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1、 航空用磁电式转速传感器测速系统匹配技术研究 郑超超摘 要：文章介绍了航空用磁电式转速传感器测速系统的基本结构和工作原理，通过理论研究与试验验证相结合的方法，对测速系统中磁电式转速传感器与音轮匹配技术进行分析，重点阐明了音轮存在高齿时与传感器的匹配性对输出波形的影响，进一步指导传感器的匹配性设计。关键词：磁电式转速传感器；测速系统；匹配技术：TP212 文献标志码：A ：2095-2945（2018）09-0053-03Abstract： This paper introduces the basic structure and working principle of the speed m
2、easurement 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 whe
3、el 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 technology1 概述轉速是评价航空发动机性能、试车过程监控、数据系统设计的一个极其重要的参数，也是发动机常用作被控量的参数1。由于磁电式转速传感器具有结
4、构简单、信号强、性能可靠和寿命长等特点，因此在航空发动机中被广泛使用2。航空用磁电式转速传感器测速系统主要由磁电式转速传感器和音轮两部分组成，在转速测量过程中，传感器与音轮的匹配性直接影响信号输出。如果匹配性不佳，会造成信号过弱、信号缺失、波形失真等问题，严重影响测量准确性3。2 结构与原理2.1 测速系统结构测速系统包括传感器和音轮两部分，结构示意如图1所示。传感器主要由磁钢、铁芯、线圈组合和外壳等零部件组成4。音轮由导磁的铁磁性材料制成齿轮、叶轮、开槽圆盘或开孔圆盘等。2.2 工作原理传感器是利用法拉利电磁感应原理工作的，为变磁通式磁电感应传感器。测速音轮装在被测轴上，传感器装在机架上使其
5、铁芯对准音轮齿并与齿顶相隔一定间隙，就组成磁电式转速测速系统。当音轮由被测轴带动旋转时，其齿顶和齿谷交替经过传感器，使传感器铁芯测量端面与音轮之间的空气间隙交替变化，引起传感器磁路的磁阻交替变化，从而使通过线圈的磁通量交替变化，于是线圈就感应出电动势，即输出信号5。3 匹配技术研究3.1 技术简介测速系统匹配技术是转速测量技术的核心技术之一。其功能是通过调整传感器与音轮的结构，使两者相互匹配，输出准确、完整的转速信号。传感器与音轮匹配技术包括音轮特性技术、传感器感应端与音轮齿形匹配技术及传感器感应端与音轮间隙调整技术。3.2 传感器与音轮结构尺寸本文以我厂典型磁电式转速传感器及音轮组成的测速系
6、统为例，分析传感器感应端与音轮齿形尺寸匹配技术。传感器两种结构方案如图2及图3所示，方案一及方案二传感器均由铁芯、线圈、磁钢和外壳组成。方案一铁芯测量端尺寸为7.5mm，方案二铁芯测量端尺寸为3.5mm。测速音轮由平均分布的26个齿组成，音轮齿形为端面矩形齿，尺寸为4.5mm（宽）6mm（高），齿间距约为4.7mm。其中一个高齿比其他齿高0.35mm。音轮材料为2Cr13，2Cr13为导磁材料，能与转速传感器组成磁性回路。结构如图4所示。3.3 试验结果3.3.1 方案一将传感器铁芯端面与音轮齿面平行正对放置，两者间距为1mm，测量音轮频率分别为200Hz、500Hz、1000Hz、2000H
7、z、3000Hz、4000Hz时传感器的输出波形。传感器不同频率下输出波形如图5所示。图5中波形幅值最高的一个周期为音轮高齿通过传感器时产生的输出波形。从不同频率下输出波形结果可以看出，方案一传感器在高齿附近的几个周期的波形存在失真，与正常波形相比，波形幅值、整体位置等存在较大偏差，且测速频率越高，体现越为明显。从图5结果可以看出，当测速频率达到1000Hz时，受高齿影响，其左右两边一个周期的波形均偏离中值线。测速频率达到2000Hz时，高齿两边两个周期波形与正常波形相比均产生严重偏差。频率达到4000Hz时，高齿两边近五个周期的波形均受到严重影响。这样会使信号采集产生极大的偏差，出现转速信号
