陳浩遠(yuǎn)　潘威　顧寶龍　宋洪偉　趙振平　張志強(qiáng)

摘要：研究一種應(yīng)用于振動(dòng)環(huán)境下的光電轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器采用光電轉(zhuǎn)換的原理測量機(jī)輪轉(zhuǎn)速的數(shù)值，將前端的機(jī)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)輸出，然后通過電信號(hào)推算出機(jī)輪的轉(zhuǎn)速值，設(shè)計(jì)方法可以滿足轉(zhuǎn)速測量的需求。針對(duì)航空高強(qiáng)度振動(dòng)的環(huán)境，分析光電轉(zhuǎn)速傳感器在振動(dòng)環(huán)境下的失效原因，優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)。通過對(duì)傳感器的仿真分析和振動(dòng)試驗(yàn)測試表明該光電轉(zhuǎn)速傳感器在高振動(dòng)環(huán)境下具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，能夠應(yīng)用于航空系統(tǒng)中機(jī)輪輪速測量。

關(guān)鍵詞：光電式轉(zhuǎn)速傳感器;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;振動(dòng)環(huán)境

中圖分類號(hào)：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674–5124（2019）02–0116–05

0 引言

轉(zhuǎn)速傳感器是測量物體旋轉(zhuǎn)物理參數(shù)的傳感器，在現(xiàn)代工業(yè)化信息測量中應(yīng)用廣泛，如在車輛

系統(tǒng)中測馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、在機(jī)床中可測主軸轉(zhuǎn)速等。在航空系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速測量是基礎(chǔ)測量參數(shù)之一，轉(zhuǎn)速不僅是單一的指標(biāo)參數(shù)更是評(píng)判振動(dòng)、溫度等參數(shù)效果的重要依據(jù)，因此轉(zhuǎn)速測量對(duì)于其他航空部件乃至整個(gè)航空系統(tǒng)的研制和測試有著重要的意義而航空系統(tǒng)的測量環(huán)境不同于其他環(huán)境，航空系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量對(duì)象往往是高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置，對(duì)測量其旋轉(zhuǎn)特性的傳感器要求非?？量蹋枰芨叩目煽啃院湍驼裥?。目前我國航空系統(tǒng)中用于參數(shù)采集的傳感器大多為進(jìn)口產(chǎn)品，鑒于此，研制國產(chǎn)轉(zhuǎn)速傳感器代替進(jìn)口傳感器獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速應(yīng)用于航空系統(tǒng)是亟待解決的課題。

轉(zhuǎn)速測量通常采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器和光電式轉(zhuǎn)速傳感器。航空系統(tǒng)中常用的轉(zhuǎn)速測量裝置為磁電轉(zhuǎn)速傳感器，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器為無源設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單，可以直接從被測物體吸取機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，測量方式為非接觸方式，不受油、水霧、灰塵等介質(zhì)影響等特點(diǎn)[1-8]。但是磁電式轉(zhuǎn)速傳感器也有缺陷：若被測轉(zhuǎn)速過慢（低于50r/min），輸出信號(hào)強(qiáng)度過低容易受到干擾，轉(zhuǎn)速信號(hào)難以被識(shí)別[9]。

光電轉(zhuǎn)速傳感器具有響應(yīng)速度快、精度高、分辨率高、可靠性好、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，不僅在轉(zhuǎn)速測量上，在其他參數(shù)測量應(yīng)用也十分廣泛[10-13]。光電轉(zhuǎn)速傳感器在航空領(lǐng)域使用較少，隨著國家大力發(fā)展無人機(jī)技術(shù)，和轉(zhuǎn)速傳感器技術(shù)不斷改進(jìn)，光電轉(zhuǎn)速傳感器能夠迅速?zèng)_擊國內(nèi)的軍用無人機(jī)市場，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

但是傳統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)速傳感器難以承受高量值振動(dòng)，無法適應(yīng)飛機(jī)起落架上振動(dòng)沖擊大的惡劣環(huán)境，本文針對(duì)傳統(tǒng)光電振動(dòng)傳感器的耐振性不足，采用理論分析與計(jì)算在振動(dòng)環(huán)境下失效的原因和種類，運(yùn)用仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)一種用于航空機(jī)輪轉(zhuǎn)速測量的光電轉(zhuǎn)速傳感器。

