飛機輪速信號測試方法研究

艾波 閆文宇 李長江 任曉斌

摘要：為解決某飛機輪速信號測試中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)缺失、曲線階梯狀不平滑及數(shù)據(jù)回零問題，分析輪速信號測試原理及測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合待測輪速信號特性，提出輪速信號測試優(yōu)化方法，包括備份設(shè)計、直流隔離、周期測試及指標(biāo)優(yōu)化等。并針對輪速信號地面狀態(tài)特性，設(shè)計一種信號測試鏈路檢測方案。試飛測試驗證結(jié)果表明，備份數(shù)據(jù)誤差低于0.5%，數(shù)據(jù)曲線平滑，可消除數(shù)據(jù)回零現(xiàn)象，設(shè)計的輪速信號測試鏈路檢測方案可行，有助于試飛航前檢查。

關(guān)鍵詞：試飛測試;輪速;優(yōu)化;鏈路檢測

中圖分類號：V217 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）07-0025-06

收稿日期：2019-01-09;收到修改稿日期：2019-02-17

作者簡介：艾波（1988-），男，陜西渭南市人，工程師，碩士，主要從事試飛機載測試工作。

0 引言

飛機輪速是飛機起落架、剎車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，對于評估起落架、剎車控制系統(tǒng)性能，實現(xiàn)飛機的地面精準(zhǔn)操控[1-4]、確保試飛安全至關(guān)重要。同時，輪速與飛機的地面運動狀態(tài)有關(guān)，能直觀反映飛機起飛、著陸及由動至靜的瞬時特性，因此它也是最小離地速度[5-6]、最大剎車能量[7]等特殊科目試飛的重要測試參數(shù)。

輪速信號測試可分為間接式和直接式兩種。間接式即通過激光、超聲波、多普勒雷達、衛(wèi)星定位測速等方式測出飛機的地面運動速度，通過運動速度與輪速的換算關(guān)系求得。其中，多普勒雷達測速在可靠性、實時性、穩(wěn)定性等方面具有明顯的優(yōu)勢，在國外高速測量工程實踐中已廣泛應(yīng)用[8-11];國內(nèi)陳紅江等[12]對地面測速進一步研究，設(shè)計的雙天線雷達測速儀測速誤差小于1km/h，具有較高的測量精度。直接式即在機輪上加裝轉(zhuǎn)速傳感器[13]，將機輪的轉(zhuǎn)速物理量轉(zhuǎn)換為電信號，通常該電信號的頻率與轉(zhuǎn)速成正比，再通過測量該頻率（周期）參數(shù)即可實現(xiàn)輪速信號測試。

在飛行試驗中，由于多架次、數(shù)據(jù)監(jiān)控需求，以及成本、資源限制等因素，輪速信號測試廣泛采用直接式方式實現(xiàn)。而這種測量方式下，當(dāng)飛機處于靜止?fàn)顟B(tài)時，轉(zhuǎn)速傳感器無周期信號輸出，因此頻率（周期）測試數(shù)值顯示為0。而按照當(dāng)前試飛管理要求，航前參數(shù)檢查普遍在地面進行，飛機處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此很難判斷輪速信號測試狀態(tài)是否正常，一般通過航后的數(shù)據(jù)分析判斷。國內(nèi)某型飛機試飛中，輪速信號測試也采用直接式測量，而處理輪速信號測試數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)存在3種問題：1）傳輸缺失一路輪速信號，2）部分輪速曲線呈現(xiàn)階梯狀的不平滑現(xiàn)象，3）飛機速度在70kn（1kn≈0.51m/s）左右時，信號出現(xiàn)回零現(xiàn)象。

針對輪速信號故障隱蔽性高、不易復(fù)現(xiàn)的特點，研究直接式輪速信號測試中的信號產(chǎn)生原理、測量原理、測試系統(tǒng)構(gòu)成及測試鏈路特點，分析各環(huán)節(jié)影響因素，提出了備份設(shè)計、直流隔離、周期測試指標(biāo)優(yōu)化及鏈路檢測方案，實現(xiàn)了輪速信號的檢測與可靠測試，改善了輪速信號測試質(zhì)量。

