CN113959722B - 基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于音轮的扭矩‑桨距‑相角‑转速集成测量装置及方法，属于航空发动机测控领域。本发明公开的装置包括：扭簧轴(10)、音轮构件、磁感探头(11)、信号处理模块(12)和数据显示模块(13)。所述音轮构件安装在非圆截面的扭簧轴上，并且一端面与螺旋桨的β反馈杆固连，可实现音轮构件在扭簧轴上的旋转和轴向滑动运动。所述信号处理模块(12)能基于所述磁感探头(11)响应信号的长延迟、短延迟、特定间隔和预期延迟，来分别确定螺旋桨的扭矩、桨距、相角和转速。本发明采用U型扭矩齿和“八”字形标志齿，扭矩齿扭转角反映扭矩，两标志齿间距则反映桨距，并且两对对称齿具有磁电探测信号互补修正和减少不平衡度的作用，使其具有双灵敏度和良好转子动平衡特性。

Description

基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量装置及方法

技术领域

本发明涉及基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量装置及方法，属于航空发动机测控领域，特别是涡桨发动机和涡轴发动机测控领域。

背景技术

航空发动机控制系统朝着由单变量控制到多变量控制的方向发展，如何在增加传感器测量参数的数量的同时不增加传感器的数量，以增加飞机控制系统的安全性和减轻飞机重量，这就对单传感器的多参数测量上提出很高的要求。

在涡轴和涡桨发动机等输出功率的航空发动机上需要测量轴的扭矩，以便限制扭矩，以及对输出功率的闭环控制。而现代涡轮螺旋桨飞机朝着螺旋桨-发动机及多螺旋桨的相同步降噪控制的方向发展，即涡桨发动机的多发匹配控制，需要实时测量螺旋桨的扭矩、桨距、相角和转速。对于单旋翼的涡轴发动机控制，旋翼-发动机的控制则需要测量扭矩、桨距和转速三个参数。

对于扭矩的测量通常采用轴的扭转变形程度来衡量转矩的大小，为此往往需要用一段装有传感器的敏感转动轴连接在原动机和负载之间，以测量出相距轴一定长度的两个截面的相对扭转角，得出扭矩。由于发动机轴的高速旋转特点，需要采用非接触法测量扭矩，目前发动机领域常用的扭矩方法有两种，一种是差动变压器法，采用旋转的铁芯，在轴上一定距离上固定三个支持隔板，其上用特殊形状的高磁导率金属片围成空心筒，并分成三个带斜边缘的部分A，B，C，再在铁芯之外套有四个静止部分的线圈，分别是副边A，原边A，原边B和副边B，扭转时，A与B的间隙会大于B与C的间隙，这样在两个副边的电动势就不等，就构成了差动输出；另一种是在轴上安装相隔一定距离的两个齿轮，用两个探头测量信号的脉冲相位差，从而实现扭矩的测量，授权专利ZL105181195B，发展了此方法，将某一个齿轮改装成筒齿轮，并镶嵌在另一个齿轮上，实现了单探头的扭矩测量。此外一些用测扭油缸活塞的油压测量扭矩的测量方法(CN113340500A)存在油路污染而失效的问题。

对于其他参数测量，目前国内已有桨距、相角和转速的三参数一体化集成测量方案，如公布号为CN1126974311A的专利，采用带“人”字形标志齿音轮+磁感探头的无接触测量的组合模式，在实现了桨距、相角和转速的同时测量，并解决了发动机安装控制限制和相角测量时存在的转子不平衡的问题。但“人”字形标志齿在“人”字顶角处出现齿形和波形发生严重偏移的现象，从而导致的桨距误差较大，并且该测量系统在增加高精度的扭矩测量方面，还有可改进的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量装置及方法，旨在已有桨距、相角和转速一体化集成测量系统的基础上，提高桨距的测量精度和增加扭矩这个参数的高精度测量方案，并保持音轮结构具有很好的静动平衡特性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量装置，包括扭簧轴、音轮构件、磁感探头、信号处理模块和数据显示模块，所述音轮构件的外周向表面上设置有一对成180°的扭矩齿、第一标志齿、第二标志齿和周向均匀隔开的多个常规齿，所述一对扭矩齿能传递扭簧轴的扭转变形而发生位置偏转，其扭转角

反映扭矩大小，所述第一标志齿和第二标志齿在周向位置上分别更靠近其相邻的两个常规齿，所述的第一标志齿和第二标志齿的周向间距C_Pitch反映螺旋桨的桨距，所述音轮构件与β反馈杆固连，并构造成在所述螺旋桨发动机的操作期间同螺旋桨一同沿着“M”向旋转和“N”向轴向运动，其中β反馈杆是传递螺旋桨桨距的元件；

