沈強(qiáng)

【摘 要】本文以一種安裝在起落架上的典型接近傳感器為研究對(duì)象，以開(kāi)關(guān)信號(hào)特征曲線為基礎(chǔ)，對(duì)傳感器及其靶標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式和行程設(shè)置、信號(hào)干擾因素的影響以及安裝的穩(wěn)定性和調(diào)試等給出了設(shè)計(jì)要求和建議。

【關(guān)鍵詞】起落架；接近傳感器；布置；安裝；調(diào)試

電感式接近傳感器是一種有開(kāi)關(guān)量輸出的位置指示與告警設(shè)備，主要由高頻振蕩器和放大處理電路組成。接電后，傳感器的振蕩感應(yīng)頭產(chǎn)生電磁場(chǎng)，當(dāng)由金屬制成的靶標(biāo)向感應(yīng)頭靠近至電磁場(chǎng)作用范圍內(nèi)時(shí)，靶標(biāo)內(nèi)部產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流反作用于傳感器，引起內(nèi)部電路參數(shù)的變化，由此識(shí)別出靶標(biāo)的接近與否，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)信號(hào)的通或斷。

由于電感式接近傳感器具有工作可靠、性能穩(wěn)定、重復(fù)定位精度高、無(wú)機(jī)械磨損、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)火花、無(wú)噪音、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)[1]，得以在飛機(jī)起落架控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。典型的例子是起落架收放機(jī)構(gòu)中安裝在鎖撐桿上的一對(duì)接近傳感器，傳感器和金屬靶標(biāo)分別固定安裝于兩段式鎖撐桿的上、下部分，收放過(guò)程中，隨著鎖撐桿的折疊或展開(kāi)，靶標(biāo)與傳感器感應(yīng)頭的距離也會(huì)接近或者遠(yuǎn)離，從而完成對(duì)位置量的測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)反饋給駕駛艙，實(shí)現(xiàn)機(jī)組對(duì)起落架收放的位置感知和控制。

本文以某型飛機(jī)裝備的一種典型接近傳感器為對(duì)象，介紹了以傳感器-靶標(biāo)距離為基本變量的信號(hào)開(kāi)關(guān)控制曲線。從運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)行程的選擇、運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)位置的精度分析、傳感器信號(hào)干擾因素等幾個(gè)方面，重點(diǎn)對(duì)接近傳感器及其靶標(biāo)的布置設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。同時(shí)，給出了傳感器安裝時(shí)的穩(wěn)定性等一般性要求以及安裝后的調(diào)試需求。

1 傳感器信號(hào)開(kāi)關(guān)控制曲線

由接近傳感器的工作原理可知，靶標(biāo)與傳感器感應(yīng)頭之間的距離是控制信號(hào)開(kāi)關(guān)的唯一外部激勵(lì)。為便于分析，又將這一距離向量分解為X，Y，Z三個(gè)方向分量，其中X表示為從靶標(biāo)前緣到傳感器中心軸線的距離，Y表示為靶標(biāo)端面對(duì)稱(chēng)線與傳感器感應(yīng)端面對(duì)稱(chēng)線之間的距離，Z表示為靶標(biāo)端面與傳感器感應(yīng)頭端面之間的距離。

以X和Z為基本變量，反映靶標(biāo)-傳感器距離與信號(hào)開(kāi)關(guān)之間關(guān)系的就是傳感器的信號(hào)開(kāi)關(guān)控制曲線，如下圖1所示，是分別表示觸發(fā)“靶標(biāo)接近”和“靶標(biāo)離開(kāi)”信號(hào)時(shí)“門(mén)檻”位置的兩條邊界曲線。

當(dāng)靶標(biāo)與傳感器的距離位于藍(lán)色邊界，即Ga曲線以下時(shí)，可確保傳感器發(fā)生的信號(hào)被處理并反饋給機(jī)組的信息是“靶標(biāo)接近”，即顯示為“起落架放下”；同理，當(dāng)靶標(biāo)與傳感器的距離位于紅色邊界，即Gd曲線以上時(shí)，可確保傳感器發(fā)生的信號(hào)被處理并反饋給機(jī)組的信息是“靶標(biāo)離開(kāi)”，即顯示為“起落架收起”。