1 測試原理分析

直接式輪速信號測試系統(tǒng)一般由轉(zhuǎn)速傳感器、信號調(diào)節(jié)單元和測試單元3部分組成。

1.1 轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器用于將轉(zhuǎn)速物理量轉(zhuǎn)換為周期性的電信號，常見的有電磁感應(yīng)式和霍爾效應(yīng)式兩種類型。電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器由一組線圈及電磁鐵組成，機輪轉(zhuǎn)動時帶動隨動齒輪轉(zhuǎn)動，齒槽交替靠近電磁鐵，使傳感器所在電路的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電動勢。一般傳感器輸出為正弦波信號，其頻率與隨動齒輪的齒數(shù)及齒輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，而通常齒數(shù)固定不變，因此輸出正弦波的頻率取決于齒輪轉(zhuǎn)速，即機輪轉(zhuǎn)速。霍爾效應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器主要由永磁體和霍爾元件組成，當(dāng)恒定電流流過霍爾元件，且靠近永磁體時，在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生一定的霍爾電壓，通過測量單位時間內(nèi)霍爾電壓信號的次數(shù)，即信號頻率，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號測試。

由此可見，這兩種轉(zhuǎn)速傳感器的工作機理是機輪每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出固定個數(shù)的信號波形，從而信號頻率與轉(zhuǎn)速成正比。假設(shè)機輪每轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出K個波形，則當(dāng)前轉(zhuǎn)速N（r/s）與傳感器輸出信號的頻率f（HZ）滿足式（1）：

f=N×K（1）

1.2 信號調(diào)節(jié)單元

由于電磁環(huán)境影響和機械結(jié)構(gòu)特性等原因，轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號一般是小幅值、非標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號，不便于直接進行周期（頻率）參數(shù)測試。通常需要對傳感器輸出信號先進行調(diào)節(jié)，主要包括低通濾波、整形、電平轉(zhuǎn)換，最終輸出為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號。因此，信號調(diào)節(jié)單元一般包括低通濾波電路、整形電路、電平輸出電路及電源模塊。低通濾波電路用于濾除高頻分量、抑制干擾;整形電路一般由運算放大器、比較器電路組成，實現(xiàn)輸入信號的放大和整形輸出;電平輸出電路將整形后的信號變換為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號，以利于頻率（周期）參數(shù)測試;電源模塊是DC-DC轉(zhuǎn)換電路，用于將外部激勵電壓（28V DC）轉(zhuǎn)化為各電路模塊所需的電壓值。

1.3 測試單元

測試單元用于對信號調(diào)節(jié)單元輸出的標(biāo)準(zhǔn)TTL信號的頻率（周期）參數(shù)進行檢測，通常有頻率測試和周期測試兩種方式。

1.3.1 頻率測試

頻率測試原理見圖1，在已知時間段T₁內(nèi)，對輸入的TTL信號的波形個數(shù)進行統(tǒng)計計數(shù)。假設(shè)TTL信號的周期為T_1s、頻率為f_1s，T₁時間段內(nèi)統(tǒng)計的TTL信號波形個數(shù)為N₁，則其關(guān)系滿足：

通常T₁為測試單元內(nèi)設(shè)定的計數(shù)時間間隔，若測試單元在to時刻啟動計數(shù)器開始計數(shù)，則在（t₀+T₁）時刻停止計數(shù)，完成一次計數(shù)統(tǒng)計。由于待測TTL信號與測試單元中已知時間Tl的起始和終止時刻并不具有同步關(guān)系，因此計數(shù)器開始和停止計數(shù)的時刻不完全處于TTL信號的上升沿時刻，統(tǒng)計計數(shù)值N₁的誤差最大絕對值為1。因此（2）可修正為：

由式（3）可知，當(dāng)T₁一定時，統(tǒng)計計數(shù)值N₁越大，信號頻率f_1s的計算值誤差越小。因此，輸入信號的頻率越高、周期越小，頻率測試方式計算的結(jié)果誤差越小。