所述磁感探头，固定在发动机静止部件上其与所述音轮安装间隙为δ并且构造成用于响应所述一对扭矩齿、两标志齿和多个常规齿的通过而产生多个信号脉冲，所述多个信号脉冲的出现时序对应于在音轮构件的旋转期间一对扭矩齿、第一标志齿、第二标志齿和多个常规齿的通过时序；

所述信号处理模块，其连接到所述磁感探头用于获得所述信号，并且构造成用于：

基于所述多个信号脉冲来确定所述多个该信号的两个连续信号脉冲之间的预期延迟，所述预期延迟表示所述两个正常相邻常规齿之间的时间间隔；

从所述多个信号脉冲时间间隔内识别与所述扭矩齿相关联的脉冲时间间隔，该时间间隔为长延迟，所述长延迟具有比所述预期延迟更长的延迟，该长延迟与预期延迟的差值大小反映扭转角

的大小，由于螺旋桨在零桨距情况下依旧存在负载，所以长延迟在可测转速范围内是一个恒大于预期延迟的量，可在多个脉冲时序中快速识别出来，所以采用扭矩齿附近的常规齿作为标志相角的参考位置，可提高相角测量的实时性；

从所述多个信号脉冲内识别与所述第一标志齿相关联的第一特定脉冲，所述第一特定脉冲到来的时间间隔具有比所述预期延迟更短的延迟，基于第一特定脉冲，来确定与其相连续出现的所述第二标志齿相关联的第二特定脉冲的短延迟，所述短延迟表示所述第一和第二特定脉冲的时间间隔；

基于短延迟，来确定螺旋桨某一轴向位置的所述第一标志齿和第二标志齿的周向间距C_Pitch，取音轮两标志齿间距小的端面为零桨距，音轮两标志齿间距变大方向为正，由于两标志齿的最小间距C_Pitch不为零，需要减去补偿值b，故可利用两标志齿的斜角2α和正切函数来将周向间距C_Pitch转换为螺旋桨的轴向桨距D_Pitch；

基于特殊齿附近的常规齿的到来时刻到相角数据采集时刻的特定间隔，来确定当前数据采集时刻的磁感探头相对该常规齿位置的相角；

以及基于所述的预期延迟，进行螺旋桨转速的计算。

所述的音轮构件的结构，包括第一双沉头孔固定环、螺栓、第一垫块、U型扭转件、旋转扣件、定位卡扣圆筒、音轮、第二垫块、第二双沉头孔固定环；

所述的音轮构件的齿结构，材质为软磁性材料，结构为带有轴孔和螺栓孔的圆筒状，非齿结构应采用轻质金属，以减轻传感器重量，所述的音轮齿厚度要大于等于桨距的变化范围，所述一对扭矩齿成180°，并且每一个扭矩齿质量和常规齿一样，所述多个常规齿的在周向上平行排布，并都平行音轮(7)的轴线，所述第一标志齿和第二标志齿的体积和质量分别设置成任意一个常规齿的一半，并且第一标志齿和第二标志齿与周向排布的常规齿的平行线成相同的α角；

所述的U型扭转件、垫块、旋转扣件、定位卡扣圆筒和音轮，其上都有两个螺栓孔和圆形轴孔，所述的第一双沉头孔固定环和第二双沉头孔固定环上都有两个螺栓孔和轴孔，并且轴孔与扭簧轴的横截面形状一样，为非圆截面，用于传递扭簧的变形量；

所述定位卡扣圆筒上有滑槽和滑槽缺口，其中滑槽和旋转扣件上的凸勾相嵌套，滑槽缺口构造成用于可旋入旋转扣件；

所述扭簧轴包括扭簧和两根带有双切面的空心圆轴，非圆截面的保持长度要大于桨距测量量程，即扭簧轴两端可以为圆形轴，便于螺旋桨-轴的一体化设计，且轴空心部分用于安放螺旋桨液压变桨距执行机构的β输油管，在输油的同时让扭簧轴能抵抗小范围的弯矩，所述扭簧需要合理设计好变形量以防止扭矩齿和常规齿发生相互碰撞，以及挨得过近而发生波形和齿形的相对偏移导致误差；

所述扭簧轴左接涡桨发动机或驱动电机，右接变桨距螺旋桨，作为本发明的另一种选择，扭簧轴左接涡轴发动机或驱动电机，右接变螺距的旋翼，此时相角的测量不进行。

所述的音轮构件，其安装方法为：从左到右，依次将第一双沉头孔固定环、第一垫块、U型扭转件、旋转扣件、定位卡扣圆筒、音轮、第二垫块、第二双沉头孔固定环套在扭簧轴上，旋转扣件从定位卡扣圆筒的滑槽缺口旋入，音轮和U型扭转件需要旋对方向，使得静止状态下扭转角