2 傳感器及其靶標(biāo)的布置要求

傳感器與靶標(biāo)的布置應(yīng)當(dāng)以確保信號(hào)的發(fā)生精度和可靠性為主要目標(biāo)，需要重點(diǎn)考慮的包括靶標(biāo)向傳感器接近的方式、由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)行程需求、靶標(biāo)在其行程終點(diǎn)位置的運(yùn)動(dòng)精度以及對(duì)傳感器信號(hào)能夠形成干擾的各類(lèi)因素，是一個(gè)通過(guò)綜合權(quán)衡之后得出的最優(yōu)化結(jié)果。

2.1 運(yùn)動(dòng)方式選擇及行程需求

靶標(biāo)與傳感器之間相互靠近的運(yùn)動(dòng)方式大致可以分為兩類(lèi)，其一是靶標(biāo)端面與傳感器感應(yīng)頭端面相向運(yùn)動(dòng)的方式，稱(chēng)為“迎頭對(duì)進(jìn)”式，兩者的靠近主要表現(xiàn)為Z距離分量的變化；另一類(lèi)是靶標(biāo)從傳感器側(cè)面向其接近的方式，稱(chēng)為“側(cè)向滑入”式，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中靶標(biāo)端面與傳感器感應(yīng)端面相互平行，兩者的靠近主要表現(xiàn)為X距離分量的變化。

“迎頭對(duì)進(jìn)”式的布置方式對(duì)靶標(biāo)在X方向上的安裝誤差不敏感，比較適合于對(duì)微幅運(yùn)動(dòng)有較高檢測(cè)精度要求的場(chǎng)合，如對(duì)起落架放下時(shí)鎖連桿機(jī)構(gòu)過(guò)中心狀態(tài)的檢測(cè)?！皞?cè)向滑入”的布置方式與“迎頭對(duì)進(jìn)”式相比則存在以下2個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：

（1）當(dāng)傳感器感應(yīng)頭附著了結(jié)冰冰晶或其它雜質(zhì)時(shí)，“側(cè)向滑入”的運(yùn)動(dòng)方式天然地具備利用靶標(biāo)將冰晶/雜質(zhì)從感應(yīng)端面“擦除”的能力，如圖2所示。而“迎頭對(duì)進(jìn)”式則可能會(huì)造成靶標(biāo)對(duì)冰晶/雜質(zhì)的面內(nèi)擠壓，導(dǎo)致傳感器感應(yīng)端面受損；

（2）“側(cè)向滑入”布置方式使傳感器感應(yīng)端面與靶標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡相互垂直，最大限度地避免了靶標(biāo)與傳感器發(fā)生正面撞擊的可能性，從而降低傳感器因撞擊導(dǎo)致內(nèi)部電路斷開(kāi)或者短路的風(fēng)險(xiǎn)。

靶標(biāo)行程的估算和相應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系的選擇應(yīng)遵循以下原則：在不考慮公差的前提下，所選的行程應(yīng)使“靶標(biāo)接近”的信號(hào)觸發(fā)位置位于Ga邊界曲線以下且與之距離足夠遠(yuǎn)，同時(shí)使“靶標(biāo)離開(kāi)”觸發(fā)位置位于Gd邊界曲線以上且與之距離足夠遠(yuǎn)。

任何情況下，靶標(biāo)行程都應(yīng)當(dāng)大于Ga-Gd兩條邊界曲線之間的間距，行程超出邊界曲線間距的部分應(yīng)當(dāng)通過(guò)公差分析進(jìn)行分配。如果給 “靶標(biāo)離開(kāi)”和“靶標(biāo)接近”信號(hào)賦予的行程公差相同，則行程超出邊界曲線間距的余量應(yīng)當(dāng)跨Gd和Ga曲線平均分配。如果給“靶標(biāo)離開(kāi)”信號(hào)賦予的行程公差要高一些，則行程超出邊界曲線間距的余量應(yīng)當(dāng)跨Gd和Ga曲線給Gd曲線一側(cè)分配得多一些。

2.2 靶標(biāo)終點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)精度分析

在靶標(biāo)接近和靶標(biāo)離開(kāi)兩個(gè)行程的末端都要針對(duì)最不利工況進(jìn)行位置公差分析，以確保不會(huì)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)誤差的累積而達(dá)到Ga/Gd邊界，導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生提前或者延后。公差分析應(yīng)當(dāng)對(duì)各種制造/安裝公差、動(dòng)態(tài)公差（如氣動(dòng)載荷、熱膨脹、沖擊、共振等等）和磨損公差進(jìn)行累加。下圖3中例1和例2所展示的靶標(biāo)前緣位置安裝設(shè)計(jì)是正確的，例3、例4和例5所示的設(shè)計(jì)方案則不可接受。