1 設(shè)計(jì)原理

光電轉(zhuǎn)速傳感器基于光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)輪轉(zhuǎn)速的測量，工作原理如圖1所示。高精度計(jì)量碼盤安裝在主軸上，碼盤兩側(cè)分別有光源和和感光元件，碼盤上有柵格。當(dāng)機(jī)輪帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碼盤隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，光源發(fā)出的光通過與機(jī)輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)的碼盤上的柵格，被調(diào)制成相應(yīng)的光脈沖;光脈沖照射到光敏元件上時(shí)，即產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速到電脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過電路調(diào)理后，輸出平穩(wěn)的頻率信號(hào)，再通過換算得出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

脈沖頻率f與轉(zhuǎn)速n成正比，光電轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)f為：

其中p為光柵碼盤開孔總數(shù)，光電轉(zhuǎn)速傳感器采用的光柵碼盤p=275。由式（1）推出實(shí)測機(jī)輪轉(zhuǎn)速（r/min）為：

2 總體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部防振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪速傳感器的外形結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由主軸、軸承、平鍵、外殼、接插件等組成;傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由碼盤、發(fā)光模塊、受光模塊、定位銷等組成。機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳感器主軸一同旋轉(zhuǎn)，碼盤安裝在主軸上，并隨主軸同步旋轉(zhuǎn)，受光模塊和發(fā)光模塊固定在外殼內(nèi)部，不隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，受光模塊輸出電脈沖信號(hào)，經(jīng)過電路調(diào)理后輸出到飛機(jī)控制系統(tǒng)。

2.2 防振內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于光學(xué)元件的特殊性，光電轉(zhuǎn)速傳感器中發(fā)光模塊和受光模塊的相對(duì)位置精度要求非常高，振動(dòng)環(huán)境下，需保證兩者振動(dòng)響應(yīng)的一致性。

相較于傳統(tǒng)的連接方式，該傳感器在結(jié)構(gòu)上采用一體化設(shè)計(jì)連接軸承的底座與底座上的支架，無需額外連接，減少了內(nèi)部各零部件的振動(dòng)響應(yīng)，支架內(nèi)孔有螺紋，與定位銷的外螺紋配合。發(fā)光模塊以過盈配合安裝在底座上，發(fā)光模塊與受光模塊之間用定位銷以過渡配合連接，碼盤固定在兩端支撐的高強(qiáng)度主軸上。發(fā)光模塊與受光模塊連接可靠，能夠在振動(dòng)環(huán)境下工作。

3 失效原理分析

如圖1所示，受光模塊工作原理是通過芯片內(nèi)部一組相鄰的感光元件進(jìn)行差分運(yùn)算，當(dāng)前一個(gè)有光照（即光源通過柵孔照射到受光模塊中的前一個(gè)感光元件），后一個(gè)無光照（即光源被碼盤阻擋，未通過柵孔照射到受光模塊中的后一個(gè)感光元件）時(shí)，輸出“1”;當(dāng)前一個(gè)無光照（即光源被碼盤阻擋，未通過柵孔照射到受光模塊中前一個(gè)感光元件），后一個(gè)有光照（即光源通過柵孔照射到受光模塊中的前一個(gè)感光元件）時(shí)，輸出“0”，交替的“0”“1”變換產(chǎn)生脈沖信號(hào)，當(dāng)兩者始終有光照或始終無光照時(shí)，受光模塊無法正常工作[14-15]。

3.1 扭轉(zhuǎn)失效

當(dāng)受光模塊發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)如圖4（a）所示，其內(nèi)部的感光元件與碼盤柵格產(chǎn)生一定角度如圖4（b）所示，此時(shí)增加了感光元件的光照時(shí)間。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度大于圖4（b）中α?xí)r，碼盤將無法完全覆蓋感光元件，感光元件B始終有一部分或全部受到光照，受光模塊將無法正常工作。因此每一個(gè)受光元件都受到光照，傳感器失效。在圖4（b）中，感光元件長度D=0.36mm;感光元件寬度λ=0.04mm;碼盤柵格寬度L=0.06mm。

因此，圖4（b）中的α滿足式（3）時(shí)受光模塊才能正常工作：

其中，β=arctan（λ/D）。得到：

3.2 平移失效

如圖5所示，由于碼盤相鄰柵格之間存在夾角，受光模塊相對(duì)碼盤橫向平移一定量值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感光元件與碼盤柵格的角度偏移。當(dāng)受光模塊由A位置偏移2L到B位置時(shí)受光模塊與編碼器之間產(chǎn)生的夾角為γ，則假定移動(dòng)的距離為S，受光模塊與碼盤形成的夾角為α，則α與S的關(guān)系為：