在音轮构件一端的螺栓放置在第一双沉头孔固定环、第一垫块和U型扭转件上的螺栓孔上，在音轮构件另一端的螺栓放置在音轮、第二垫块和第二双沉头孔固定环上的螺栓孔上，并通过拧紧第一和第二双沉头孔固定环螺栓，从而实现音轮的周向和轴向不固定，可实现在扭簧轴上的旋转滑动。

所述的信号处理模块，其特征在于，包括：滤波电路、信号调理电路和嵌入式系统；所述滤波电路将磁感探头接入，然后输出到信号调理电路，最后连接到嵌入式系统并通过总线接口发送数据给数据显示模块；所述的数据显示模块将信号处理模块发送过来的数据以可见或可读形式输出，有数据值直接显示、数据表显示、各种统计图形显示等形式。

所述的一种基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量方法，其特征在于，包括如下过程：

音轮构件和螺旋桨β反馈杆耦合在一起，同发动机一起工作，磁感探头响应到所述音轮构件的外周向表面上的一对扭矩齿、第一标志齿、第二标志齿和周向均匀隔开的多个常规齿的通过而产生相关联的信号脉冲，并传输到所述的信号处理模块。所述信号处理模块将从磁感探头采集的所述多个信号脉冲进行滤波、限幅、差分放大、滞回比较的处理，从而得到正的方波信号。所述的方波信号经所述信号传送到嵌入式系统，所述嵌入式系统利用软件编写的特定功能的代码，从方波信号中捕获多个方波的上升沿时刻或下降沿时刻进行数据处理和存储，读出所述的长延迟、短延迟、特定间隔和预期延迟，进而计算出当前时刻的扭矩、桨距、相角和转速。

所述的特定功能的代码，具有如下的逻辑步骤：

假设t_i+k为扭矩齿对应的方波到来时刻，t_i、t_i+1分别为第一和第二标志齿到来的方波时刻，由于螺旋桨自身的负载特性，在零桨距下，长延迟依旧大于预期延迟，不受测量误差的影响，

步骤1：初设能够识别出第一特定脉冲的阈值e，和能识别出扭矩齿相关联脉冲的阈值f，其中e＜1，f＞1，音轮构件总齿数为Z，齿顶圆半径R，桨距补偿值b，所述补偿值的存在是由于标志齿采用“八”字形而非“人”字形导致的，扭簧的弹性模量为E、扭簧直径为d，扭簧回转直径为D，有效圈数为n，则扭簧刚度为K＝f(E，D，n，d)；

步骤2：捕获音轮构件旋转一周的所有方波上升沿的到来时刻t₀，…，t_i，…，t_z，然后根据常规齿的等间距特点，求出预期延迟t_A＝(t_z-t₀)/(Z-1)；

步骤3：捕获三个连续方波信号的上升沿时刻t_i+k、t_i+k+1、t_i+k+2；

步骤4：进行逻辑运算(t_i+k+1-t_i+k)＞f·t_A&&(2-f)·t_A＜(t_i+k+2-t_i+k+1)＜f·t_A，如果是真的话，存储长延迟t_L1＝t_i+k+1-t_i+k，由于一对扭矩齿成180°，故取音轮构件旋转一周的长延迟均值

并标志相角参考位置t_i+k+2，假的话返回步骤3；

步骤5：捕获五个连续方波信号的上升沿时刻t_i-2、t_i-1、t_i、t_i+1，t_i+2；

步骤6：进行逻辑运算f·t_A＜(t_i-1-t_i-2)&&(t_i-t_i-1)＜e·t_A&&(t_i+2-t_i+1)＜e·t_A，如果是真的话，存储短延迟t_S＝t_i+1-t_i，假的话返回步骤5；

步骤7：是否执行数据采集指令，真的话，获取当前执行指令时刻时间t_N，并进行如下计算，扭矩等于

桨距/>

相角/>

转速/>

最后结束，假的话返回步骤2。

与现有技术相比，本发明的优势是：实现了仅仅使用带音轮的磁电式传感器就能从磁感探头响应的多个信号脉冲中识别出一对扭矩齿、“八”字形标志齿和多个常规齿，从而通过信号处理模块确定长延迟、短延迟、特定间隔和预期延迟，最终实现扭矩、桨距、相角和转速的四参数一体化集成测量。该带有一对扭矩齿和“八”字形标志齿的质量近似均布的圆筒形音轮结构具有很好的轻质量的转子静动平衡特性，减少了在标志齿小间距和大间距位置处的桨距误差，以及其对称的一对扭矩齿和两标志齿形成互补差动双增益灵敏度，具有磁电探测信号互补修正的作用，克服了单标记斜齿随机的相角参考位置和振动噪声对测量精度的影响，提高了测量精度、灵敏度和工作稳定性。所以该装置在保持测量系统已有性能的基础上，提高了桨距测量精度还增加了一个高精度的扭矩测量参数，实现了四参数的同时测量。

