航空用線位移傳感器設(shè)計(jì)及典型故障模式分析

摘" 要：針對(duì)當(dāng)前航空飛機(jī)對(duì)線位移傳感器應(yīng)用場(chǎng)景的要求，提出一種集成電氣信號(hào)和機(jī)械指示功能的復(fù)合式線位移傳感器，并對(duì)其中的渦卷彈簧設(shè)計(jì)原理和電氣信號(hào)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行描述，采用理論分析和仿真建模的方式得到最佳的線位移傳感器設(shè)計(jì)方案。另一方面，列舉線位移傳感器在地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)過程中遇到的2個(gè)典型故障問題，分別是低溫試驗(yàn)下鋼繩無法回縮的故障和電阻信號(hào)跳變的故障，并從故障概述、故障樹分析、機(jī)理分析和故障解決4個(gè)方面進(jìn)行分析，找到故障原因并提出解決辦法。該文所使用的故障分析方法和故障原因?qū)ν愋偷暮娇疹惍a(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考意義，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：線位移傳感器；復(fù)合式；集成電氣信號(hào)；渦卷彈簧；仿真

中圖分類號(hào)：V214.72" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）03-0001-07

Abstract： In response to the current requirements of aviation and aircraft for linear displacement sensor application scenarios， a compound linear displacement sensor integrating electrical signal and mechanical indication functions is proposed， and the design principles of the scroll spring and electrical signal are described. Theoretical analysis and simulation modeling are used to obtain the best linear displacement sensor design scheme. On the other hand， two typical fault problems encountered by linear displacement sensors during ground tests and flight tests are cited， which are the fault that the steel rope cannot retract under low temperature tests and the fault that the resistance signal jumps. The fault summary， fault tree analysis， mechanism analysis and fault resolution are analyzed， and the fault causes are found and solutions are proposed. The fault analysis methods and fault causes used in this paper provide reference significance for the design of similar types of aviation products and improve the design quality.

Keywords： linear displacement sensor; composite; integrated electrical signal; scroll spring; simulation

第一作者簡(jiǎn)介：張喬（1988-），男，工程師。研究方向?yàn)槿加蜏y(cè)量系統(tǒng)。

*通信作者：杜昕鯤（1992-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)槿加蜏y(cè)量系統(tǒng)算法。

線位移傳感器是一種把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)的傳感器，能夠?qū)ξ灰屏窟M(jìn)行檢測(cè)，不同的位移量常常對(duì)應(yīng)不同的容積，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱體容積的目的[1-4]。當(dāng)前階段，線位移傳感器一般僅有電氣信號(hào)輸出功能，不具有機(jī)械指示功能，在地面維護(hù)或離位檢測(cè)時(shí)極其不便[1，5-7]。對(duì)此，本文提出了一種集成電氣信號(hào)和機(jī)械指示功能的復(fù)合式線位移傳感器，并對(duì)該型線位移傳感器常見的故障模式進(jìn)行分析，對(duì)類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供借鑒意義。

1" 線位移傳感器設(shè)計(jì)原理

1.1" 工作原理

線位移傳感器的功能由表盤指示和電氣信號(hào)輸出組成，2個(gè)功能通過傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接。線位移傳感器通過拉繩和滾筒將箱體活塞的線位移轉(zhuǎn)換為電位計(jì)的角位移，輸出正比于電位計(jì)角位移的電阻信號(hào)；同時(shí)，通過減速機(jī)構(gòu)將電位計(jì)的角位移調(diào)整到機(jī)械指針能正常指示的范圍，指示箱體液體腔的有效容積。傳感器主要有殼體組合、快速接頭、電位計(jì)組合、發(fā)條彈簧、減速機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪、滾筒和透明窗等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2" 渦卷彈簧設(shè)計(jì)

渦卷彈簧與盤繞拉繩的滾筒同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器調(diào)試時(shí)施加一定的預(yù)緊圈數(shù)，用作能量?jī)?chǔ)存，產(chǎn)生反作用力矩，提供回彈力。

