航空用磁電式轉速傳感器測速系統匹配技術研究

鄭超超

摘 要：文章介紹了航空用磁電式轉速傳感器測速系統的基本結構和工作原理，通過理論研究與試驗驗證相結合的方法，對測速系統中磁電式轉速傳感器與音輪匹配技術進行分析，重點闡明了音輪存在高齒時與傳感器的匹配性對輸出波形的影響，進一步指導傳感器的匹配性設計。

關鍵詞：磁電式轉速傳感器；測速系統；匹配技術

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：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

轉速是評價航空發動機性能、試車過程監控、數據系統設計的一個極其重要的參數，也是發動機常用作被控量的參數[1]。由于磁電式轉速傳感器具有結構簡單、信號強、性能可靠和壽命長等特點，因此在航空發動機中被廣泛使用[2]。

航空用磁電式轉速傳感器測速系統主要由磁電式轉速傳感器和音輪兩部分組成，在轉速測量過程中，傳感器與音輪的匹配性直接影響信號輸出。如果匹配性不佳，會造成信號過弱、信號缺失、波形失真等問題，嚴重影響測量準確性[3]。

2 結構與原理

2.1 測速系統結構

測速系統包括傳感器和音輪兩部分，結構示意如圖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原理工作的，為變磁通式磁電感應傳感器。測速音輪裝在被測軸上，傳感器裝在機架上使其鐵芯對準音輪齒并與齒頂相隔一定間隙，就組成磁電式轉速測速系統。當音輪由被測軸帶動旋轉時，其齒頂和齒谷交替經過傳感器，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，于是線圈就感應出電動勢，即輸出信號[5]。

3 匹配技術研究

3.1 技術簡介

測速系統匹配技術是轉速測量技術的核心技術之一。其功能是通過調整傳感器與音輪的結構，使兩者相互匹配，輸出準確、完整的轉速信號。傳感器與音輪匹配技術包括音輪特性技術、傳感器感應端與音輪齒形匹配技術及傳感器感應端與音輪間隙調整技術。

3.2 傳感器與音輪結構尺寸

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

傳感器兩種結構方案如圖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。其中一個高齒比其他齒高0.35mm。音輪材料為2Cr13，2Cr13為導磁材料，能與轉速傳感器組成磁性回路。結構如圖4所示。

3.3 試驗結果

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周期為音輪高齒通過傳感器時產生的輸出波形。從不同頻率下輸出波形結果可以看出，方案一傳感器在高齒附近的幾個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，體現越為明顯。從圖5結果可以看出，當測速頻率達到1000Hz時，受高齒影響，其左右兩邊一個周期的波形均偏離中值線。測速頻率達到2000Hz時，高齒兩邊兩個周期波形與正常波形相比均產生嚴重偏差。頻率達到4000Hz時，高齒兩邊近五個周期的波形均受到嚴重影響。這樣會使信號采集產生極大的偏差，出現轉速信號不準確的故障。試驗證明，方案一傳感器波形丟失后，會造成傳感器輸出頻率與測試設備實際的轉動頻率發生偏差。在高頻時，傳感器輸出的頻率比實際轉動頻率低10%～20%。

3.3.2 方案二

按照方案一試驗方案，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周期同樣為音輪高齒通過傳感器時產生的輸出波形。從不同頻率下輸出波形結果可以看出，方案二傳感器在高齒附近的幾個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，通過后期的信號處理，能夠準確地采集轉速信號。試驗證明，方案二傳感器輸出頻率與測試設備實際的轉動頻率一致，可進行準確測量。

3.3.3 對比分析

若音輪26個齒尺寸相同，則前后齒的影響也一樣。音輪轉動一周，轉速傳感器能形成均勻分布的26個周期性類正弦波。但由于高齒的存在，當鐵芯測量端頭在高齒附近時，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，遠大于測速音輪齒形寬度和齒間距。測量端頭可同時與兩個齒形成均等的磁性回路。當測量端頭在高齒附近時，由于測量端直徑較大，在Φ7.5的范圍內，磁力線可以分散傳導，導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。方案二結構鐵芯測量端頭直徑為Φ3.5，端頭直徑小于齒寬和齒間距，能夠以某個齒為主，形成磁性回路，不會出現同時與兩個齒形成均等的磁性回路的現象。當測量端頭靠近高齒附近時，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構大大減少，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備實際轉動頻率一致，不會影響后續系統對轉速信號的采集和處理。從圖6可以看出，雖然高齒附近波形也會存在偏差，但通過后期的信號處理，能夠準確的采集轉速信號。

3.4 小結

通過上述試驗及分析，可得到以下結論：

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

（2）高齒尺寸與傳感器測量端頭尺寸的匹配性會對輸出波形產生較大影響：傳感器測量端頭直徑大于音輪齒寬及齒間距時，會嚴重影響磁電式轉速傳感器輸出波形，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，能夠實現準確的轉速測量。

4 結束語

傳感器感應測量端尺寸與音輪齒形匹配技術是航空用磁電式轉速傳感器測速系統核心技術。

測速系統中音輪特性（如高齒）會對傳感器輸出波形產生不同影響。音輪中的高齒對應傳感器輸出波形幅值高，高齒左右一個或多個周期波形會產生不同程度失真。

磁電式轉速傳感器測量端頭尺寸與音輪齒寬及齒間距的匹配性設計嚴重影響磁電式轉速傳感器輸出波形，兩者不匹配時會導致波形失真，影響信號采集。

音輪中存在高齒時，若傳感器測量端頭直徑大于音輪齒寬及齒間距，會嚴重影響磁電式轉速傳感器輸出波形，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，能夠實現準確的轉速測量。

參考文獻：

[1]徐科，黃金泉，張天宏，等.基于DSP的航空發動機轉速傳感器設計[J].推進技術，2004，25（2）：180-186.

[2]張世英，于璽興，朱杰堂，等.智能轉速傳感器設計[J].傳感器技術學報，2011，24（20）：313-316.

[3]《航空發動機設計手冊》總編委會.航空發動機設計手冊（第15冊）[M].北京：航空工業出版社，2002.

[4]彭艷，邵呂霞.航空發動機轉速傳感器的仿真及優化設計[J].科技創新與應用，2016，14：1-4.

[5]馮志書，李錕，劉永玉.某型航空發動機轉速傳感器工作原理分析[J].科技信息，2013，33：605-606.