附图说明

图1为本发明的爆炸装配图和装配立体图以及扭簧轴的局部剖面图。

图2为本发明的数据采集系统结构图。

图3为本发明在大桨距和小桨距位置处的音轮相对磁感探头位置示意图。

图4为本发明的扭矩测量原理示意图，具体包括在静止状态下的正视图和旋转状态下的扭矩齿偏转示意图。

图5为本发明的齿形展开、原始信号和调理信号三者的时序对应示意图，具体齿数为9。

图6为本发明的特定功能代码的逻辑流程图。

图中：1.第一双沉头孔固定环、2.螺栓、3.第一垫块、4.U型扭转件、4-1.扭矩齿、5.旋转扣件、5-1.凸勾、6.定位卡扣圆筒、6-1.滑槽、6-2.滑槽缺口、7.音轮、7-1.常规齿、7-2.第一标志齿、7-3.第二标志齿、8.第二垫块、9.第二双沉头孔固定环、10.扭簧轴、10-1.扭簧、11.磁感探头、12.信号处理模块、13.数据显示模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图3，本发明实施例中，基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量装置，包括扭簧轴10、音轮构件、磁感探头11、信号处理模块12和数据显示模块13，所述音轮构件的外周向表面上设置有一对成180°的扭矩齿4-1、第一标志齿7-2、第二标志齿7-3和周向均匀隔开的多个常规齿7-1，所述一对扭矩齿4-1能传递扭簧轴10的扭转变形而发生位置偏转，其扭转角

反映扭矩大小，所述第一标志齿7-2和第二标志齿7-3在周向位置上分别更靠近其相邻的两个常规齿7-1，所述的第一标志齿7-2和第二标志齿7-3的周向间距C_Pitch反映螺旋桨的桨距，所述音轮构件与β反馈杆固连，并构造成在所述螺旋桨发动机的操作期间同螺旋桨一同沿着“M”向旋转和“N”向轴向运动，其中β反馈杆是传递螺旋桨桨距的元件；

请参阅图5，本发明实施例中，所述磁感探头11，固定在发动机静止部件上其与所述音轮安装间隙为δ并且构造成用于响应所述一对扭矩齿4-1、两标志齿和多个常规齿7-1的通过而产生多个信号脉冲，所述多个信号脉冲的出现时序对应于在所述音轮构件的旋转期间所述一对扭矩齿4-1、第一标志齿7-2、第二标志齿7-3和多个常规齿7-1的通过时序；

所述信号处理模块12，其连接到所述磁感探头11用于获得所述信号，并且构造成用于：

基于所述多个信号脉冲来确定所述多个该信号的两个连续信号脉冲之间的预期延迟，所述预期延迟表示所述两个正常相邻常规齿7-1之间的时间间隔；

从所述多个信号脉冲时间间隔内识别与所述扭矩齿4-1相关联的脉冲时间间隔，该时间间隔为长延迟，所述长延迟具有比所述预期延迟更长的延迟，该长延迟与预期延迟的差值大小反映扭转角

的大小，由于螺旋桨在零桨距情况下依旧存在负载，所以长延迟在可测转速范围内是一个恒大于预期延迟的量，可在多个脉冲时序中快速识别出来，所以采用扭矩齿附近的常规齿作为标志相角的参考位置，可提高相角测量的实时性；

从所述多个信号脉冲内识别与所述第一标志齿7-2相关联的第一特定脉冲，所述第一特定脉冲到来的时间间隔具有比所述预期延迟更短的延迟，基于第一特定脉冲，来确定与其相连续出现的所述第二标志齿7-3相关联的第二特定脉冲的短延迟，所述短延迟表示所述第一和第二特定脉冲的时间间隔；

基于短延迟，来确定螺旋桨某一轴向位置的所述第一标志齿(7-2)和第二标志齿(7-3)的周向间距C_Pitch，取音轮两标志齿间距小的端面为零桨距，音轮两标志齿间距变大方向为正，由于两标志齿的最小间距C_Pitch不为0，需要减去补偿值b，故可利用两标志齿的斜角2α和正切函数来将周向间距C_Pitch转换为螺旋桨的轴向桨距D_Pitch；

