民用飛機輪速傳感器綜述

趙蘭浩 孟慶堂 鄭楚良 李 冰 錢 浩 尚耀星

(1. 上海飛機設計研究院，上海 201210； 2. 北京航空航天大學，北京 100191；3. 北京航辰機載智能系統科技有限公司，北京 102488)

0 引言

飛機輪速傳感器的功能是測量飛機滑跑時的機輪輪速，其應用需求最初是在飛機防滑剎車系統中被提出的：飛機著陸時為了保證安全并獲得最大的剎車制動效果，減少飛機降落滑跑距離，同時避免輪胎在干燥混凝土上爆裂或在結冰跑道上打滑以及減少輪胎磨損，必須時刻監控飛機滑跑時的輪速，防止輪胎抱死打滑。也有一些飛機將輪速傳感器信號作為擾流板或其他著陸系統的反饋輸入從而控制著陸時機輪上承載的重量。防滑剎車系統伴隨著飛機的誕生，經歷了近百年的蓬勃發展，作為其中關鍵的反饋測量元件，飛機輪速傳感器也被諸多業內人員創新研究，提出了各式各樣的原理與結構。

1 發展歷史

1929年，法國Automobile公司與航空業先驅Gabriel Voisin首次開發出了純機械式防滑制動系統，采用一個固定連接在機輪上的滾筒和一個單向離合器連接的飛輪作慣性輪速傳感器，當機輪打滑時滾筒速度比飛輪速度低，兩者產生相對運動從而實現差速檢測。20世紀50年代，英國的Dunlop公司基于該機械的差速檢測原理推出了Maxaret系統，被迅速應用在Handley Page Victor、BAC TSR-2等軍用飛機以及Hawker Siddeley Trident、de Havilland Comet等民航客機上。與此同時，美國的Hydro-Aire公司也基于機械式慣性輪速傳感器開發出Hydro-Aire Hytrol System，也被稱為MARK I防滑剎車控制系統，于1948年應用于B-47飛機，隨后被應用于B-52、F-100、C-300、RF84F等飛機上，1956年第一次應用于波音707-100民航客機。

1958年，美國Hydro-Aire公司采用電控的技術路線開發了模擬式的第二代Hydro-Aire MARK II防滑制動系統，該系統通過測量機輪轉速，經過電路運算得到機輪速度變化率，以固定的參考加速度為誤差門限進行控制。為此開發了基于變磁阻的電磁輪速傳感器，其定、轉子上都布置有齒槽，機輪帶動輪速傳感器轉子旋轉時氣隙寬度發生變化，導致磁阻變化從而在線圈上產生頻率正比于輪速的交流信號，實現將輪速信號轉換為電信號。該原理的輪速傳感器沿用到60年代推出的MARK III系統、以及80年代推出的MARK IV系統。采用MARK III系統的波音747輪速傳感器如圖 1所示。

圖1 波音747輪速傳感器

美國Goodyear Aircraft公司開發了一款分體式的電磁輪速傳感器，由一個磁環和傳感器組成，傳感器安裝在軸上，磁環安裝在輪轂蓋上，機輪旋轉時傳感器產生頻率正比于機輪速度的交流信號，實現將輪速信號轉換為電信號。該輪速傳感器被應用在美國Lockheed Corporation于20世紀70年代研發的L-1011三星客機上。

法國Gispano Suiza公司開發了一款直流測速發電機作輪速傳感器，定子上安裝有耐高溫的永磁體，電樞轉子隨機輪旋轉時產生電壓幅值正比于輪速的直流信號，實現將輪速信號轉換為電信號。該輪速傳感器被應用在20世紀70年代英法聯合設計的協和號超音速飛機上。

CIRCOR公司基于變磁阻開發的ST系列輪速傳感器被應用在空客的A300、A310、A319、A320、A321、A330、A340多款飛機上，其外形如圖2所示。

圖2 ST80輪速傳感器

國外民航領域發展到現在，波音公司主要采用Crane集團下Hydro-Aire公司的輪速傳感器，空客公司主要采用Safran集團及其供應商如CIRCOR等的輪速傳感器。

2 輪速傳感器分類

不同飛機的輪速傳感器結構形式各不相同，但是根據其基本工作原理可以大致將傳統的輪速傳感器分為變磁阻式輪速傳感器和直流發電機式輪速傳感器這兩類。目前波音與空客的民機大多采用變磁阻式輪速傳感器，因此基于該原理的輪速傳感器種類結構最為豐富，可以將其按圖 3所示分類。

圖3 變磁阻式輪速傳感器分類

2.1 變磁阻式輪速傳感器

變磁阻式輪速傳感器的基本結構由定子、轉子以及若干支撐軸承組成，定、轉子都由軟磁材料制成，在定、轉子氣隙表面布置有相同數量的齒，定子上纏繞有線圈，如圖4所示。基本工作原理為：由勵磁電路向定子線圈輸出電流建立恒定磁場或由永磁體建立恒定磁場，當轉子隨機輪旋轉時，定、轉子間齒與齒相對則磁路的磁阻小，齒與槽相對則磁阻大。