渦卷彈簧一般用鋼帶或鋼絲繞制而成，呈平面螺旋形。彈簧一端固定，一端承受轉(zhuǎn)矩，彈簧圈數(shù)多，變形角大，具有在較小體積類儲(chǔ)存較大能量的特點(diǎn)。渦卷彈簧又分為接觸型和非接觸型，結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文采用接觸型渦卷彈簧，其特性如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)為彈簧轉(zhuǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為彈簧轉(zhuǎn)矩，T4為最大輸出轉(zhuǎn)矩，Tj為極限轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，渦卷彈簧安裝在簧盒內(nèi)，外端固定在簧盒的內(nèi)壁上，內(nèi)端固定在芯軸上。彈簧被卷緊在簧盒內(nèi)并儲(chǔ)存能量，提供回彈力，如圖4所示。

根據(jù)JB/T 7366—1994《平面渦卷彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》，接觸型平面渦卷彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算公式如下。

1）極限轉(zhuǎn)矩Tj=σb，式中：b為渦卷彈簧寬度（mm），h為渦卷彈簧厚度（mm），σb為材料抗拉強(qiáng)度極限（N/mm2）；

2）彈簧自然狀態(tài)下的圈數(shù)為

n0=[-d1]- ， （1）

式中：l為彈簧工作圈展開長(zhǎng)度（mm），d1為彈簧固定滾筒芯軸直徑（mm），K3為固定系數(shù)，E為材料彈性模量（MPa）；

3）彈簧安裝在簧盒內(nèi)未受轉(zhuǎn)矩時(shí)的圈數(shù)為

n1=[D2-] ， （2）

式中：D2為簧盒內(nèi)徑；

4）彈簧卷緊在滾筒芯軸上的圈數(shù)為

n2=[-d1] ；（3）

5）彈簧有效工作圈數(shù)為

n=K4（n2-n1） ， （4）

式中：K4為有效系數(shù)，按d1/h的值查表選取。

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，簧盒內(nèi)徑D2=40 mm，渦卷彈簧寬度b=7 mm，厚度h=0.2 mm，長(zhǎng)度l=2 000 mm，芯軸直徑d1=8 mm。彈簧材料擬選用高強(qiáng)度彈性合金3J21（參考航空材料手冊(cè)），熱處理（固溶+）后其抗拉強(qiáng)度極限σb=（1 961～2 452） N/mm2（取最小1 961），彈性模量E=206 GPa。根據(jù)彈簧的結(jié)構(gòu)及固定方式查得K3=0.8，K4=0.88。通過計(jì)算可以得出：極限轉(zhuǎn)矩Tj=91.5 N·mm，n0=14.1圈，n1=17.4圈，n2=39.9圈，n=19.8圈。

1.3 電氣信號(hào)設(shè)計(jì)

線位移傳感器通過拉繩和滾筒將箱體活塞的線位移轉(zhuǎn)換為電位器的角位移，輸出正比于電位器角位移的電阻信號(hào)，并通過插座與上位機(jī)進(jìn)行電氣互聯(lián)。

電位器的電刷支架與繞組為螺旋配合，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)軸后，轉(zhuǎn)軸會(huì)驅(qū)動(dòng)帶電刷支架沿著繞組螺旋運(yùn)動(dòng)，使電刷觸點(diǎn)沿著繞組工作面滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分阻阻值的調(diào)節(jié)。

電位器在實(shí)際使用過程中，在振動(dòng)環(huán)境下，電刷與電阻絲直接會(huì)存在電阻變大的情況，為提升采集的精度，消除接觸電阻帶來的影響，使用三線制數(shù)字測(cè)量原理。

三線制數(shù)字測(cè)量原理等效圖如圖5所示，上位機(jī)測(cè)量時(shí)測(cè)得的電壓可簡(jiǎn)化為

V=I0×R1×R內(nèi)/（R內(nèi)+RX） ， （5）

式中：V為上位機(jī)測(cè)量的電壓值（V）；I0為恒流源（A）；R1為電位器1與3之間的電阻（Ω）；RX為電位器電刷與電阻絲之間增加的接觸電阻（Ω）；R內(nèi)為上位機(jī)系統(tǒng)內(nèi)阻；R0為測(cè)量電路保護(hù)電阻（Ω）。