基于特殊齿附近的常规齿的到来时刻到相角数据采集时刻的特定间隔，来确定当前数据采集时刻的磁感探头11相对该常规齿位置的相角，具体实施时选择图5的t_i+5时刻对应的常规齿的到来时间，来确定当前数据采集时刻的磁感探头11相对该常规齿位置的相角，研究表明斜标志齿会使波形相对齿形的偏移，从而降低相角测量精度，故具体实施时避开标志齿来选择相角参考点；

以及基于所述的预期延迟，进行螺旋桨转速的计算。

请参阅图1，本发明实施例中，所述的音轮构件的结构，包括第一双沉头孔固定环1、螺栓2、第一垫块3、U型扭转件4、旋转扣件5、定位卡扣圆筒6、音轮7、第二垫块8、第二双沉头孔固定环9；

所述的音轮构件的齿结构，材质为软磁性材料，结构为带有轴孔和螺栓孔的圆筒状，非齿结构应采用轻质金属，以减轻传感器重量，所述的音轮齿厚度要大于等于桨距的变化范围，所述一对扭矩齿4-1成180°，并且每一个扭矩齿4-1质量和常规齿一样，所述多个常规齿7-1的在周向上平行排布，并都平行音轮7的轴线，所述第一标志齿7-2和第二标志齿7-3的体积和质量分别设置成任意一个常规齿7-1的一半，并且第一标志齿7-2和第二标志齿7-3与周向排布的常规齿7-1的平行线成相同的α角；

所述的U型扭转件4、垫块、旋转扣件5、定位卡扣圆筒6和音轮7，其上都有两个螺栓孔和圆形轴孔，所述的第一双沉头孔固定环1和第二双沉头孔固定环9上都有两个螺栓孔和轴孔，并且轴孔与扭簧轴10的横截面形状一样，具体实施时为带双切口的圆截面，用于传递扭簧的变形量；

所述定位卡扣圆筒6上有滑槽6-1和滑槽缺口6-2，其中滑槽6-1和旋转扣件5上的凸勾5-1相嵌套，滑槽缺口6-2构造用于可旋入旋转扣件5；

所述扭簧轴10包括扭簧10-1和两根带有双切面的空心圆轴，非圆截面的保持长度要大于桨距测量量程，即扭簧轴10两端可以为圆形轴，便于螺旋桨-轴的一体化设计，且轴空心部分用于安放螺旋桨液压变桨距执行机构的β输油管，让扭簧轴10能抵抗小范围的弯矩，所述扭簧10-1需要合理设计好变形量以防止扭矩齿和常规齿发生相互碰撞，以及挨得过近而发生波形和齿形的相对偏移导致误差；

所述扭簧轴10左接涡桨发动机或驱动电机，右接变桨距螺旋桨，作为本发明的另一种选择，扭簧轴10左接涡轴发动机或驱动电机，右接变螺距的旋翼，此时相角的测量不进行。

所述的音轮构件，其安装方法为：从左到右，依次将第一双沉头孔固定环1、第一垫块3、U型扭转件4、旋转扣件5、定位卡扣圆筒6、音轮7、第二垫块8、第二双沉头孔固定环9套在扭簧轴10上，旋转扣件5从定位卡扣圆筒6的滑槽缺口6-2旋入，音轮7和U型扭转件4需要旋对方向，使得静止状态下扭转角

在音轮构件一端的螺栓(2)放置在第一双沉头孔固定环(1)、第一垫块3和U型扭转件4上的螺栓孔上，在音轮构件另一端的螺栓放置在音轮7、第二垫块8和第二双沉头孔固定环9上的螺栓孔上，并通过拧紧第一和第二双沉头孔固定环螺栓2，从而实现音轮的周向和轴向不固定，可实现在扭簧轴10上的旋转滑动。

请参阅图2，本发明实施例中，所述的所述的信号处理模块12，其特征在于，包括：滤波电路、信号调理电路和嵌入式系统。所述滤波电路将磁感探头11接入，然后输出到信号调理电路，最后连接到嵌入式系统并通过总线接口发送数据给数据显示模块13；所述的数据显示模块13，将信号处理模块12发送过来的数据以可见或可读形式输出，有数据值直接显示、数据表显示、各种统计图形显示等形式。

所述的一种基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量方法，其特征在于，包括如下过程：

音轮构件和螺旋桨β反馈杆耦合在一起，同发动机一起工作，磁感探头11响应到所述音轮构件的外周向表面上的一对扭矩齿4-1、第一标志齿7-2、第二标志齿7-3和周向均匀隔开的多个常规齿7-1的通过而产生相关联的信号脉冲，并传输到所述的信号处理模块12；所述信号处理模块12将从磁感探头11采集的所述多个信号脉冲进行滤波、限幅、差分放大、滞回比较的处理，从而得到正的方波信号。所述的方波信号经所述信号传送到嵌入式系统，所述嵌入式系统利用软件编写的特定功能的代码，从方波信号中捕获多个方波的上升沿时刻或下降沿时刻进行数据处理和存储，在实施例中取上升沿，读出所述的长延迟、短延迟、特定间隔和预期延迟，进而计算出当前时刻的扭矩、桨距、相角和转速。