1.3.2 周期測試

周期測試原理見圖2，在待測TTL信號的一個周期內(nèi)，對已知脈沖的波形個數(shù)進行統(tǒng)計計數(shù)。假設(shè)TTL信號的周期為T_1s，頻率為f_1s，已知脈沖的周期為T₂，在待測TTL信號的一個周期內(nèi)所統(tǒng)計的已知脈沖波形個數(shù)為N₂，則其關(guān)系滿足：

通常已知脈沖為測試單元內(nèi)產(chǎn)生的高頻矩形脈沖，其周期參數(shù)已知。當(dāng)檢測到TTL信號的上升沿時，計數(shù)器開始計數(shù)，而檢測到TTL信號下一個上升沿時，計數(shù)器停止計數(shù)，完成一次計數(shù)統(tǒng)計。同樣，由于待測TTL信號與已知脈沖并不具有同步關(guān)系，計數(shù)器開始和停止計數(shù)的時刻不完全處于已知脈沖的上升沿時刻，統(tǒng)計計數(shù)值N₂的誤差最大為±1。因此式（4）可修正為：

由式（5）可知，礣T₂一定時，統(tǒng)計計數(shù)值N₂越大，信號頻率f_1s的計算值誤差越小。因此，輸入信號的周期越大、頻率越小，周期測試方式計算的結(jié)果誤差越小。

2 測試方法優(yōu)化

2.1 影響因素分析

2.1.1 轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號特性

設(shè)計廠商提供了飛機上加裝的轉(zhuǎn)速傳感器技術(shù)資料，其輸出信號特性見表1。

其中，交流信號峰-峰值V_min和V_max滿足下式：

由表1可知，轉(zhuǎn)速傳感器輸出的交流信號并非是“0均值”信號，而是具有一定的直流偏置電壓，并且該直流偏置電壓并非恒定量，而是隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。

2.1.2 輪速信號測試系統(tǒng)

該飛機輪速信號測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3，結(jié)合轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號特性，分析該測試系統(tǒng)，有以下3種因素，會影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1）單一轉(zhuǎn)速傳感器感知方式

轉(zhuǎn)速傳感器安裝于起落架機輪上，處于剎車溫度、機械運動、振動等多種特性于一體的復(fù)雜環(huán)境下。除飛機首飛等特殊科目要求不進行起落架收放操作，通常每個飛行架次都會實施起落架收放，使轉(zhuǎn)速傳感器信號鏈路的環(huán)境復(fù)雜度加劇，其測試線路可能會出現(xiàn)故障或松動，會導(dǎo)致無法捕獲輪速數(shù)據(jù)。

2）信號調(diào)節(jié)單元設(shè)計基于“0均值”交流輸入信號

常見的轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號都是“0均值”的交流信號，這種情況下該信號調(diào)節(jié)單元能正常檢測周期信號，可以滿足測試需求。當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號不具備“0均值”特性，而是具有一定量的直流偏置電壓;或者該直流偏置電壓非恒定量，而是隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加，此時當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到一定程度后，其輸出的交流信號具有直流偏置電壓（設(shè)為V_x）。而整形電路對于高電平信號的判別門限低于V_x時，則電平輸出電路產(chǎn)生恒定高電平信號，即直流信號，而非TTL方波信號。此時，信號頻率的實測值為0，從而會導(dǎo)致輪速信號測試值突然變?yōu)?。

3）信號測試方式及性能指標(biāo)

該飛機的試飛機載測試系統(tǒng)采用DSI/003板卡對轉(zhuǎn)換后的TTL信號進行周期（頻率）測試，且配置為頻率測試方式，式（3）中的已知時糡T₁設(shè)置為默認(rèn)的1s作為計數(shù)基準(zhǔn)。

