直升机旋翼转速监测系统故障分析及改进研究

（航空工业直升机设计研究所，江西景德镇，333001）

电子电路设计与方案

摘要：针对直升机旋翼转速监测系统虚警问题，对旋翼转速磁传感器及旋翼转速信号处理器工作原理进行了介绍，并分析了出现虚警的机理。在此基础上，提出改进旋翼转速信号处理器信号采集电路的设计方案。经地面及飞行试验验证表明，改进电路可以有效降低虚警率。关键词：直升机；旋翼转速；虚警；改进0 引言

直升机旋翼转速旋翼转速监测系统是直升机的重要组成部分，用于监控

速超限时提供语音、灯光及显示器告警信号。旋翼转速过速

,并及时向飞行员提供转速信息，当旋翼转翼转速低”告警。

时，发出“旋翼转速高”告警，旋翼转速失速时，发出“旋目时，出现“旋翼转速低”语音和灯光告警，多功能显示器某型直升机在完成发动机不同功率状态4000米平飞科

上显示的旋翼转速值连续跳动并进入低转红区，飞行员按照应急处置程序返航，后对飞参分析证实该故障为“虚警”。显然，这种“虚警”故障严重影响着直升机的飞行安全及任务完成率，如果机组处置不当，可能还会诱发飞行事故链。如何有效降低旋翼转速监测系统的虚警率成为当前迫切需要解决的问题。

1 旋翼转速监测系统组成及原理

■ 1.1 旋翼转速监测系统组成

翼转速信号处理器、显示记录及告警器三部分组成。旋翼转直升机旋翼转速监测系统主要由旋翼转速磁传感器、旋

速磁传感器将采集到的频率信号输出至旋翼转速信号处理器，处理器分析处理后将转速及告警信息送至显示器显示，构框图如图出现转速超限时发出灯光及语言告警。旋翼转速监测系统结

1所示。旋翼转速磁旋翼转速信号显示、记录、传感器处理器告警 图■1 旋翼转速监测系统结构框图1.2.1 旋翼转速磁传感器

1.2 旋翼转速监测系统原理

行工作，当音轮转动时，轮齿靠近或远离传感器壳体内的极旋翼转速磁传感器采用磁电式传感器原理，配套音轮进

靴，改变磁阻的大小，使极靴的磁通量呈周期性变化，从而率与转速变化呈线性对应关系。

使传感器内的线圈产生感应电动势，输出电压信号，信号频

1.2.2 旋翼转速信号处理器

旋翼转速信号处理器通过采样电阻采集旋翼转速磁传

感器输出的电压信号，经过分压、滤波和限幅等输入电路调理后，将信号送至内部处理单元，对信号的频率进行采集、分析、计算及直流电压信号以对应显示旋翼转速，在检测到旋翼转速超限D/A转换等处理后，向机电管理计算机输出信号，以提供语音及灯光告警。

后向告警系统输出“旋翼转速高”或“旋翼转速低”离散量

1.2.3 旋翼转速监测系统

的附件机匣上，具有三路输出通道，供以某型直升机为例，旋翼转速磁传感器安装于主减速器

及旋翼转速信号处理器使用。旋翼转速磁传感器的接口示意1号设备、2号设备图如图2 所示。

1路输出2路输出3路输出 图旋翼转速信号处理器采集并处理磁传感器第一通道的

2 旋翼转速磁传感器接口示意图电压信号，经机电管理计算机解算后输出转速信息至多功能显示器及飞参系统；当出现转速超限时，输出离散量告警信号至灯光及语言告警器，同时在多功能显示器显示、飞参系统记录相应的告警信息。旋翼转速磁传感器第二、三通道的电压信号分别供图3是旋翼转速监控系统的原理框图。1号设备及2号设备使用。

灯光告警旋翼转速磁Ⅰ旋翼转速信号传感器处理器语音告警ⅢⅡ机电管理计算机飞参1号设备2号设备显示器图2 故障定位

3 旋翼转速监测系统原理框图型，在磁传感器运转试验台上完成了旋翼转速监控系统地面

为定位虚警原因，按直升机机上接线关系搭建试验模

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联试试验，测试了旋翼转速磁传感器及旋翼转速信号处理器的输出■ 2.1 旋翼转速磁传感器

