系統(tǒng)主要由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器和音輪兩部分組成，在轉(zhuǎn)速測量過程中，傳感器與音輪的匹配性直接影響信號(hào)輸出。如果匹配性不佳，會(huì)造成信號(hào)過弱、信號(hào)缺失、波形失真等問題，嚴(yán)重影響測量準(zhǔn)確性[3]。

2 結(jié)構(gòu)與原理

2.1 測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測速系統(tǒng)包括傳感器和音輪兩部分，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。傳感器主要由磁鋼、鐵芯、線圈組合和外殼等零部件組成[4]。音輪由導(dǎo)磁的鐵磁性材料制成齒輪、葉輪、開槽圓盤或開孔圓盤等。

2.2 工作原理

傳感器是利用法拉利電磁感應(yīng)原理工作的，為變磁通式磁電感應(yīng)傳感器。測速音輪裝在被測軸上，傳感器裝在機(jī)架上使其鐵芯對準(zhǔn)音輪齒并與齒頂相隔一定間隙，就組成磁電式轉(zhuǎn)速測速系統(tǒng)。當(dāng)音輪由被測軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其齒頂和齒谷交替經(jīng)過傳感器，使傳感器鐵芯測量端面與音輪之間的空氣間隙交替變化，引起傳感器磁路的磁阻交替變化，從而使通過線圈的磁通量交替變化，于是線圈就感應(yīng)出電動(dòng)勢，即輸出信號(hào)[5]。

3 匹配技術(shù)研究

3.1 技術(shù)簡介

測速系統(tǒng)匹配技術(shù)是轉(zhuǎn)速測量技術(shù)的核心技術(shù)之一。其功能是通過調(diào)整傳感器與音輪的結(jié)構(gòu)，使兩者相互匹配，輸出準(zhǔn)確、完整的轉(zhuǎn)速信號(hào)。傳感器與音輪匹配技術(shù)包括音輪特性技術(shù)、傳感器感應(yīng)端與音輪齒形匹配技術(shù)及傳感器感應(yīng)端與音輪間隙調(diào)整技術(shù)。

3.2 傳感器與音輪結(jié)構(gòu)尺寸

本文以我廠典型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器及音輪組成的測速系統(tǒng)為例，分析傳感器感應(yīng)端與音輪齒形尺寸匹配技術(shù)。

傳感器兩種結(jié)構(gòu)方案如圖2及圖3所示，方案一及方案二傳感器均由鐵芯、線圈、磁鋼和外殼組成。方案一鐵芯測量端尺寸為φ7.5mm，方案二鐵芯測量端尺寸為φ3.5mm。

測速音輪由平均分布的26個(gè)齒組成，音輪齒形為端面矩形齒，尺寸為4.5mm（寬）×6mm（高），齒間距約為4.7mm。其中一個(gè)高齒比其他齒高0.35mm。音輪材料為2Cr13，2Cr13為導(dǎo)磁材料，能與轉(zhuǎn)速傳感器組成磁性回路。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 方案一

將傳感器鐵芯端面與音輪齒面平行正對放置，兩者間距為1mm，測量音輪頻率分別為200Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、3000Hz、4000Hz時(shí)傳感器的輸出波形。傳感器不同頻率下輸出波形如圖5所示。

圖5中波形幅值最高的一個(gè)周期為音輪高齒通過傳感器時(shí)產(chǎn)生的輸出波形。從不同頻率下輸出波形結(jié)果可以看出，方案一傳感器在高齒附近的幾個(gè)周期的波形存在失真，與正常波形相比，波形幅值、整體位置等存在較大偏差，且測速頻率越高，體現(xiàn)越為明顯。從圖5結(jié)果可以看出，當(dāng)測速頻率達(dá)到1000Hz時(shí)，受高齒影響，其左右兩邊一個(gè)周期的波形均偏離中值線。測速頻率達(dá)到2000Hz時(shí)，高齒兩邊兩個(gè)周期波形與正常波形相比均產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。頻率達(dá)到4000Hz時(shí)，高齒兩邊近五個(gè)周期的波形均受到嚴(yán)重影響。這樣會(huì)使信號(hào)采集產(chǎn)生極大的偏差，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)不準(zhǔn)確的故障。試驗(yàn)證明，方案一傳感器波形丟失后，會(huì)造成傳感器輸出頻率與測試設(shè)備實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率發(fā)生偏差。在高頻時(shí)，傳感器輸出的頻率比實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)頻率低10%～20%。