圖4 磁阻式輪速傳感器工作原理圖

假設氣隙磁阻沿正弦規律變化，根據電感公式及電磁感應定律有：

其中，f：磁阻變化頻率，n：輪速，k：輪速傳感器齒數，L：線圈電感，N：線圈匝數，R：平均磁阻，r：交變磁阻幅值，ψ：磁鏈，I：勵磁電流，e：感應電動勢。

可知，當磁阻變化時會導致定子線圈電感發生變化，因而在勵磁電流中感生了頻率正比于輪速的交流信號。

1)電勵磁輪速傳感器

早期的電勵磁輪速傳感器的轉子為圓盤狀，在結構上與定子軸向排列，因此轉子內圓和外圓包含有兩段氣隙。在轉子外圓氣隙中布置有齒槽，內側氣隙未被利用，在定子上繞有線圈，通過航插將線圈線引出即為輸出信號線。波音737飛機的輪速傳感器為單軸承支撐結構，轉子外圓有150齒結構，每轉動一周輸出150個脈沖，其結構如圖5所示。

圖5 波音737輪速傳感器結構

波音747飛機的輪速傳感器在結構上將單軸承支撐替換為雙軸承支撐，更好保證齒槽處氣隙均勻，使得輸出脈沖的波動小。最初的波音747輪速傳感器為50齒結構，為了提高轉速的測量精度，逐步采用了200齒的結構，得到了更高頻率的輸出信號，因而需要時間常數較小的信號濾波器，從而使得信號滯后減小。在工作時可以對外輸出約5

V

的交流信號，其結構如圖6所示。

圖6 波音747輪速傳感器結構

在一些專利中還提出了徑向磁場式的飛機輪速傳感器結構，如圖 7所示，將轉子布置在內側，定子布置在外側，但暫未發現其應用于實際飛機中。

圖7 徑向磁場輪速傳感器結構

電勵磁輪速傳感器的獨特優點在于其具有方便的上電自檢性，當傳感器的繞組因熱或沖擊損壞，則勵磁電流必然為零；但同時它也具有相應的缺點，由于圓盤狀轉子的輪速傳感器沒有利用全部氣隙，導致其磁阻變化較小，需要很多的定子線圈匝數才能輸出幅值較大、抗干擾能力強的頻率信號。這就導致了定子線圈的電阻大，甚至達到數百歐姆，需要較高的直流電壓才能產生所需的勵磁電流，對勵磁及檢測電路提出了較高的要求。

2)永磁輪速傳感器

永磁輪速傳感器利用永磁體來提供軸向的恒定磁場，從而降低了對勵磁電流、勵磁電壓的需求，有利于勵磁及檢測電路的設計，其結構原理如圖 8所示。

圖8 永磁體安裝結構

并且為了解決圓盤狀轉子只利用單邊氣隙使得磁阻變化較小的問題，新的永磁輪速傳感器在結構改進后多為杯狀外轉子，在結構上布置在定子徑向外側，且在定、轉子兩段氣隙表面都布置了齒槽，使得兩端氣隙都被利用，磁路布局更加合理。例如波音777飛機的輪速傳感器，結構如圖 9所示。

圖9 波音777輪速傳感器結構

波音777飛機上的輪速傳感器實物如圖 10所示，左側為定子，右側為杯狀外轉子，其結構如圖 9所示，定子部分安裝有永磁體，永磁體外纏繞有繞組線圈，該輪速傳感器的齒數為150。

圖10 波音777輪速傳感器圖

永磁式輪速傳感器的優點在于不需要勵磁電流，因而繞組匝數較小，并且結構布局更加合理；但同時它也具有故障判斷比較復雜的問題，當傳感器停止輸出信號時，邏輯電路需要額外判斷機輪是真實停止還是傳感器損壞。

3)同心安裝輪速傳感器

分體式同心安裝輪速傳感器的傳感器部分與轉子部分是各自獨立的。轉子安裝在機輪上，隨機輪一同旋轉，傳感器部分安裝在機輪固定不動的軸上。轉子部分由軟磁材料制成，傳感器部分包含線圈、永磁體、極靴等結構。圖11所示為洛馬公司的

L

-1011飛機上的輪速傳感器，傳感器部分有4個磁極，每個磁極上有4個齒，導磁環上有48個同樣的齒，當機輪帶動導磁環旋轉時，在傳感器磁極與導磁環齒之間產生正比于輪速的磁場脈動，從而在繞組引出線上產生正比于輪速的交流信號。

圖11 L-1011飛機輪速傳感器

4)軸側安裝輪速傳感器

分體式軸側安裝輪速傳感器的轉子部分安裝在機輪上，傳感器部分不需要與機輪同軸安裝，如圖12所示。這樣的好處是易于結構布置，機輪同軸的位置可以安裝其他部件。

圖12 分體式輪速傳感器結構

分體式輪速傳感器的優點在于傳感器部分沒有運動部件，因此不需要花鍵等連接機構。傳統的分體式輪速傳感器缺點在于它可能存在三種類型的誤差。第一類是由于安裝時定、轉子之間產生恒定軸向偏移導致不能嚴格保證氣隙寬度，使得輸出信號的幅值整體增大或減小。第二類誤差是由于安裝時定、轉子之間不同心，導致氣隙寬度隨轉動位置發生變化，使得輸出信號的幅值隨轉動位置發生變化。第三類誤差是由于機輪高速運動中產生的振動導致氣隙寬度發生隨機變化，使得在輸出信號上疊加隨機干擾。

