旋翼轉速監控系統虛警故障研究

潘永生， 汪智超

(1.海軍駐哈爾濱地區航空軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150066；2.海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 333000)

旋翼轉速監控系統虛警故障研究

潘永生1， 汪智超2

(1.海軍駐哈爾濱地區航空軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150066；2.海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 333000)

主要論述了旋翼轉速監控系統的原理及其在使用過程中頻繁出現的輸出虛警信號故障，并對故障原因進行詳細分析，給出了具體解決方案，從根本上解決了XJZ-6型旋翼最大最小轉速探測盒輸出虛警信號故障，保證旋翼轉速監控系統工作正常。

旋翼轉速；監控；故障分析

0 引言

某型機在地面開車及空中試飛過程中，出現虛警現象(未到報警門限)，經排查為旋翼轉速監控系統輸出虛警信號。旋翼轉速系統安全級別高，因此旋翼轉速監控系統虛警會對空勤造成心理負擔，誤導空勤操縱直升機，直接影響飛行安全。

1 旋翼轉速監控系統原理

當旋翼轉速達到預定報警頻率范圍時，旋翼轉速監控系統發出高頻或低頻音調，提醒空勤立即采取措施[1-2]。通過安裝在主減速器機匣上的磁轉速傳感器測量主減速器旋翼支柱上的音輪轉速，根據轉速大小，磁傳感器輸出相應頻率信號給XJZ-6最大最小轉速探測盒，后者根據頻率的大小判斷旋翼是否欠速和超速，如有，輸出給報警器發出告警聲音(圖1)。

圖1 旋翼轉速監控系統原理

告警范圍如表1所示。

表1 告警范圍

2 故障原因分析

2.1 初步確認故障原因

1) 排除電磁干擾

由于XJZ-6探測盒安裝在機頭設備艙內，而磁傳感器安裝在主減速器上，兩者之間的導線穿過了前機身電纜通道，如果傳輸導線經過的電磁環境惡劣，可能會對旋翼轉速監控系統造成電磁干擾。通過對傳輸導線的屏蔽以及成品安裝搭接情況的測量檢查，屏蔽與搭接符合技術要求，并采用機艙內單獨飛線的方法，經過試飛，故障依舊，排除了由于線路電磁干擾而導致旋翼轉速監控系統虛警的可能。

2) 排除系統其它成品故障

將XJZ-6探測盒從機上拆下，更換為基本型XJZ-1探測盒，重新進行地面開車檢查及空中試飛驗證，故障現象消失，確認旋翼轉速監控系統中的磁傳感器和報警器無故障。

通過上述分析，初步判定為XJZ-6探測盒問題導致虛警故障。

2.2 故障原因分析

XJZ-6探測盒與XJZ-1探測盒從外部接口和工作原理上講，二者沒有區別，但是內部器件的選擇有不同，報警頻率范圍也有所不同。

1) XJZ-6與XJZ-1的控制原理

XJZ-6探測盒接收輸入的磁傳感器采集的脈沖正弦信號fin經整形電路整形后輸出矩形波，然后輸入光電隔離電路，矩形波進入單片機，矩形波的周期與時間基準經過濾波后，便得到一個與輸入脈沖信號的頻率成正比(即與旋翼轉速成正比)的直流電壓，由單片機計算分析后輸出一直流電平Vout，當Vout輸出相應高電平信號時，探測盒輸出低頻或高頻報警信號，如圖2所示。

圖2 XJZ-6原理圖

同理，XJZ-1探測盒接受輸入的正弦信號fin經整形電路整形后輸出一矩形波，然后輸入脈寬調制電路，在時基電路標準頻率調制下產生一個脈寬不變的矩形波，經二階低通濾波器濾波后輸出一直流電壓Vout，當Vout小于欠速報警比較器的基準電壓VR時，比較器輸出一高電平信號，開關三極管導通，輸出低頻報警信號；當Vout大于超速報警比較器的基準電壓VR時，比較器輸出一高電平信號，輸出高頻報警信號。如圖3所示。