3.3.2 方案二

按照方案一試驗(yàn)方案，分別測量200Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、3000Hz、4000Hz下方案二傳感器的輸出波形，如圖6所示。圖6中波形幅值最高的一個(gè)周期同樣為音輪高齒通過傳感器時(shí)產(chǎn)生的輸出波形。從不同頻率下輸出波形結(jié)果可以看出，方案二傳感器在高齒附近的幾個(gè)周期的波形雖然也存在失真，但失真較輕微，僅波形峰值略微變化，通過后期的信號(hào)處理，能夠準(zhǔn)確地采集轉(zhuǎn)速信號(hào)。試驗(yàn)證明，方案二傳感器輸出頻率與測試設(shè)備實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致，可進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

3.3.3 對比分析

若音輪26個(gè)齒尺寸相同，則前后齒的影響也一樣。音輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，轉(zhuǎn)速傳感器能形成均勻分布的26個(gè)周期性類正弦波。但由于高齒的存在，當(dāng)鐵芯測量端頭在高齒附近時(shí)，由于高齒比正常齒高，故高齒與測量端頭的距離在同等情況下小于正常齒與測量端頭的距離，故會(huì)使磁力線分散至高齒，使得此處磁通量變化率減小，輸出波形峰峰值減小。測量端頭與高齒距離越近，高齒分散的磁力線越多，受高齒影響越明顯，高齒附近波形失真越嚴(yán)重。

音輪齒形尺寸為4.5（寬）×6（高），齒間距約為4.7。方案一傳感器鐵芯測量端頭直徑為Φ7.5，遠(yuǎn)大于測速音輪齒形寬度和齒間距。測量端頭可同時(shí)與兩個(gè)齒形成均等的磁性回路。當(dāng)測量端頭在高齒附近時(shí)，由于測量端直徑較大，在Φ7.5的范圍內(nèi)，磁力線可以分散傳導(dǎo)，導(dǎo)致此處磁力線較同等正常齒更多分散至高齒，輸出波形峰峰值偏小，波形失真。方案二結(jié)構(gòu)鐵芯測量端頭直徑為Φ3.5，端頭直徑小于齒寬和齒間距，能夠以某個(gè)齒為主，形成磁性回路，不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)與兩個(gè)齒形成均等的磁性回路的現(xiàn)象。當(dāng)測量端頭靠近高齒附近時(shí)，由于測量端頭直徑范圍小，磁力線分布面積較集中，分散至高齒的磁力線較方案一結(jié)構(gòu)大大減少，能夠明顯改善波形失真的情況。方案二的傳感器輸出波形正常，傳感器輸出的頻率與測試設(shè)備實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致，不會(huì)影響后續(xù)系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集和處理。從圖6可以看出，雖然高齒附近波形也會(huì)存在偏差，但通過后期的信號(hào)處理，能夠準(zhǔn)確的采集轉(zhuǎn)速信號(hào)。

3.4 小結(jié)

通過上述試驗(yàn)及分析，可得到以下結(jié)論：

（1）音輪中的高齒會(huì)對傳感器輸出波形產(chǎn)生影響：高齒對應(yīng)輸出波形幅值高，且周圍波形會(huì)產(chǎn)生不同程度失真。

（2）高齒尺寸與傳感器測量端頭尺寸的匹配性會(huì)對輸出波形產(chǎn)生較大影響：傳感器測量端頭直徑大于音輪齒寬及齒間距時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出波形，且輸出頻率越高，影響越大；傳感器測量端頭尺寸小于音輪齒寬及齒間距時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速測量。

4 結(jié)束語

傳感器感應(yīng)測量端尺寸與音輪齒形匹配技術(shù)是航空用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測速系統(tǒng)核心技術(shù)。

測速系統(tǒng)中音輪特性（如高齒）會(huì)對傳感器輸出波形產(chǎn)生不同影響。音輪中的高齒對應(yīng)傳感器輸出波形幅值高，高齒左右一個(gè)或多個(gè)周期波形會(huì)產(chǎn)生不同程度失真。

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測量端頭尺寸與音輪齒寬及齒間距的匹配性設(shè)計(jì)嚴(yán)重影響磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出波形，兩者不匹配時(shí)會(huì)導(dǎo)致波形失真，影響信號(hào)采集。

音輪中存在高齒時(shí)，若傳感器測量端頭直徑大于音輪齒寬及齒間距，會(huì)嚴(yán)重影響磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出波形，且輸出頻率越高，影響越大；傳感器測量端頭尺寸小于音輪齒寬及齒間距時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速測量。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐科，黃金泉，張?zhí)旌?，?基于DSP的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計(jì)[J].推進(jìn)技術(shù)，2004，25（2）：180-186.

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[3]《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊》總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊（第15冊）[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[4]彭艷，邵呂霞.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016，14：1-4.

[5]馮志書，李錕，劉永玉.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器工作原理分析[J].科技信息，2013，33：605-606.