请参阅图4和图6，本发明实施例中，所述的特定功能的代码，具有如下的逻辑步骤：具体实施时取9齿音轮，设t_i+k＝t_i+3为扭矩齿对应的方波到来时刻，即k＝3，t_i、t_i+1分别为第一和第二标志齿到来的方波时刻，由于螺旋桨自身的负载特性，在零桨距下，长延迟依旧大于预期延迟，不受测量误差的影响，

步骤1：初设能够识别出第一特定脉冲的阈值e，和能识别出扭矩齿相关联脉冲的阈值f，其中e＜1，f＞1，音轮构件总齿数为Z＝9，齿顶圆半径R，桨距补偿值b，所述补偿值的存在是由于标志齿采用“八”字形而非“人”字形导致的，扭簧(10-1)的弹性模量为E、扭簧直径为d，扭簧回转直径为D，有效圈数为n，则扭簧刚度为K＝f(E，D，n，d)；

步骤2：捕获音轮构件旋转一周的所有方波上升沿的到来时刻t₀，…，t_i，…，t_z，然后根据常规齿的等间距特点，求出预期延迟t_A＝(t_z-t₀)/(Z-1)＝(t_i+5-t_i-4)/(Z-1)＝(t₉-t₀)/(9-1)；

步骤3：捕获三个连续方波信号的上升沿时刻t_i+k、t_i+k+1、t_i+k+2，即t_i+3、t_i+4、t_i+5；

步骤4：进行逻辑运算(t_i+4-t_i+3)＞f·t_A&&(2-f)·t_A＜(t_i+5-t_i+4)＜f·t_A，如果是真的话，存储长延迟t_L1＝t_i+4-t_i+3，由于一对扭矩齿成180°，故取音轮构件旋转一周的长延迟均值

并标志相角参考位置t_i+k+2＝t_i+5，假的话返回步骤3；

步骤5：捕获五个连续方波信号的上升沿时刻t_i-2、t_i-1、t_i、t_i+1，t_i+2；

步骤6：进行逻辑运算f·t_A＜(t_i-1-t_i-2)&&(t_i-t_i-1)＜e·t_A&&(t_i+2-t_i+1)＜e·t_A，如果是真的话，存储短延迟t_S＝t_i+1-t_i，假的话返回步骤5；

步骤7：是否执行数据采集指令，真的话，获取当前执行指令时刻时间t_N，并进行如下计算，扭矩等于

桨距/>

相角/>

转速/>

最后结束，假的话返回步骤2。

本发明的工作原理是：磁感探头11由磁感线圈、铁芯和永磁材料组成，音轮转动过程中会引起音轮到铁芯间隙δ的变化，磁阻和间隙大小直接相关，而这种交替的磁阻变化会在磁感探头内部激起感应电压，其电压的产生时刻与齿的到来时刻相对应，所以磁感探头11能够响应音轮上的扭矩齿4-1、第一标志齿7-2、第二标志齿7-3和多个常规齿7-1的通过而产生的相关联的信号脉冲，通过信号处理模块12，在调理成方波之后，进行输入捕获获取每一个方波上升沿时刻，计算出长延迟均值t_L、短延迟预t_S、特定间隔、期延迟t_A，进而计算出扭矩、桨距、相角和转速。对于扭矩，通过U型扭转件4将扭簧轴10的扭转变形量转换成一对扭矩齿的偏转量，进行力学换算计算出扭矩T；对于桨距，音轮在扭簧轴上随着β反馈杆一同轴向运动，在音轮的结构上，两标志齿成等腰梯形，需要利用正切函数和斜角来将底(轴向间距C_Pitch)换算成高(轴向桨距D_Pitch)

功能：仅仅使用带音轮的磁电式传感器就能进行螺旋桨的扭矩、桨距、相角和转速的高精度测量，为涡轮螺旋桨飞机的控制提供传感器的测量参数。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量装置，包括扭簧轴(10)、音轮构件、磁感探头(11)、信号处理模块(12)和数据显示模块(13)，所述音轮构件的外周向表面上设置有一对成180°的扭矩齿(4-1)、第一标志齿(7-2)、第二标志齿(7-3)和周向均匀隔开的多个常规齿(7-1)，一对扭矩齿(4-1)能传递扭簧轴(10)的扭转变形而发生位置偏转，其扭转角