圖3 XJZ-1原理圖

2)信號比較電路對故障的影響

通過對故障現象的分析，我們在試驗室通過連續改變輸入信號振幅，模擬傳感器在空中的工作狀態。試驗臺原理如圖4所示。

圖4中的旋翼最大最小轉速探測盒接上XJZ-6，將信號頻率固定在85Hz后改變其幅值，用示波器跟蹤整形電路的輸出波形時，發現在整形后的方波信號的上、下沿出現了振蕩脈沖(見圖5)。欠速指示燈時亮時滅。

按圖4換上XJZ-1時，欠速指示燈正常燃亮，符合要求。

通過接XJZ-6試驗現象分析：如果傳感器輸出信號波形中引入了振蕩脈沖，單片計算機就會誤將該脈沖認為是一個頻率比較高的信號，從而輸出報警信號。由于脈沖幅值的不穩定性，小幅值的脈沖被光電隔離電路除掉了，而大幅值的脈沖通過光電隔離電路輸送給單片機，使得欠速指示燈時亮時滅。

XJZ-6和XJZ-1在試驗中出現欠速指示燈產生不同燃亮狀態，這主要是由于兩個探測盒內部處理頻率信號的方式是不一樣的，XJZ-1采用通用運算放大器，而XJZ-6是采用電壓比較器。比較器工作在非線性區，強調快速翻轉。運算放大器的響應時間大于比較器的響應時間(F193比較器TR=1.3nS ；F007放大器TR=0.3μS)，比較器比運算放大器更加靈敏，當變化的輸入信號接近比較器門限電壓時，疊加在信號上面的干擾信號會使比較器產生誤翻轉。

根據前面分析，我們把XJZ-6由比較器構成的整形電路改為用運算放大器組成整形電路，對2件XJZ-6實施了改進，改進后的產品按圖4進行試驗后，仍有1件產品仍存在不同程度的虛警。

3)振蕩脈沖對故障的影響

通過更改XJZ-6內部比較電路后，并未真正地消除故障，從圖6中仍可以看出整形改進后電路輸、出的方波信號仍帶有振蕩脈沖，我們分析認為是傳感器輸出的信號疊加有干擾信號，從而使整形電路輸出信號也不理想。

為進一步排查原因，在地面搭建了模擬機平臺，用磁傳感器(音輪與磁傳感器的安裝間隙為0.2mm)與XJZ-6進行聯試，測試磁傳感器的輸出信號，發現在過零點電壓處存在有較大的脈沖噪聲，聯試工作情況見表2。

根據分析和試驗結果，我們嘗試用將比較參考點抬高0.7V的辦法來避開噪聲(如圖7)，改進后的探測盒經過反復試驗，發現抑制噪聲的能力得到了較好的改善，實驗室試驗結果見表3。但裝機試驗卻并不理想，4件產品中有2件產品虛警，2件產品不工作。

表2 聯試工作情況表

表3 實驗室試驗結果

指示轉速(170-345)r/min(345-380)r/min大于380r/min欠速指示燈亮滅滅超速指示燈滅滅亮

4)磁傳感器間隙對故障的影響

從可能導致產品工作不正常的多方面原因進行技術分析，均未能解決XJZ-6虛警問題。通過機上排查傳感器，發現磁傳感器在直升機上與音輪間的安裝間隙為1.5mm(此數值固定，機上不可改變)。配套廠家在出廠試驗前音輪與磁傳感器的安裝間隙為0.2mm，為比較差異，在機上對磁傳感器的輸出電壓進行了測試，發現磁傳感器在正常工作時的輸出電壓極低，旋翼轉速在250r/min時，傳感器輸出的峰峰值電壓僅為800mV，旋翼轉速在300r/min時，傳感器輸出的峰峰值電壓僅為1000mV。為得到更詳實數據，在實驗室內對磁傳感器在不同間隙下的性能進行了測試，其詳細數據見表4。從表4可以看出磁傳感器安裝間隙在0.2mm時，輸出電壓峰峰值大于間隙在0.8mm時的輸出電壓峰峰值，且磁傳感器與XJZ-6之間的傳輸導線長約為10m，通過傳輸導線后信號會有一定程度的衰減。