2.2 直流式輪速傳感器

直流式輪速傳感器的本質就是直流測速發電機，其定子上安裝有永磁體，轉子纏繞有繞組，繞組引出線連接到換向器上，并將兩個碳刷通過彈簧壓在換向器上將信號輸出。機輪帶動轉子轉動時，轉子繞組輸出電壓正比于輪速的直流電壓信號。英法聯合設計的協和號超音速客機上所用的直流式輪速傳感器如圖13所示。

圖13 直流式輪速傳感器

直流式輪速傳感器中，碳刷與換向器的摩擦導致其容易損壞，因而壽命較低，可靠性較低，需要經常維護是其最大的缺點，同時也制約了其應用，已經逐漸被淘汰。

2.3 霍爾式輪速傳感器

霍爾式輪速傳感器是利用霍爾效應測量磁場變化的原理來測量機輪轉速。基于霍爾元件的輪速傳感器通常由殼體、霍爾測速組件、永磁環、處理電路組成。圖14所示左側為安裝在輪軸上的霍爾測速組件，圓環上每隔5°安裝一個霍爾元件，共等距安裝72個霍爾元件。右側為安裝在機輪上的永磁環，等距安裝有4個永磁體。永磁環隨機輪轉動時，因為存在缺口，磁環表面附近產生了周期變化的磁場，當一個缺口轉動經過一個霍爾元件時，該元件產生一個方波，測速組件將霍爾元件信號輸出到數字電路中進行處理，即可得到輪速。

圖14 霍爾式輪速傳感器

波音787飛機的輪速傳感器采用了霍爾方案，并被集成化設計在遠程數據集中器中。傳感器部分結構如圖 15所示，左側為1

/

4的測速組件環，其上每隔5°安裝有一個霍爾元件。右側為安裝在機輪輪轂上的永磁環，環上有6段永磁體。

圖15 波音787霍爾式輪速傳感器

相比傳統輪速傳感器，新的霍爾方案具有體積小重量輕、響應速度快、安裝誤差干擾小的優勢。

2.4 光電式輪速傳感器

一些專利中提出的光電式輪速傳感器是利用光電開關的光敏特性來測量機輪轉速。如圖16所示，光電式輪速傳感器結構通常由外殼、轉子軸、編碼盤、光發生器、光電開關等部分組成，編碼盤隨轉子軸一同轉動。光電碼盤上有若干小孔，當光電開關被光發生器通過編碼盤小孔的光照射到時，會輸出方波信號到處理電路，根據編碼盤上的孔數即測出軸的轉速。但此類原理的輪速傳感器暫未發現被應用于實際飛機。

圖16 光電式輪速傳感器結構

3 關鍵技術及其發展趨勢

應用傳統的電勵磁、永磁輪速傳感器是目前在役飛機的主流，其關鍵技術可以歸納總結為以下幾點：

1)高可靠性：輪速傳感器所處環境具有強振動的特點，對軸承等機械結構、繞組的可靠安裝固定提出了很高的要求。

2)耐高溫性：輪速傳感器安裝在溫度可達1 000 ℃的剎車盤附近，因此其全性能溫度范圍至少為：-55 ℃～100 ℃，并在瞬時承受180 ℃不損壞。

3)低速輸出特性：在輪速較低時，輪速傳感器需要保證具有幅值較大，頻率準確的可靠輸出信號。需要在設計中，優化電磁設計，使輪速傳感器主磁通大，磁阻變化大，決定著輪速傳感器的輸出精度。

隨著技術的進步，許多采用新原理新技術的傳感器方案與其他信息采集模塊進行集成化，輕量化設計，成為輪速傳感器最新的發展趨勢。以波音787飛機主起落架上的遠程數據集中器為例，其中集成了采用霍爾原理的輪速傳感器、防滑保護、剎車溫度、胎壓監控等模塊，在集中器中將所有信息集中后發送到剎車控制與監控系統中進行控制，與傳統單體檢測元件的傳感器相比，整體結構緊湊重量輕。

4 結論

飛機防滑剎車系統中的機輪測速系統是復雜的檢測系統，輪速傳感器是該檢測系統的關鍵測量元件。為了保證機輪測速系統的準確可靠，需要從輪速傳感器的分辨率、抗干擾能力、可靠性與可維護性等多方面綜合確定輪速傳感器的測量原理與結構，才能滿足飛機機輪測速系統與飛機防滑剎車系統的要求。當前國內輪速傳感器的研究仍基于傳統的變磁阻原理，輪速傳感器是獨立的單體元件，國外最新飛機的數據采集模塊中多傳感器的集成化、輕量化設計是未來重要的發展趨勢。