2.3 信號(hào)干擾因素對(duì)布置和設(shè)計(jì)的影響

靶標(biāo)材料選擇的不恰當(dāng)，或者有除了靶標(biāo)以外的其它金屬部件進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域，以及當(dāng)存在一個(gè)以上的接近傳感器鄰近布置在一起時(shí)，都會(huì)對(duì)改變傳感器感應(yīng)頭的磁通分布，形成信號(hào)干擾。

靶標(biāo)的材料應(yīng)當(dāng)使用鐵磁性的材料，常見(jiàn)的有15-5PH等不銹鋼材，而諸如銅、鋁和銀等非磁性又具有較高導(dǎo)電性的材料則對(duì)傳感器的磁場(chǎng)影響很大，如果置于感應(yīng)區(qū)域附近，將嚴(yán)重降低信號(hào)觸發(fā)距離，是不能用于靶標(biāo)材料的。為消除此類(lèi)干擾，應(yīng)根據(jù)傳感器的感應(yīng)作用范圍乘以一定的安全系數(shù)，設(shè)置一個(gè)禁止除靶標(biāo)以外的其它金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)入的“拒止區(qū)域”。對(duì)于多個(gè)傳感器同時(shí)并存的情況，在布置時(shí)，傳感器軸線之間的距離應(yīng)至少大于2倍的拒止區(qū)域半徑?；虍?dāng)兩個(gè)傳感器感應(yīng)端面對(duì)向安裝時(shí)，兩個(gè)端面的間距應(yīng)當(dāng)大于2倍的拒止區(qū)域半徑，如下圖4所示。

3 傳感器的安裝與調(diào)試設(shè)計(jì)要求

3.1 安裝的穩(wěn)定性要求

為保證“靶標(biāo)接近”和“靶標(biāo)離開(kāi)”的信號(hào)名義觸發(fā)位置不受傳感器和靶標(biāo)安裝支架變形的影響，支架的剛度應(yīng)該足夠大。這樣做的另一個(gè)好處是防止維修人員在使用工具對(duì)傳感器調(diào)試時(shí)無(wú)意識(shí)地造成支架彎折。

傳感器電纜的設(shè)計(jì)及其鋪設(shè)方式應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足應(yīng)變釋放的功能，防止出現(xiàn)電線扭結(jié)或者磨損腐蝕。為了避免因?yàn)椴徽_的接頭指向而產(chǎn)生這些不良影響，傳感器安裝時(shí)采用了一個(gè)帶有定向指針的鍵位墊圈，如圖5所示。與之相配合，安裝目標(biāo)結(jié)構(gòu)或者支架為該指針提供一個(gè)插孔。

3.2 安裝調(diào)試的設(shè)計(jì)考慮因素

為了消除安裝公差對(duì)傳感器信號(hào)發(fā)生精度的影響，在傳感器和靶標(biāo)安裝結(jié)束后，還需要根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行安裝調(diào)試。

“迎頭對(duì)進(jìn)”式的傳感器/靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)方式僅需針對(duì)Z方向上的安裝要素進(jìn)行調(diào)整。“側(cè)向滑入”式則通常需要在2軸方向或者所有3軸方向上進(jìn)行調(diào)試。如果靶標(biāo)行程很大，通常只針對(duì)“靶標(biāo)近進(jìn)”進(jìn)行調(diào)試。

傳感器和靶標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮提供了一些為安裝調(diào)試提供便利的設(shè)計(jì)特征。典型的組合方案有以下三種，如圖6所示：

對(duì)于槽縫結(jié)構(gòu)要注意保證有足夠的摩擦力來(lái)確保安裝的穩(wěn)固性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)起落架上一種典型接近傳感器，就傳感器和靶標(biāo)在布置過(guò)程中應(yīng)考慮的要素和基本要求進(jìn)行了探討，以期對(duì)類(lèi)似的工程實(shí)踐提供有益的參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭連澤，王偉鋼.全金屬電感式接近傳感器的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25（6）：707.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]