由式（4）、（5）得到：

3.3 計(jì)算結(jié)果

由式（5）可知S與α之間存在線性關(guān)系。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的距離Sr或?qū)嶋H位移αr其中一個(gè)參數(shù)超過臨界值傳感器失效，即滿足以下公式時(shí)，受光模塊就能正常工作：

根據(jù)式（3）～式（7），得到S與α的極限值分別為：S=0.29mm，α=3.2°。

4 仿真計(jì)算

根據(jù)傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)及定位方式，安裝過程中，受光模塊中感光元件與碼盤柵格之間存在理論的初始安裝角度α1與初始安裝位移S1，碼盤安裝在兩端支撐的高強(qiáng)度主軸上，發(fā)光模塊以過盈配合安裝在底座上，兩者安裝角度和安裝位移可忽略不計(jì)，受光模塊通過定位銷與發(fā)光模塊已過渡配合連接。如圖6所示，孔與定位銷存在最大間隙δ，兩孔的中心距離為2r。其中δ與r分別為0.04mm與10.45mm。則發(fā)光模塊中感光元件與碼盤柵格初始安裝角度α1與初始安裝位移S1為：

將實(shí)際數(shù)據(jù)代入得到α1≤0.22°，S1≤0.04mm。通過ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，施加振動(dòng)激勵(lì)10g，轉(zhuǎn)速為1300r/min，位移仿真情況如圖7所示。受光模塊振動(dòng)位移S2≤2.5×10–5mm。Sr=S1+S2，而受光模塊固定方式為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在振動(dòng)環(huán)境下形成單自由度阻尼擺動(dòng)，僅會(huì)產(chǎn)生位移振動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角度，因此αr=α1，將δ與r的實(shí)際數(shù)據(jù)代入式（7）得：

計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于臨界值，因此設(shè)計(jì)方案可行。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

僅僅理論分析與軟件仿真與實(shí)際的情況可能有一定的出入，因此需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證其正確性。對(duì)傳感器施加仿真狀態(tài)下的振動(dòng)數(shù)值，采集傳感器數(shù)據(jù)。

驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1300r/min，在試驗(yàn)過程中用IMC數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采集處理，方式如下：在方波信號(hào)的每個(gè)上升沿觸發(fā)一個(gè)事件，事件為同步輸出一個(gè)峰值為1的尖峰信號(hào)，然后通過頻率為f1=50kHz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖測量相鄰尖峰信號(hào)頂點(diǎn)之間的距離。

圖8（a）為輸出的方波信號(hào)（f2=5.96kHz），圖8（b）為觸發(fā)的尖峰信號(hào)。圖9（a）為f1=50kHz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，圖9（b）為標(biāo)準(zhǔn)脈沖的測量結(jié)果，從圖中可知觸發(fā)頻率為f2的輸出信號(hào)一次，觸發(fā)了頻率為f1的標(biāo)準(zhǔn)脈沖次數(shù)N為8次左右，通過實(shí)際計(jì)算間隔值N為：

從式（11）可知，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量得到間隔理論值與實(shí)際值相符。

將傳感器在振動(dòng)狀態(tài)下工作一段時(shí)間，進(jìn)行測量，得到200萬個(gè)測量數(shù)據(jù)，間隔值N分布如圖10所示。由于碼盤精度、輸入轉(zhuǎn)速誤差等原因，N值存在微小偏離。采樣結(jié)果顯示N∈（7，10），如果傳感器出現(xiàn)故障，丟失一個(gè)信號(hào)，那么兩個(gè)觸發(fā)時(shí)間的尖峰信號(hào)將至少增加7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖，將產(chǎn)生異常值N≥14，而實(shí)際過程中不存在異常值，無信號(hào)丟失現(xiàn)象。

從圖10中可知傳感器在振動(dòng)環(huán)境下能夠有穩(wěn)定輸出、可靠信號(hào)，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠達(dá)到防振效果，可以應(yīng)用于飛機(jī)起落架上測量機(jī)輪轉(zhuǎn)速。

6 結(jié)束語

本文首先介紹光電轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理，并依據(jù)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)了防振動(dòng)結(jié)構(gòu)的傳感器;然后分析傳感器失效的原因，根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)仿真驗(yàn)證其防振的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器在高強(qiáng)度振動(dòng)情況下仍然有穩(wěn)定的輸出，可以滿足航空轉(zhuǎn)速測量的需求，可應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)架的轉(zhuǎn)速測試。

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