從上述原測(cè)量原理可知，使用的上位機(jī)相當(dāng)于電壓表，內(nèi)阻基本大于1 MΩ，電刷在振動(dòng)環(huán)境下的接觸電阻根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果小于100 Ω，內(nèi)阻R內(nèi)遠(yuǎn)大于接觸電阻RX，因此上述公式（5）可簡(jiǎn)化為公式（6）

V=I0×R1 。 （6）

基于三線制數(shù)字測(cè)量原理，從公式（6）可知，上位機(jī)測(cè)量的電壓幾乎不受電位器電刷與電阻絲之間接觸電阻變化的影響。

2 低溫試驗(yàn)下鋼繩無法回縮的故障分析

2.1 故障概述

根據(jù)線位移傳感器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，其需要在-55 ℃低溫下正常工作，以滿足航空飛機(jī)的全天候環(huán)境適應(yīng)性要求。而在某次地面系統(tǒng)聯(lián)試過程中，當(dāng)環(huán)境溫度為-55℃，溫度穩(wěn)定時(shí)間4 h，在7 L液位（鋼繩拉出長(zhǎng)度為138.5 mm）時(shí)進(jìn)行加液操作，傳感器的機(jī)械指示和電阻信號(hào)均未發(fā)生變化，與實(shí)際工況不符，打開箱體口蓋檢查發(fā)現(xiàn)線位移傳感器的鋼繩未回縮，隨著溫度回升，鋼繩正常回縮，傳感器的機(jī)械指示和輸出電阻恢復(fù)正常。

2.2" 故障樹分析

結(jié)合線位移傳感器的設(shè)計(jì)原理及該故障的可能誘發(fā)因素，分析得到如圖6所示的故障底事件。

2.2.1" 齒輪異物卡滯

當(dāng)減速機(jī)構(gòu)混入異物，如金屬屑等，將導(dǎo)致齒輪卡滯，滾動(dòng)無法轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼繩無法正常回縮。在常溫狀態(tài)下，產(chǎn)品的鋼繩能夠伸縮，未見卡滯現(xiàn)象，分解產(chǎn)品，未發(fā)現(xiàn)異物。因此，可排除該故障原因。

2.2.2" 齒輪摩擦力矩增大

從產(chǎn)品的工作原理可知，發(fā)條組件中的彈簧提供初始預(yù)緊力，在鋼繩的回縮過程中，彈簧的力需要克服減速機(jī)構(gòu)和電位計(jì)組合件的摩擦力。

分解產(chǎn)品，未發(fā)現(xiàn)齒輪有明顯磨損跡象，齒輪為金屬材料，表面硬質(zhì)陽(yáng)極化，在低溫工作狀態(tài)下，根據(jù)熱脹冷縮的原理，齒輪齒之間，齒輪輪軸與蓋板孔之間的間隙變小，摩擦應(yīng)力矩減小。單獨(dú)將減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行低溫試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)齒輪可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，無卡滯現(xiàn)象。因此，可排除該故障原因。

2.2.3" 軸套松動(dòng)

鋼繩伸縮時(shí)，將帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒再通過軸套帶動(dòng)電位計(jì)、減速機(jī)構(gòu)、發(fā)條彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)軸套松動(dòng)時(shí)，彈簧的回彈力無法完全傳遞到減速機(jī)構(gòu)和電位計(jì)上，存在打轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，導(dǎo)致電阻信號(hào)、機(jī)械指示均無法正常輸出變化，并且無法帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致鋼繩無法回縮。

在常溫下，產(chǎn)品的鋼繩能夠正常伸縮，同時(shí)分解產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)緊固螺釘牢靠，未見軸套松動(dòng)現(xiàn)象。因此，可排除該故障原因。

