便攜式可調轉速位移試驗器的研制

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

磁電式轉速傳感器（以下簡稱傳感器）作為一種非接觸式轉速測量傳感器，具有結構簡單、使用壽命長、測量精度高、輸出穩定等特點，被廣泛應用于航空發動機中[1]。當傳感器輸出信號電壓幅值過低時，發動機控制系統將無法正確采集到轉速信號；過高時，會對發動機控制系統的電子元器件造成損壞，因此需要對其輸出性能進行檢測，確保輸出電壓幅值在規定范圍內。

可調轉速位移試驗器（以下簡稱試驗器）是用于模擬發動機的轉速信號，對傳感器在不同間隙、不同轉速下的輸出特性進行檢測的專用設備。傳統的可調轉速位移試驗器體積龐大、拆卸困難，難以攜帶。當傳感器需要在外場開展環境試驗時，由于傳統的試驗器無法攜帶，傳感器無法在工作態下開展試驗，不能滿足試驗的需求。另外如果傳感器在外場使用過程中出現異常現象時，由于缺少試驗器，無法在現場對傳感器的輸出特性進行實時檢測，從而不能及時的對傳感器的故障進行判別。因此需要研制一套便攜式的試驗器以滿足傳感器在不同場合不同環境下的檢測需求。

1.磁電式轉速傳感器工作原理

磁電式轉速傳感器工作原理為：測速齒輪的勵磁齒與傳感器導磁體之間有間隙δ（見圖1所示），間隙δ的周期性交替變化改變了磁路中的磁阻，引起穿過線圈的磁通量變化，從而在線圈兩端感應出周期性感應電勢，感應電勢的頻率與轉速正相關。

圖1 磁電式轉速傳感器的工作原理

2.傳統試驗器

傳統試驗器主要分為2類：一類是通過變頻調速器控制電主軸運轉，電主軸通過高速聯軸器帶動齒輪旋轉，如圖2所示。該類設備通常需要使用水冷裝置，同時變頻調速器控制容易產生干擾影響傳感器的輸出特性檢測，該類設備通常總重超過200kg，安裝拆卸不易難以攜帶；另一類試驗器是通過低速電機帶動變速齒輪箱以輸出不同范圍的轉速，如圖3所示。齒輪箱采用兩級平行軸傳動結構，需要水冷裝置和噴油潤滑，拆裝均需進行動平衡，拆卸十分不便。

圖2 電主軸式轉速傳感器試驗器

圖3 齒輪箱式轉速傳感器試驗器

3.便攜式試驗器設計

根據傳感器的工作原理和其在航空發動機上的實際工作狀態，開展了便攜式試驗器的研制。首先，傳感器的測速齒輪尺寸小、重量輕、不帶負載，所以對于便攜式試驗器的電機功率要求不高；其次，傳感器的輸出特性與傳感器的安裝方式、齒輪、轉速以及傳感器與齒輪之間的間隙相關，為了準確模擬傳感器在發動機上的工作狀態，便攜式試驗器的齒輪以及傳感器的安裝方式需與發動機上保持一致，而對于便攜式試驗器的轉速控制和間隙調節有較高的要求。據此設計的便攜式試驗器如圖4所示，主要由機械系統和數字控制系統2個部分組成。

圖4 便攜式試驗器設計圖

3.1 機械系統設計

便攜式試驗器的機械系統主要由齒輪、電機、精密位移機構、測試平臺等組成。整體結構采用西門子公司的NX11軟件進行設計，如圖5所示。便攜式試驗器能夠同時安裝兩支傳感器，間隙調節精度高、體積小巧、拆卸簡單、易于攜帶。

圖5 試驗器機械設計圖

3.1.1 電機設計

采用Maxon公司的EC25高速無刷直流電機代替傳統的電主軸，無刷直流電機具有壽命長、轉速高、尺寸小巧、電磁干擾低等特點，能夠大幅度的減小系統體積、無需水冷裝置方便攜帶，能夠滿足傳感器的檢測需求。