在磁傳感器輸出電壓極低的情況下，將比較參考點電壓抬高0.7V，XJZ-6就更難準確采集比較后的電壓信號。

改變磁傳感器與音輪間隙，與XJZ-6進行了聯試，試驗結果見表5。

表4 實驗室內磁傳感器在不同間隙下的性能測試結果

表5 聯試結果

3 解決措施

通過分析，要根本上解決XJZ-6虛警問題，須從提高整形電路克服噪聲和干擾的能力方面著手。

要使比較器克服噪聲和干擾就要改變比較器的遲滯寬度，使其噪聲和干擾在比較器的遲滯寬度內。而遲滯寬度是運算放大器上門限電壓和下門限電壓的差，提高器件工作電壓，可以有效加大遲滯寬度。

于是在將比較器改為運算放大器的基礎上，將運算放大器的工作電壓由原來的+5V改為±12V并調整相關電阻參數。按此方法改進的產品在試驗過程中，在將傳感器間隙從0.2mm到2.7mm的范圍進行變化時，產品均能正常工作，試驗結果見表6。

表6 傳感器間隙從0.2mm到2.7mm變化試驗結果

針對XJZ-6改進后試驗的情況，在XJZ-6中貫徹了兩條措施：(一)將電壓比較器改為運算放大器。因為比較器工作在非線性區，強調快速翻轉，比較器的響應時間小于運算放大器的響應時間，比較器比運算放大器更加靈敏，當變化的輸入信號接近比較器門限電平時，疊加在信號上面的干擾信號會使比較器產生誤翻轉。(二)將運算放大器的工作電壓由+5V改為±12V。因為比較器克服噪聲和干擾就要改變比較器的遲滯寬度，使其噪聲和干擾在比較器的遲滯寬度內。而遲滯寬度是運算放大器上門限電壓和下門限電壓的差，提高器件工作電壓，可以有效加大遲滯寬度。

將XJZ-6旋翼最大最小轉速探測盒按以上兩條進行改進后，在直升機上進行了多次地面開車檢查及空中試飛驗證，均未出現虛警現象，確認已完全排除故障。

4 結束語

本文通過對XJZ-6虛警故障的分析，找到了虛警故障原因。在保證原功能不受影響的前提下采取的兩條措施，從根本上解決了XJZ-6旋翼最大最小轉速探測盒輸出虛警信號故障，保證了旋翼轉速監控系統正常工作，后續的產品都得到貫徹落實，產品狀態良好。

[1] 陳顯平.傳感器技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[2] 吳文明.傳感器原理及檢測技術[M].北京：航空工業出版社，2015.

Research on False Alarm Fault of Helicopter Blade Speed Monitoring System

PAN Yongsheng1， WANG Zhichao2

(1.Navy's Military Representative Office in Harbin, Harbin 150066, China;2.Navy's Military Representative Office in Jingdezhen, Jingdezhen 333000, China)

This paper mainly discussed the principle of helicopter blade speed monitoring system and false alarm signal fault of helicopter blade speed monitoring system, gave a detailed analysis of the cause of the malfunction and specific solutions. The solution guaranteed XJZ-6 helicopter blade maximum and minimum speed monitoring system working properly.

helicopter blade speed; monitoring; fault analysis

2016-09-19

潘永生 (1978-)， 男 ，碩士， 工程師，主要研究方向：直升機使用與維護。

1673-1220(2016)04-069-04

V241.4

A