2.2.4" 電位計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩增大

從產(chǎn)品的工作原理可知，鋼繩拉出時(shí)，由發(fā)條組件中的彈簧提供回彈力，使得鋼繩回縮，在回縮過程中，彈簧的回彈力需要克服減速機(jī)構(gòu)和電位計(jì)組合件的阻力。在低溫工作狀態(tài)下，當(dāng)電位計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩增大時(shí)，超過彈簧的回彈力時(shí)，鋼繩將無法回縮。

為進(jìn)一步定位故障，進(jìn)行了以下2組低溫試驗(yàn)，-55 ℃保溫1 h。①電位計(jì)低溫試驗(yàn)：3只試驗(yàn)電位計(jì)，在低溫下出現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯現(xiàn)象，升溫后恢復(fù)正常轉(zhuǎn)動(dòng)。②電位計(jì)拉力試驗(yàn)：取下減速機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品在常溫、低溫環(huán)境下的啟動(dòng)拉力見表1。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，電位計(jì)在低溫下的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩異常增大，超過了彈簧的回彈力，導(dǎo)致鋼繩無法回縮。因此，無法排除該故障原因。

2.2.5" 彈簧問題

彈簧加工或者使用過程中，有非正常變形、裂紋等，將導(dǎo)致彈簧性能下降，以及低溫下可能存在彈力減弱的問題，導(dǎo)致鋼繩無法回縮。分解產(chǎn)品，檢查彈簧外觀，未發(fā)現(xiàn)損傷。在后續(xù)驗(yàn)證工作中，更換改進(jìn)后的電位計(jì)，檢測(cè)拉繩在最遠(yuǎn)端處的拉力時(shí)，低溫和常溫下幾乎沒有變化。因此可以排除彈簧低溫性能下降的原因。因此，可排除該故障原因。

2.2.6" 鋼繩脫落

通過對(duì)返廠產(chǎn)品的檢查，未發(fā)現(xiàn)鋼繩脫落情況，拉繩在常溫能夠正常收縮，低溫時(shí)，在-55 ℃時(shí)出現(xiàn)卡滯，升溫后，能夠正常收縮，可以排除低溫下鋼繩脫落的原因，可排除該故障原因。

綜上所述，導(dǎo)致本次低溫下鋼繩無法回縮問題的故障原因?yàn)殡娢挥?jì)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩增大，造成低溫卡滯，鋼繩不能回縮。

2.3" 機(jī)理分析

線位移傳感器選用的電位計(jì)，用戶手冊(cè)上使用溫度范圍為-55～125 ℃，但根據(jù)試驗(yàn)情況，電位計(jì)在低溫-55 ℃時(shí)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯現(xiàn)象。

廠家抽取了4只庫(kù)存電位計(jì)，對(duì)其常溫及低溫（-55 ℃，4 h）下的起動(dòng)力矩進(jìn)行了測(cè)試，具體見表2。

經(jīng)查，電位計(jì)的轉(zhuǎn)軸與殼體軸孔間涂有潤(rùn)滑脂（牌號(hào)為295-3），使用溫度范圍為-50～200 ℃，在-55 ℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰凝結(jié)的現(xiàn)象，結(jié)冰后將電位計(jì)的轉(zhuǎn)軸卡滯，低溫下的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩超過了50 mN·m，超過了彈簧的回彈力，導(dǎo)致鋼繩無法回縮。

線位移傳感器使用的發(fā)條彈簧涂覆了航空潤(rùn)滑脂，該潤(rùn)滑脂的使用溫度為-60～120℃，在-55 ℃時(shí)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰凝結(jié)的現(xiàn)象，可排除該因素的影響。

2.4 故障解決

2.4.1 電位計(jì)改進(jìn)

電位計(jì)在裝配過程中將295-3潤(rùn)滑脂更換為7015號(hào)高低溫潤(rùn)滑脂，材料標(biāo)準(zhǔn)為Q/SH037.017—1988《7015號(hào)高低溫潤(rùn)滑脂》，該潤(rùn)滑脂使用溫度范圍為-70～180 ℃，廣泛應(yīng)用于各種伺服電機(jī)和精密儀表，在-55 ℃時(shí)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰凝固，不會(huì)導(dǎo)致電位計(jì)轉(zhuǎn)軸卡滯。該潤(rùn)滑脂已在其他型號(hào)電位器上成熟使用，對(duì)產(chǎn)品的電氣性能無影響。