反映扭矩大小，所述第一标志齿(7-2)和第二标志齿(7-3)在周向位置上分别更靠近其相邻的两个常规齿(7-1)，所述第一标志齿(7-2)和第二标志齿(7-3)的周向间距C_Pitch反映螺旋桨的桨距，所述音轮构件与β反馈杆固连，其中β反馈杆是传递螺旋桨桨距的元件；

所述磁感探头(11)，固定在发动机静止部件上，磁感探头与所述音轮安装间隙为δ并且构造成用于响应一对扭矩齿(4-1)、两标志齿和多个常规齿(7-1)的通过而产生的多个信号脉冲，所述多个信号脉冲的出现时序对应于在所述音轮构件的旋转期间一对扭矩齿(4-1)、第一标志齿(7-2)、第二标志齿(7-3)和多个常规齿(7-1)的通过时序；

所述信号处理模块(12)，其连接到所述磁感探头(11)用于获得信号脉冲，并且构造成用于：

基于所述多个信号脉冲来确定预期延迟，所述预期延迟表示两个正常相邻常规齿(7-1)之间的时间间隔；

从多个信号脉冲时间间隔内识别与所述扭矩齿(4-1)相关联的脉冲时间间隔，该时间间隔为长延迟，所述长延迟具有比所述预期延迟更长的延迟，该长延迟与预期延迟的差值大小反映扭转角

的大小；

从多个信号脉冲内识别与所述第一标志齿(7-2)相关联的第一特定脉冲，所述第一特定脉冲到来的时间间隔具有比所述预期延迟更短的延迟，基于第一特定脉冲，来确定与其相连续出现的所述第二标志齿(7-3)相关联的第二特定脉冲的短延迟，所述短延迟表示所述第一特定脉冲和第二特定脉冲的时间间隔；

基于短延迟，来确定螺旋桨某一轴向位置的所述第一标志齿(7-2)和第二标志齿(7-3)的周向间距C_Pitch，取音轮两标志齿间距小的端面为零桨距，音轮两标志齿间距变大方向为正，由于两标志齿的最小间距C_Pitch不为零，需要减去补偿值b，故可利用两标志齿的斜角2α和正切函数来将周向间距C_Pitch转换为螺旋桨的轴向桨距D_Pitch；

基于特殊齿附近的常规齿的到来时刻到相角数据采集时刻的特定间隔，来确定当前数据采集时刻的磁感探头(11)相对该常规齿位置的相角，所述的特殊齿包括扭矩齿(4-1)和标志齿；

以及基于所述的预期延迟，进行螺旋桨转速的计算；

音轮构件的结构包括第一双沉头孔固定环(1)、螺栓(2)、第一垫块(3)、U型扭转件(4)、旋转扣件(5)、定位卡扣圆筒(6)、音轮(7)、第二垫块(8)、第二双沉头孔固定环(9)；

音轮构件的齿结构材质为软磁性材料，结构为带有轴孔和螺栓孔的圆筒状，非齿结构应采用轻质金属，所述的音轮齿厚度要大于等于桨距的变化范围，所述一对扭矩齿(4-1)成180°，并且每一个扭矩齿(4-1)质量和常规齿一样，所述多个常规齿(7-1)在周向上平行排布，并都平行音轮(7)的轴线，所述第一标志齿(7-2)和第二标志齿(7-3)的体积和质量分别设置成任意一个常规齿(7-1)的一半，并且第一标志齿(7-2)和第二标志齿(7-3)与周向排布的常规齿(7-1)的平行线成相同的α角；所述的U型扭转件(4)、垫块、旋转扣件(5)、定位卡扣圆筒(6)和音轮(7)，其上都有两个螺栓孔和圆形轴孔，所述的第一双沉头孔固定环(1)和第二双沉头孔固定环(9)上都有两个螺栓孔和轴孔，并且轴孔与扭簧轴(10)的横截面形状一样，为非圆截面；所述定位卡扣圆筒(6)上有滑槽(6-1)和滑槽缺口(6-2)，其中滑槽(6-1)和旋转扣件(5)上的凸勾(5-1)相嵌套，滑槽缺口(6-2)构造成用于可旋入旋转扣件(5)；所述扭簧轴(10)包括扭簧(10-1)和两根带有双切面的空心圆轴，非圆截面的保持长度要大于桨距测量量程，扭簧轴(10)两端为圆形轴，且轴空心部分用于安放螺旋桨液压变桨距执行机构的β输油管；