\\输入特性。态测试，结果为分别为用万用表对磁传感器三路输出通道的线圈电阻进行静

磁传感器的第一路输出与旋翼转速信号处理器连接，第二、530Ω、535Ω、686Ω。结合图3，三路输出与备均可以正常工作，因此判断磁传感器静态检测结果正常。

1号设备、2号设备连接，而1号设备、2号设输出指标为在传感器运转台上进行动态检测，旋翼转速磁传感器的

旋翼转速为：当旋翼转速为10%时，最低输出电压为1.5VPP；■ 2.2 旋翼转速信号处理器

130%时，最低输出电压为20VPP。

旋翼转速信号处理器进行测试。保持信号发生器频率为用信号发生器模拟旋翼转速磁传感器的输出信号，对

11018.6Hz（模拟10VPP，旋翼转速信号处理器工作正常；逐步降低信号电压100%旋翼转速），初始信号电压幅值为幅值至直流电压信号跳变（对应直升机旋翼转速值跳变），且输出1.1 VPP时，旋翼转速信号处理器出现异常，输出的旋翼转速低地信号，故障表现与直升机告警状态一致。幅值低于以上测试表明，当旋翼转速信号处理器采集的输入信号根据磁传感器运转台动态检测结果，直升机转速1.1 VPP时，无法输出正确的信号，并导致误告警。信号处理器的输入电压低于时旋翼转速磁传感器输出电压应不低于1.1VPPPP时才会发生故障。为进

20V，而旋翼转速100%

一步定位故障原因，随机选取两架直升机对磁传感器进行地

面开车测试，结果为一通道输出的电压值最低为10%～1.4V100%PP，且电压有调制波动，磁

旋翼转速下磁传感器第传感器输出至旋翼转速信号处理器的电压信号接近临界工台检测电压（20V作状态。由于机上实测最低电压PP），且磁传感器其它两个输出通道的电1.4VPP远低于传感器运转压也不低于为其空载输出电压，在直升机上实际连接了电缆及旋翼转速

5VPP，由此判断，传感器运转台测试的电压结果信号处理器后，有效信号电压幅值会下降。由于旋翼转速信

号处理器的输入电路设计与旋翼转速磁传感器的输出电路匹配不合理，导致磁传感器和线路电阻分压过大，而旋翼转速处理器输入阻抗偏小，会导致分压过小，低于产品正常工作的设计边界值，从而造成旋翼转速监测系统出现虚警故障。

3 机理分析

阻、旋翼转速信号处理器采样电阻构成串联回路。旋翼转速旋翼转速磁传感器作为信号源，其线圈内阻与线路电

磁传感器输出交流正弦波信号，旋翼转速信号处理器采集电16󰀁󰀁|󰀁󰀁电子制作󰀁󰀁󰀁󰀁2019年07月

路与磁传感器连接，通过计算采样电阻的分电压值解算出对好，对回路造成的分压则越少；旋翼转速信号处理器采样电应的旋翼转速值。理论上磁传感器内阻和线路电阻越小越

阻越大，则分得的转速信号电压就会越大。旋翼转速磁传感器与旋翼转速信号处理器的接口示意图见图响交流电压幅值的有阻性、旋翼转速磁传感器的输出为交流电压信号，在电路中影4。

磁传感器线圈是一种感性电阻，根据感抗计算公式：

感性、容性三种阻抗特性。其中， XL=2πfL

(1)

频率越高，感抗就越大，则分压就越多。虽然磁传感器线其中，f为信号频率，L为线圈电感，其阻抗特性是

圈内阻在静态下测试为100%，对应的频率为11018.6Hz500～1000Ω，但当转速上升到抗在动态下为18kΩ左右。时，此时磁传感器线圈阻

线圈线路电阻采样内电阻阻传感器处理器 图旋翼转速信号处理器信号采集电路如图4 传感器与处理器接口示意图输入分压电路、5所示，主要由

“NR-”两端输入阻抗在静态下测试为滤波电路和限幅电路组成。采集电路“NR+”、集电路而言，其输入阻抗应远大于磁传感器内阻，上述结果12kΩ，对于信号采表明，旋翼转速信号处理器输入阻抗明显偏低，导致磁传感器和线路电阻上的分压过大，而处理器的输入电压则偏小。容，根据电容容抗特性，由计算公式：