2.4.2" 增加拉力控制和低溫鋼繩回縮檢查

根據(jù)傳感器的工作原理，鋼繩回縮時(shí)彈簧的彈力需克服電位計(jì)的阻力、減速機(jī)構(gòu)阻力，原產(chǎn)品圖樣中僅規(guī)定了鋼繩完全拉出時(shí)拉力不大于20 N，未規(guī)定最小的力，當(dāng)彈力無法克服阻力時(shí)，將導(dǎo)致鋼繩無法回縮。

選擇8只產(chǎn)品換裝改進(jìn)后的電位計(jì)進(jìn)行拉力測(cè)試和回縮檢查，詳見表3，在協(xié)議、規(guī)范規(guī)定的低溫環(huán)境下均能正常回縮。

因此，在產(chǎn)品裝配調(diào)試中增加拉力檢查，0 L液位時(shí)拉力應(yīng)在6～9 N。

同時(shí)在工序中增加低溫鋼繩回縮檢查，具體檢查方法如下：-55 ℃下保溫1 h，試驗(yàn)期間將拉繩拉出并用專用工裝固定，指針指示在約7 L位置，保溫結(jié)束后，取下工裝，檢查鋼繩能否回縮。

3" 電阻信號(hào)跳變的故障分析

3.1" 故障概述

在某次飛行過程中，線位移傳感器在工作一段時(shí)間后，液位異常顯示，其輸出信號(hào)不連續(xù)，存在跳變情況。故障產(chǎn)品返廠后，按照規(guī)范對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能檢查，鋼繩能夠自由拉伸和回縮，機(jī)械指示正常，各項(xiàng)功能性能正常，但在功能振動(dòng)試驗(yàn)中，出現(xiàn)了電阻信號(hào)跳變。

3.2" 故障樹分析

線位移傳感器的信號(hào)問題主要受電氣部分影響，機(jī)械傳動(dòng)部分即使出現(xiàn)故障，也僅影響電阻輸出和液位容積的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并不會(huì)出現(xiàn)電阻的跳變問題，并且故障產(chǎn)品返廠后，鋼繩能夠正?；乜s，指針能夠正常指示，傳感器沒有出現(xiàn)卡滯、鋼繩松脫等情況。因此，本次故障原因的分析集中在傳感器電氣部分，得到了電阻信號(hào)跳變的故障底事件，故障樹如圖7所示。

3.2.1" 導(dǎo)線問題

線位移傳感器的電位器通過導(dǎo)線與插座連接，如果導(dǎo)線出現(xiàn)斷裂，在使用過程中將導(dǎo)致信號(hào)突然中斷畸變，電阻無限大，返廠故障產(chǎn)品能夠正常輸出電阻信號(hào)，分解產(chǎn)品，未見導(dǎo)線有斷裂的情況。因此，可排除該故障原因。

如果傳感器導(dǎo)線出現(xiàn)破損，導(dǎo)線金屬線芯與傳感器殼體出現(xiàn)搭接，必然會(huì)導(dǎo)致傳感器的絕緣電阻不合格，對(duì)返廠傳感器進(jìn)行絕緣電阻檢查，絕緣電阻大于20 MΩ，滿足產(chǎn)品要求，同時(shí)經(jīng)分解檢查，導(dǎo)線完好，無破損現(xiàn)象，用三用表檢查電位器和插座間導(dǎo)線的導(dǎo)通性能，傳輸電阻為0.1 Ω，連接良好。因此，可排除該故障原因。

3.2.2" 焊點(diǎn)問題

線位移傳感器的電位器、插座與導(dǎo)線之間采用焊接的方式進(jìn)行連接，當(dāng)電位器端的焊點(diǎn)出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，將導(dǎo)致信號(hào)輸出跳變。經(jīng)分解檢查，焊點(diǎn)完好，無松動(dòng)現(xiàn)象，用三用表檢查電位器和插座間的導(dǎo)通性能，傳輸電阻為0.1 Ω，連接良好。因此，可排除該故障原因。