所述扭簧轴(10)左接涡桨发动机或驱动电机，右接变桨距螺旋桨，作为本发明的另一种选择，扭簧轴(10)左接涡轴发动机或驱动电机，右接变螺距的旋翼，此时相角的测量不进行。

2.如权利要求1所述的基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量装置，音轮构件的安装方法为：从左到右，依次将第一双沉头孔固定环(1)、第一垫块(3)、U型扭转件(4)、旋转扣件(5)、定位卡扣圆筒(6)、音轮(7)、第二垫块(8)、第二双沉头孔固定环(9)套在扭簧轴(10)上，旋转扣件(5)从定位卡扣圆筒(6)的滑槽缺口(6-2)旋入，音轮(7)和U型扭转件(4)需要旋对方向，使得静止状态下扭转角

在音轮构件一端的螺栓放置在第一双沉头孔固定环(1)、第一垫块(3)和U型扭转件(4)上的螺栓孔上，在音轮构件另一端的螺栓放置在音轮(7)、第二垫块(8)和第二双沉头孔固定环(9)上的螺栓孔上，并拧紧双沉头孔固定环螺栓(2)。

3.如权利要求1所述的基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量装置，信号处理模块(12)包括：滤波电路、信号调理电路和嵌入式系统；所述滤波电路将磁感探头(11)接入，然后输出到信号调理电路，最后连接到嵌入式系统并通过总线接口发送数据给数据显示模块(13)；所述的数据显示模块(13)将信号处理模块(12)发送过来的数据以可见或可读形式输出。

4.如权利要求1所述的基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下过程：

音轮构件和螺旋桨β反馈杆耦合在一起，同发动机一起工作，磁感探头(11)响应到音轮构件的外周向表面上的一对扭矩齿(4-1)、第一标志齿(7-2)、第二标志齿(7-3)和周向均匀隔开的多个常规齿(7-1)的通过而产生相关联的信号脉冲，并传输到所述的信号处理模块(12)，所述信号处理模块(12)将从磁感探头(11)采集的所述多个信号脉冲进行滤波、限幅、差分放大、滞回比较的处理，从而得到正的方波信号，所述的方波信号传送到嵌入式系统，所述嵌入式系统利用软件编写的特定功能的代码，从方波信号中捕获多个方波的上升沿时刻或下降沿时刻进行数据处理和存储，读出所述的长延迟、短延迟、特定间隔和预期延迟，进而计算出当前时刻的扭矩、桨距、相角和转速。

5.如权利要求4所述的基于音轮的扭矩-桨距-相角-转速集成测量装置的测量方法，特定功能的代码具有如下的逻辑步骤：

假设t_i+k为扭矩齿对应的方波到来时刻，t_i、t_i+1分别为第一和第二标志齿到来的方波时刻，由于螺旋桨自身的负载特性，在零桨距下，长延迟依旧大于预期延迟，不受测量误差的影响，

步骤1：初设能够识别出第一特定脉冲的阈值e，和能识别出扭矩齿相关联脉冲的阈值f，其中e＜1，f＞1，音轮构件总齿数为Z，齿顶圆半径R，桨距补偿值b，所述补偿值的存在是由于标志齿采用“八”字形而非“人”字形导致的，扭簧(10-1)的弹性模量为E、扭簧直径为d，扭簧回转直径为D，有效圈数为n，则扭簧刚度为K＝f(E，D，n，d)；

步骤2：捕获音轮构件旋转一周的所有方波上升沿的到来时刻t₀，…，t_i，…，t_z，然后根据常规齿的等间距特点，求出预期延迟t_A＝(t_z-t₀)/(Z-1)；

步骤3：捕获三个连续方波信号的上升沿时刻t_i+k、t_i+k+1、t_i+k+2；

步骤4：进行逻辑运算(t_i+k+1-t_i+k)＞f·t_A&&(2-f)·t_A＜(t_i+k+2-t_i+k+1)＜f·t_A，如果是真的话，存储长延迟t_L1＝t_i+k+1-t_i+k，由于一对扭矩齿成180°，故取音轮构件旋转一周的长延迟均值

并标志相角参考位置t_i+k+2，假的话返回步骤3；

步骤5：捕获五个连续方波信号的上升沿时刻t_i-2、t_i-1、t_i、t_i+1，t_i+2；

步骤6：进行逻辑运算f·t_A＜(t_i-1-t_i-2)&&(t_i-t_i-1)＜e·t_A&&(t_i+2-t_i+1)＜e·t_A，如果是真的话，存储短延迟t_S＝t_i+1-t_i，假的话返回步骤5；

步骤7：是否执行数据采集指令，真的话，获取当前执行指令时刻时间t_N，并进行如下计算，扭矩等于

桨距/>

相角

转速/>

最后结束，假的话返回步骤2。/>

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