一般飛機起飛速度為200～300km/h，以300km/h根據(jù)表1計算，最高信號頻率約為2050Hz。同時，由于飛機的滑行過程都是始于或終止于相對靜止?fàn)顟B(tài)，因此輪速信號以低頻信號為主。文獻[14]表明，對2050Hz及更低頻率的交流信號進行頻率（周期）測試時，宜采用周期測試方式。同時，以1s為頻率測試計數(shù)基準(zhǔn)時間時，決定了每1s對測試結(jié)果統(tǒng)計一次，因此存在階梯狀的不平滑現(xiàn)象。此外，由式（5）可知，計數(shù)器N值越大則測試數(shù)據(jù)誤差越小，因此采用周期測試方式測量輪速時，應(yīng)提高計數(shù)器計數(shù)結(jié)果N。

2.2 測試方法優(yōu)化

針對上述3種影響因素，提出輪速信號測試的優(yōu)化方法，主要包括備份設(shè)計、直流隔離、周期測試及指標(biāo)優(yōu)化。并針對輪速信號特性，設(shè)計一種信號測試鏈路檢測方案，便于預(yù)先檢查輪速信號測試鏈路狀態(tài)，有助于測試排故工作。優(yōu)化的輪速信號測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

2.2.1 備份設(shè)計

考慮起落架機輪的結(jié)構(gòu)特性，在每個機輪中都加裝兩個轉(zhuǎn)速傳感器，并增加相應(yīng)的物理鏈路和測試通道資源，形成備份的測試參數(shù)。機輪轉(zhuǎn)動時，兩個轉(zhuǎn)速傳感器獨立工作，同時產(chǎn)生周期性交流信號，都能反映該機輪的轉(zhuǎn)速特性。需要指出的是，互為備份的兩個信號在試飛測試管理中作為兩個參數(shù)存在，是一種增強可靠性的冗余設(shè)計方案，而并非是同一參數(shù)的兩個信號源。在航后試飛數(shù)據(jù)分析時，由數(shù)據(jù)使用方?jīng)Q定這兩個信號的使用方式。

2.2.2 直流隔離

信號調(diào)節(jié)單元設(shè)計中，在低通濾波電路前端增加直流隔離電容，以濾除其輸入信號中的直流分量。濾除直流分量一方面能確保整形電路的輸入基本為“0均值”的交流信號，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，輸出TTL信號的頻率特性與原信號一致;另一方面能消除輸入信號中的直流干擾，避免了經(jīng)過放大器后造成的強干擾。

2.2.3 周期測試及指標(biāo)優(yōu)化

輪速信號主要為低頻信號，根據(jù)文獻[14]的分析應(yīng)采用周期測試方式進行。對比周期測試方式下已知脈沖的信號周期指標(biāo)，優(yōu)化前的機載測試系統(tǒng)中采用了DSI/003測試板卡，其已知脈沖周期指標(biāo)為9μs，優(yōu)化后的機載測試系統(tǒng)改用DSI/102測試板卡，其已知脈沖的信號周期為40ns，降低為原來的1/225。因此，相同的輸入信號特性下，周期測試中的計數(shù)器N值約為原來的225倍，有利于提高數(shù)據(jù)測量精度，減小誤差。

2.2.4 測試鏈路檢測

試飛航前檢查時，機輪與地面處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)速傳感器無輸出，輪速測試結(jié)果為0。因此，地面參數(shù)檢查時一般難以預(yù)判輪速信號的正確性，往往在航后數(shù)據(jù)處理時才能發(fā)現(xiàn)輪速數(shù)據(jù)異常，通過排故過程定位問題。這種發(fā)現(xiàn)和定位故障具有一定的滯后性。

為降低這種滯后性影響，提前發(fā)現(xiàn)和解決測試鏈路問題，如圖4所示，制作用于a點處與機上測試改裝線纜對接的實驗線纜（非裝機線纜），通過該實驗線纜將正弦波信號輸入到測試系統(tǒng)，可以檢查測試鏈路是否正常，有利于測試工程師在航前準(zhǔn)備時快速確認(rèn)信號鏈路狀態(tài)。同理，分別制作用于b、c、d點的實驗線纜，將正弦波信號輸入到測試系統(tǒng)，可逐級檢查后續(xù)設(shè)備、線纜是否正常，提高排故效率。