當(dāng)插座端的焊點(diǎn)出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，將導(dǎo)致信號(hào)輸出跳變。經(jīng)分解檢查，焊點(diǎn)完好，無松動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)用三用表檢查電位器和插座間的導(dǎo)通性能，傳輸電阻為0.1 Ω，連接良好。因此，可排除該故障原因。

3.2.3" 插座問題

線位移傳感器選用的是GJB599Ⅲ系列玻璃燒結(jié)的焊接密封插座，如果插針出現(xiàn)松動(dòng)歪斜，將會(huì)導(dǎo)致與插頭對(duì)插連接不可靠，進(jìn)而出現(xiàn)電阻信號(hào)跳變。經(jīng)檢查，插針無松動(dòng)歪斜，用三用表檢查兩端導(dǎo)通性能，傳輸電阻為0.1 Ω，接通良好。因此，可排除該故障原因。

如果產(chǎn)品的插座殼體出現(xiàn)變形，將會(huì)導(dǎo)致與插頭對(duì)插連接時(shí)，電氣連接不牢靠，進(jìn)而出現(xiàn)電阻信號(hào)跳變。檢查插座的外觀，沒有出現(xiàn)磕碰變形的情況，螺紋未見損傷，尺寸符合要求。因此，可排除該故障原因。

3.2.4" 電位器故障

線位移傳感器的電位器與滾筒同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，拉繩位移帶動(dòng)滾筒和電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而改變輸出信號(hào)，電位器通過導(dǎo)線與插座連接，直接輸出電阻信號(hào)。當(dāng)電位器出現(xiàn)故障時(shí)，將直接反應(yīng)到傳感器的信號(hào)輸出上。

對(duì)線位移傳感器進(jìn)行復(fù)查，常溫、高低溫狀態(tài)下各項(xiàng)功能性能正常，但在功能振動(dòng)過程中，進(jìn)行到第二個(gè)軸向（Y向）時(shí)，發(fā)現(xiàn)電阻信號(hào)存在跳變，隨機(jī)跳變到約1 200、1 500、2 800 Ω等不同阻值，試驗(yàn)照片如圖8所示。

分解檢查過程中，插座、導(dǎo)線、各焊點(diǎn)未見異常，用于安裝電位器的襯板緊固無松動(dòng)，齒輪、滾筒等傳動(dòng)部件均能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，均在指定的安裝位置，未見異常。

傳感器的電阻信號(hào)由電位器直接提供，中間傳輸信號(hào)的導(dǎo)線、插座未見異常，機(jī)械傳動(dòng)的零件工作正常，因此初步定位到信號(hào)問題由電位器產(chǎn)生。

3.2.5" 繞組問題

當(dāng)繞組固定不牢時(shí)，可能導(dǎo)致簧片與電阻絲接觸不可靠，報(bào)電阻信號(hào)跳變故障。將電位器分解，檢查繞組在外殼內(nèi)的固定情況，螺旋形繞組均在外殼螺旋凹槽內(nèi)，固定牢靠，且未發(fā)現(xiàn)表面有多余物附著。因此，可排除該故障原因。

當(dāng)繞組的電阻絲出現(xiàn)松線時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致簧片與繞組接觸不可靠，報(bào)電阻信號(hào)跳變故障。將電位器分解，用顯微鏡觀察繞組，發(fā)現(xiàn)繞組的電阻絲繞制緊密，已采用絕緣清漆固定，未見松線，繞組表面未發(fā)現(xiàn)異物。因此，可排除該故障原因。

3.2.6" 彈性元件問題

當(dāng)簧片出現(xiàn)非正常變形或損傷時(shí)，將導(dǎo)致簧片與電阻絲的接觸不可靠，報(bào)電阻信號(hào)跳變故障。將電位器分解，通過目視觀察，簧片外觀正常，未見燒蝕氧化，發(fā)現(xiàn)滑塊上的簧片與電阻絲接觸良好，實(shí)測(cè)觸點(diǎn)接觸電阻在0.2 Ω。對(duì)其進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度合格，沒有異常變形，厚度尺寸符合加工要求。因此，可排除該故障原因。