8、不准确的故障。试验证明，方案一传感器波形丢失后，会造成传感器输出频率与测试设备实际的转动频率发生偏差。在高频时，传感器输出的频率比实际转动频率低10%20%。3.3.2 方案二按照方案一试验方案，分别测量200Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、3000Hz、4000Hz下方案二传感器的输出波形，如图6所示。图6中波形幅值最高的一个周期同样为音轮高齿通过传感器时产生的输出波形。从不同频率下输出波形结果可以看出，方案二传感器在高齿附近的几个周期的波形虽然也存在失真，但失真较轻微，仅波形峰值略微变化，通过后期的信号处理，能够准确地采集转速信号。试验证明，方案二传感器输出频率与测试设备实际
9、的转动频率一致，可进行准确测量。3.3.3 对比分析若音轮26个齿尺寸相同，则前后齿的影响也一样。音轮转动一周，转速传感器能形成均匀分布的26个周期性类正弦波。但由于高齿的存在，当铁芯测量端头在高齿附近时，由于高齿比正常齿高，故高齿与测量端头的距离在同等情况下小于正常齿与测量端头的距离，故会使磁力线分散至高齿，使得此处磁通量变化率减小，输出波形峰峰值减小。测量端头与高齿距离越近，高齿分散的磁力线越多，受高齿影響越明显，高齿附近波形失真越严重。音轮齿形尺寸为4.5（宽）6（高），齿间距约为4.7。方案一传感器铁芯测量端头直径为7.5，远大于测速音轮齿形宽度和齿间距。测量端头可同时与两个齿形成均等
10、的磁性回路。当测量端头在高齿附近时，由于测量端直径较大，在7.5的范围内，磁力线可以分散传导，导致此处磁力线较同等正常齿更多分散至高齿，输出波形峰峰值偏小，波形失真。方案二结构铁芯测量端头直径为3.5，端头直径小于齿宽和齿间距，能够以某个齿为主，形成磁性回路，不会出现同时与两个齿形成均等的磁性回路的现象。当测量端头靠近高齿附近时，由于测量端头直径范围小，磁力线分布面积较集中，分散至高齿的磁力线较方案一结构大大减少，能够明显改善波形失真的情况。方案二的传感器输出波形正常，传感器输出的频率与测试设备实际转动频率一致，不会影响后续系统对转速信号的采集和处理。从图6可以看出，虽然高齿附近波形也会存在偏
11、差，但通过后期的信号处理，能够准确的采集转速信号。3.4 小结通过上述试验及分析，可得到以下结论：（1）音轮中的高齿会对传感器输出波形产生影响：高齿对应输出波形幅值高，且周围波形会产生不同程度失真。（2）高齿尺寸与传感器测量端头尺寸的匹配性会对输出波形产生较大影响：传感器测量端头直径大于音轮齿宽及齿间距时，会严重影响磁电式转速传感器输出波形，且输出频率越高，影响越大；传感器测量端头尺寸小于音轮齿宽及齿间距时，能够实现准确的转速测量。4 结束语传感器感应测量端尺寸与音轮齿形匹配技术是航空用磁电式转速传感器测速系统核心技术。测速系统中音轮特性（如高齿）会对传感器输出波形产生不同影响。音轮中的高齿对
12、应传感器输出波形幅值高，高齿左右一个或多个周期波形会产生不同程度失真。磁电式转速传感器测量端头尺寸与音轮齿宽及齿间距的匹配性设计严重影响磁电式转速传感器输出波形，两者不匹配时会导致波形失真，影响信号采集。音轮中存在高齿时，若传感器测量端头直径大于音轮齿宽及齿间距，会严重影响磁电式转速传感器输出波形，且输出频率越高，影响越大；传感器测量端头尺寸小于音轮齿宽及齿间距时，能够实现准确的转速测量。参考文献：1徐科，黄金泉，张天宏，等.基于DSP的航空发动机转速传感器设计J.推进技术，2004，25（2）：180-186.2张世英，于玺兴，朱杰堂，等.智能转速传感器设计J.传感器技术学报，2011，24（20）：313-316.3航空发动机设计手册总编委会.航空发动机设计手册（第15册）M.北京：航空工业出版社，2002.4彭艳，邵吕霞.航空发动机转速传感器的仿真及优化设计J.科技创新与应用，2016，14：1-4.5冯志书，李锟，刘永玉.某型航空发动机转速传感器工作原理分析J.科技信息，2013，33：605-606.科技创新与应用2018年9期科技创新与应用的其它文章汽车焊装工艺测控自动化控制技术研究建筑结构工程抗震设计的作用及其要点面向BBS的通用提取算法的分析与设计汽车零部件参数化逆向设计研究汽车前保险杠设计可行性研究人机工程学与情感设计 -全文完-