另外，由于旋翼转速信号处理器信号采集电路上有滤波电

XC=1 / (2πfC)

输入信号频率增加，电容容抗呈下降趋势，造成输入频率越其中，f为信号频率，C为滤波电容，可知随着处理器

(2)

高，处理器采样电阻取得的信号电压越小。NR+R1710K/1WR18A+5VIN1R20R192KC32DX1OUT11000pF1U16NR-2IN+VO83IN-GNDV+7R214V-DIVRx65AGNDAGNDC31低通滤波器图5 旋翼转速信号处理器信号采集电路此外，旋翼转速磁传感器安装于直升机主减上，而旋翼

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转速信号处理器安装于客舱内，从传感器到处理器的输出线感，从而导致动态下的线路阻抗更大，线路上分压更多。

路总长达13m，由于线路较长则容易在导线上产生寄生电其电压幅值受负载阻抗影响较大，与之匹配的旋翼转速信号处理器须设计较高的输入阻抗，才能保证产品正常工作所需的最低电压门限。

综上分析，由于旋翼转速磁传感器输出的是高频信号，

磁传感器进行联试，试验结果见表1。

4.2.2 装机验证

车验证，试验结果见表2。

序号12产品状态改进前改进后将改进后的旋翼转速信号处理器装机试验，进行地面开

表1 旋翼转速信号处理器地面试验结果4 改进设计

■ 4.1 改进电路

表2 旋翼转速信号处理器装机试验结果序号12产品状态改进前改进后信号幅度（VPP）50%转速（5509�3󰀁Hz）12~1321~23�8󰀁信号幅度（VPP）100%转速（11018�6󰀁Hz）4�2~4�66�0~8�08信号幅度（VPP）100%转速（11018�6󰀁Hz）1�4~2�36�4~7�1的问题，对处理器信号采集电路进行改进设计。改进后的处理器信号采集电路图见图6。

配电路、限幅电路、差分隔离电路等组成，与改进前的电路相比，主要是增大了信号采集电路的输入阻抗，为了不降低原先设计的抗噪声干扰能力，增加差分放大器对输入信号进隔离后的低通滤波电路进行处理。将前级滤波电容移至差分滤波不造成影响，提高了输入电压，改进后的产品在100%转速下的动态阻抗为440kΩ。■ 4.2 试验验证

4.2.1 试验台验证

针对旋翼转速信号处理器信号采集电路采样电阻偏低改进后的旋翼转速信号处理器信号采集电路由阻抗匹

理器输入信号电压幅值有效提高，满足产品正常工作的最低电压设计要求。

经地面试验及装机试验验证，改进后的旋翼转速信号处信号幅度（VPP）50%转速（5509�3󰀁Hz）3�4~4�615�2~15�85 结论

行隔离处理，将传输线路上的干扰信号通过差分放大电路和放大器后级，保证了产品的信号采集电路无容性阻抗而对

器的信号采集电路设计不合理，与旋翼转速磁传感器的输出电路及机上线路匹配后，导致在100%转速下产品采集的信号电压幅值偏低，造成产品工作异常。低电压设计要求。

参考文献旋翼转速监测系统虚警故障是由于旋翼转速信号处理

效，输入信号电压幅值明显提高，能满足产品正常工作的最

产品改进后经地面试验及装机试飞验证，改进措施有

试验台上搭建试验模型，将改进后的旋翼转速信号处理器与NR+R17220KR5151KDX1123AGND4DX2R5051KREF1U1REFGAIN1-INV++INOUTV-GAIN2按直升机旋翼转速监控系统接线关系在磁传感器运转

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图6 改进后的旋翼转速信号处理器信号采集电路（上接第55页）

经网络clear验证了CNN的作用，最后了解了CNN的应用领域和研究方向。CNN是深度学习中的重要部分，它将在人工智能中扮演的重要角色，为生产生活的发展提供重要支持。

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