3 工程驗證

為獲取可靠、準(zhǔn)確的輪速數(shù)據(jù)，在后續(xù)的飛行試驗中采用了優(yōu)化的輪速信號測試系統(tǒng)，主要進行的改進情況及其測試結(jié)果如下。

3.1 備份方案實現(xiàn)

通過與設(shè)計廠商溝通，在起落架上增加轉(zhuǎn)速傳感器，并增加相應(yīng)物理鏈路和測試通道資源，形成備份的測試參數(shù)。在某次飛行試驗中，從飛機滑行至起飛過程中選取12個測試點，數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

表中列舉了2組共4個輪速信號，其中第一組WSPDL1、WSPDL2互為備份，第二組WSPDRI、WSPDR2互為備份。按照式（7）對這兩組信號的相對誤差[15]分別求期望值。其中，N為數(shù)據(jù)點數(shù)12，i=1，2，…，12。

第一、二組數(shù)據(jù)的相對誤差期望值分別為-0.33和0.07%，低于0.50%，互為備份的兩組信號特性基本一致，均能夠滿足試飛測試要求。若其中一路數(shù)據(jù)缺失時，備份數(shù)據(jù)可以作為有效數(shù)據(jù)使用，提高了數(shù)據(jù)測試的可靠性。

3.2 直流隔離實現(xiàn)

信號調(diào)節(jié)單元設(shè)計中，在輸入接口與低通濾波電路之間增加了直流隔離電容，濾除其輸入信號中的直流分量，實驗室測試結(jié)果見圖5。

實驗中將頻率為500Hz、峰一峰值為1V、直流偏置電壓為3V的交流信號輸入至信號調(diào)節(jié)單元，其輸出為500.10Hz的TTL信號。實現(xiàn)了對輸入信號的直流分量濾除，且輸出信號的頻率特性與輸入信號基本一致。

3.3 周期測試及指標(biāo)優(yōu)化實現(xiàn)

優(yōu)化的測試方案中改用DSI/102測試板卡對TTL信號進行頻率（周期）測試，并設(shè)置為周期測試模式。該板卡產(chǎn)生的已知脈沖信號的周期為40ns，降低為原來的1/225，測試數(shù)據(jù)波形見圖6和圖7。

圖6和圖7的信號波形顯示，輪速數(shù)據(jù)曲線平滑，未出現(xiàn)階梯狀現(xiàn)象。同時，速度為70kn時，輪速信號未出現(xiàn)回零現(xiàn)象，其實測值達到150kn以上。

3.4 測試鏈路檢測方案實現(xiàn)

根據(jù)測試改裝線纜的接口關(guān)系，選擇對應(yīng)的連接器，按接線定義要求制作了實驗線纜（非裝機線纜）。通過該實驗線纜，可將便攜式信號源MC5輸出的正弦波信號輸入至測試系統(tǒng)，通過檢查輪速參數(shù)可快速實現(xiàn)輪速信號測試鏈路的航前檢查。

4 結(jié)束語

針對飛機輪速信號測試現(xiàn)狀，研究了直接式輪速信號測試原理及測試系統(tǒng)，分析了信號產(chǎn)生原理、測量原理、測試系統(tǒng)構(gòu)成及測試鏈路特點，提出了備份設(shè)計、直流隔離、周期測試指標(biāo)優(yōu)化及鏈路檢測方案，方案易于實現(xiàn)且成本低，實現(xiàn)了輪速信號的檢測與可靠測試，對其他非"0均值”的交流信號、大型裝備的輪速（轉(zhuǎn)速）信號測試有重要的參考價值。然而研究內(nèi)容還存在一些不足，比如尚未考慮轉(zhuǎn)速傳感器的校準(zhǔn)方法，沒有對轉(zhuǎn)速傳感器的輸出進行標(biāo)定，因此也未研究其對測試結(jié)果的影響，今后將研究轉(zhuǎn)速傳感器的校準(zhǔn)方法，突破機上現(xiàn)場校準(zhǔn)，檢測傳感器的輸出狀態(tài)，提高數(shù)據(jù)測試的準(zhǔn)確性。

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（編輯：商丹丹）