3.1.2 精密位移機構設計

精密位移機構是由雙自由度的位移機構和高精度數顯千分尺組成，通過數顯千分尺推動位移機構移動完成間隙的調節，其間隙調節精度高達1μm。同時結構簡單拆卸方便，能夠滿足不同傳感器的安裝需求。

3.1.3 測試平臺設計

測試平臺整體結構緊湊穩固，采用有機玻璃作為前保護罩，能夠直觀的觀察到設備的運行狀態，減輕了系統的重量。同時在試驗器齒輪的徑向方向使用不銹鋼防護罩，能夠有效的防護電機失效時的安全風險，保障操作者的安全。

3.2 數字控制系統設計

數字控制系統的主要作用是驅動電機旋轉，在轉速范圍內實現無級調速，測量轉速并顯示。數字控制系統主要包括：電機控制模塊和測速模塊。

3.2.1 電機控制模塊

電機控制模塊主要由EC25無刷直流電機、伺服控制器ESCON70/10以及轉速調節、電機啟動/停止組成。由于傳感器需要在特定的轉速點下進行輸出特性檢測，對于轉速的穩定性和控制精度要求較高，而EC25無刷直流電機自帶3個霍爾傳感器，3個霍爾傳感器彼此之間相差120°，能夠準確探測轉子的位置，配合Maxon公司的ESCON70/10伺服控制器，采用轉速閉環控制，轉速控制精度可以達到0.05% Fs。

3.2.2 測速模塊設計

測速模塊主要的功能是實現轉速的測量及顯示。目前常用的轉速測量方法有周期法、測頻法和等精度測頻法。其中周期法和測頻法的測試精度均與被測信號的頻率相關，而等精度測頻法能夠通過調整閘門時間使其與被測信號同步，從而實現整個測試頻段的等精度測量[2]。傳感器的輸出特性檢測中既需要測量低頻信號又需測量高頻信號，所以等精度測頻法更加適用。測速模塊的工作原理如圖6所示，先將傳感器的轉速信號經過整形濾波電路轉換成方波信號，再與CPU所設置的預置閘門信號一起進入D觸發器，當fi的上升沿到來時，所設預置閘門信號的電平直接控制計數器1和計數器2啟動和停止。設計數器1對轉速信號頻率fi進行計數的值為M，計數器2對標準時鐘頻率f0進行計數的值為N, 則兩個計數器在同時啟動計數和停止計數所用的時間相等，即：

圖6 測速模塊的工作原理圖

轉速信號n的公式如下：

用MODELSIM軟件對測速模塊功能仿真，其結果如圖7所示，測量過程中閘門開關能夠根據轉速信號進行控制調整，使得采集時間為轉速信號周期的整數倍，確保了全頻段等精度測量，其測量的最大誤差只有±1個基準時鐘周期，測量精度高。

圖7 測速模塊功能仿真

3.2.3 整體布局設計

為了滿足數字控制系統的安裝布局，選擇合適的機箱，減輕重量，需要對整體布局進行設計。這里采用Altium Designer 20 軟件進行電路設計，完成后將三維模型導出，再結合大功率直流電源、伺服控制器、機箱等模型，按照各器件的功能和散熱要求進行布局，如圖8所示，整體布局設計提高了系統的可視性、維護性，同時也提高了整個系統的空間利用率。

圖8 測速模塊布局設計

4.應用舉例

某型傳感器需要在外場進行電磁兼容試驗以驗證復雜電磁環境對傳感器工作狀態的影響。本文設計的便攜式試驗器如圖9所示，電磁干擾低、體積小巧、便于攜帶，將其帶至外場與傳感器一起進行了電磁兼容試驗，確保了試驗的順利完成。

圖9 試驗器實物圖

5.結語

本文設計的試驗器具有體積小巧重量輕、精度高、操作簡單、易攜帶等優點。目前已經廣泛應用于傳感器的輸出特性檢測和外場試驗中，為交付高質量的傳感器提供了有效的檢測手段。