當(dāng)集流簧片出現(xiàn)非正常變形或損傷時(shí)，將導(dǎo)致集流簧片與集流環(huán)的接觸不可靠，報(bào)電阻信號(hào)跳變故障。

將電位器分解，通過目視觀察，集流簧片外觀正常，未見燒蝕氧化，與集流環(huán)接觸良好，實(shí)測(cè)觸點(diǎn)接觸電阻在0.2 Ω。對(duì)其進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度合格，沒有異常變形，厚度尺寸符合加工要求。因此，可排除該故障原因。

3.2.7" 裝配問題

當(dāng)電位器的引出端焊片出現(xiàn)松動(dòng)，與繞組的連接出現(xiàn)不可靠時(shí)，報(bào)電阻信號(hào)跳變故障。將電位器分解進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)焊片牢固無松動(dòng)，用三用表檢測(cè)繞組根部與焊片的導(dǎo)通性，傳輸電阻為0.1 Ω，接通良好。因此，可排除該故障原因。

電位器在裝配時(shí)，軸向上以轉(zhuǎn)軸為基礎(chǔ)，依次裝入頂蓋、外殼、底蓋，在組裝完成后，軸向上存在一定的間隙，如圖9所示。在振動(dòng)環(huán)境下，滑塊上的簧片與電阻絲出現(xiàn)相對(duì)摩擦，較大的間隙會(huì)導(dǎo)致電阻絲、簧片異常磨損，簧片與電阻絲出現(xiàn)接觸不可靠，引起接觸電阻變大，最終導(dǎo)致輸出電阻信號(hào)跳變。

對(duì)電位器的軸端間隙進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為0.11 mm，不滿足電位器技術(shù)要求中的規(guī)定的≤0.08 mm要求。

將經(jīng)過振動(dòng)試驗(yàn)后的電位器進(jìn)行信號(hào)連續(xù)性檢查，發(fā)現(xiàn)存在信號(hào)突變，進(jìn)一步分解檢查，用顯微鏡觀察內(nèi)部情況，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)期間的接觸點(diǎn)位置，電阻絲磨損嚴(yán)重，具體如圖10所示。因此，無法排除該故障原因。

綜上所述，線位移傳感器電阻信號(hào)跳變的原因?yàn)殡娢黄鞴收?，電位器的軸端間隙不滿足要求，間隙量過大，在振動(dòng)環(huán)境下，滑塊上的簧片與電阻絲出現(xiàn)相對(duì)摩擦，內(nèi)部電阻絲、簧片異常磨損，導(dǎo)致接觸不可靠，引起接觸電阻變大，最終導(dǎo)致輸出電阻信號(hào)跳變。

3.3" 機(jī)理分析

線位移傳感器通過拉繩和滾筒將箱體內(nèi)活塞的線位移轉(zhuǎn)換為電位器的角位移，輸出正比于電位器角位移的電阻信號(hào)，當(dāng)電位器發(fā)生故障時(shí)，將直接導(dǎo)致輸出的電阻信號(hào)不滿足使用要求。電位器在裝配時(shí)，軸向上以轉(zhuǎn)軸為基礎(chǔ)，依次裝入頂蓋、外殼、底蓋，因制造公差的原因，電位器在組裝完成后，軸向上存在一定的間隙。電位器的輸出電阻由電阻絲電阻、接觸點(diǎn)接觸電阻組成，正常情況下，接觸點(diǎn)電阻在1 Ω以內(nèi)，但在振動(dòng)環(huán)境下，由于存在軸端間隙，轉(zhuǎn)軸在軸向上會(huì)發(fā)生一定的串動(dòng)，滑塊上的簧片與電阻絲出現(xiàn)較大的相對(duì)位移摩擦，內(nèi)部電阻絲與簧片異常磨損后，接觸不可靠，進(jìn)而引起接觸電阻變大，最終導(dǎo)致輸出電阻信號(hào)跳變，間隙量越大，一定時(shí)間內(nèi)造成的磨損就越嚴(yán)重。在極端情況下，還會(huì)導(dǎo)致電阻絲被磨斷，集流簧片斷裂等情況，導(dǎo)致最終輸出電阻信號(hào)開路。

3.4 故障解決

線位移傳感器電阻信號(hào)跳變的原因?yàn)閺S家生產(chǎn)的WXD3540電位器故障，電位器不滿足振動(dòng)環(huán)境使用要求，振動(dòng)環(huán)境下，滑塊上的簧片與電阻絲出現(xiàn)相對(duì)摩擦，內(nèi)部電阻絲與簧片磨損，引起接觸電阻變大，最終導(dǎo)致輸出電阻信號(hào)跳變。

針對(duì)故障原因，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品的使用要求，篩選了2只軸端間隙為0.08 mm的電位器進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，其中功能振動(dòng)每軸向1 h，耐久振動(dòng)每軸向12 h，完成之后再進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)中及試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)電阻信號(hào)跳變的情況。通過上述機(jī)械磨損試驗(yàn)，在軸端間隙為0.08 mm時(shí)，電位器能夠滿足產(chǎn)品的使用環(huán)境要求。據(jù)此制定以下糾正措施：

電位計(jì)生產(chǎn)過程中，在總裝工序操作中對(duì)產(chǎn)品的軸端間隙進(jìn)行控制，通過大、小墊圈（材料為聚四氟乙烯薄膜，厚度0.1 mm）和換裝零件對(duì)軸端間隙進(jìn)行控制，增加軸端間隙控制后，電位器需同時(shí)保證轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性，采用轉(zhuǎn)動(dòng)力矩檢測(cè)儀進(jìn)行啟動(dòng)力矩檢查，應(yīng)不大于12 mN.m；

在電位計(jì)生產(chǎn)過程中，增加“軸端間隙”測(cè)量項(xiàng)目，使用軸端間隙測(cè)量?jī)x對(duì)產(chǎn)品軸端間隙進(jìn)行測(cè)量，要求產(chǎn)品軸端間隙不大于0.07mm。

4 結(jié)束語

本文提出了一種集成電氣信號(hào)和機(jī)械指示功能的復(fù)合式線位移傳感器，并對(duì)其中的渦卷彈簧設(shè)計(jì)方案和所涉及的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到了最優(yōu)的彈簧圈數(shù)和彈簧直徑；針對(duì)電位器在實(shí)際使用過程中，在振動(dòng)環(huán)境下，電刷與電阻絲直接會(huì)存在電阻變大的情況，為提升采集的精度，消除接觸電阻帶來的影響，論證了三線制數(shù)字測(cè)量原理對(duì)于消除接觸電阻方面的作用，確保了設(shè)計(jì)方案的可行性。在此基礎(chǔ)上，例舉了線位移傳感器在地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)過程中遇到的2個(gè)典型故障問題，分別是低溫試驗(yàn)下鋼繩無法回縮的故障和電阻信號(hào)跳變的故障，其中低溫試驗(yàn)下鋼繩無法回縮的故障原因是電位計(jì)內(nèi)所使用的潤(rùn)滑脂不滿足低溫環(huán)境要求，導(dǎo)致在-55 °C時(shí)，電位計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩增大，造成低溫卡滯，鋼繩不能回縮；電阻信號(hào)跳變的故障原因是電位器不滿足振動(dòng)環(huán)境使用要求，振動(dòng)環(huán)境下，滑塊上的簧片與電阻絲出現(xiàn)相對(duì)摩擦，內(nèi)部電阻絲與簧片磨損，引起接觸電阻變大，最終導(dǎo)致輸出電阻信號(hào)跳變。綜上所述，本文提出了一種復(fù)合式線位移傳感器并對(duì)使用過程中發(fā)生的2個(gè)故障問題進(jìn)行分析，所使用的故障分析方法和故障原因?qū)ν愋偷暮娇疹惍a(chǎn)品提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

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