新型航空發(fā)動機測試傳感器的發(fā)展趨勢

1、    新型航空發(fā)動機測試傳感器的發(fā)展趨勢    王克偉摘 要：目前隨著我國工業(yè)體系的不斷完善，航空發(fā)動機的制造已經(jīng)成為了可能。新一代的航空發(fā)動機性能已經(jīng)得到了大幅提高，同時其對于測試傳感器也提出了更高的要求，當前我國現(xiàn)有的發(fā)動機測試傳感器是無法達到這種技術(shù)要求的，其需要在高溫環(huán)境下工作，所以這就需要我們采取新的技術(shù)手段來繼續(xù)提高測試傳感器的技術(shù)水平，當前我們已經(jīng)利用到了mems和光譜技術(shù)。本文針對航空發(fā)動機的測試傳感器在未來的發(fā)展趨勢進行了簡要介紹。關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機測試；傳感器；高溫環(huán)境；mems技術(shù)；光譜技術(shù)當前隨著技術(shù)水平的提高，航空飛行器的體積

2、越來越大、速度越來越快，渦輪發(fā)動機的動力也在不斷提高，所以難以避免其溫度不斷提高，經(jīng)過測量，渦輪發(fā)動機的溫度甚至可以達到2200以上的高溫，所以這也就需要各類傳感器具有更高的性能，需要我們采用新的技術(shù)來提高傳感器的發(fā)展水平。當前航空發(fā)動機上應(yīng)用的傳感器對于封裝的要求很高，這是出于其工作工作環(huán)境考慮的，當前我國的溫度傳感器工作溫度大多在125以內(nèi)，而國外的傳感器工作溫度已經(jīng)可以超過200，仍然具有較大的差距，同時溫度過高也會對電路的工作造成影響。本文針對航空發(fā)動機傳感器發(fā)展趨勢進行了簡要介紹。1 航空發(fā)動機測試新技術(shù)簡介1.1mems技術(shù)mems技術(shù)也成為微機電技術(shù)，這種技術(shù)最大的特點就是能夠適

3、應(yīng)于高溫的要。其本身含有一個高敏感度的探頭，并且融入了信號處理電路，其本身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢包括輕重量、高可靠性、低功耗，當前工業(yè)級的集成硅傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)。將這種技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動機測試傳感器上，其最大的優(yōu)勢就是能夠克服高溫的問題，但即便如此，仍然需要解決封裝技術(shù)方面的問題。當前來看，我國應(yīng)用的mems傳感器應(yīng)用的封裝技術(shù)仍然和集成電路沒有區(qū)別，然而mems傳感器首先不能破壞發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，并且質(zhì)量上也有較高的要求，不能對其正常工作造成影響，這在一段時間內(nèi)仍然會影響到其推廣使用。1.2光譜技術(shù)通過物質(zhì)表面上的光譜區(qū)別加以分析來實現(xiàn)不同物體的識別，這種技術(shù)就是光譜技術(shù)。這種光譜技術(shù)可以和微機電技術(shù)加以

4、融合，當前國外已經(jīng)從光譜j8ishu開始，研發(fā)出氣體傳感器。tdl技術(shù)目前已經(jīng)被應(yīng)用于發(fā)動機參數(shù)實時測量之中了，這種激光設(shè)備造價低廉，耐用性很好，并且操作簡單，耐用性強，響應(yīng)時間短，目前已經(jīng)在具體的測試工作中得到了一定的應(yīng)用。將tdl傳感器應(yīng)用到燃氣渦輪發(fā)動機當中，其可以監(jiān)測多個參數(shù)，例如溫度、壓力、速度等等。2 航空發(fā)動機測試傳感器的發(fā)展近況2.1溫度傳感當前來看，過熱電偶是我國航空發(fā)動機用來測試氣路溫度的最多的手段，在一些發(fā)動機當中，光學高溫傳感器也得到了有效應(yīng)用了，主要用于測量渦輪葉片的溫度?，F(xiàn)在我國已經(jīng)開始嘗試運用光譜技術(shù)來測量發(fā)動機氣路的溫度，雖然已經(jīng)取得了較好的效果，但是目前仍然無

5、法應(yīng)用到航空發(fā)動機當中、在這個過程中，光學窗口中存在的污染問題也會在一定程度上影響到檢測精度，同時如果要采用這項技術(shù)，那么也會給維護工作帶來很大的壓力。還有一些其他技術(shù)在高溫檢測這項工作中發(fā)揮出了一定的優(yōu)勢，但仍然處于基礎(chǔ)研究的階段。通過聚合物前驅(qū)體法合成的陶瓷材料，如碳氮化硅（sicn），已被證明適用于在極高溫環(huán)境下進行準確測溫。這種傳感器除了可用于高溫檢測，還可用于壓力或氣體成分檢測。利用tdl技術(shù)來測量溫度和其他敏感參量，已經(jīng)在燃氣輪機燃燒室測試中得到展示。然而，大面積應(yīng)用這一技術(shù)的挑戰(zhàn)還包括工程和理論分析兩個方面。其中，工程方面涉及光纖和窗口的傳熱效應(yīng)，以及為這些組件，包括激光器、電路

6、等開發(fā)耐用的硬件；理論分析要解決的問題包括波長的優(yōu)化和檢測算法的選擇。2.2燃油品質(zhì)傳感器眾所周知，燃油的品質(zhì)會顯著影響發(fā)動機的性能。目前，除了燃油供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，還沒有其他獲取燃料特性的方法，但可以在實驗室中采用專用設(shè)備進行燃料分析。美國空軍當時進行燃料性能測試時所使用的設(shè)備是燃油光譜分析儀。目前還未有成熟的可在加油期間或加油之后對燃料熱性能進行檢測的傳感器技術(shù)。2.3葉尖間隙傳感器葉尖間隙隨航空發(fā)動機工作點的變化而變化。對于渦輪發(fā)動機的葉尖間隙而言，環(huán)境條件更加嚴苛，需要在300-4000kpa的壓力及700-1700的溫度環(huán)境下工作。目前還沒有成熟的機載傳感器，但有一些航空發(fā)動機地面試

7、驗用的葉尖間隙傳感器。葉尖間隙傳感器的工作原理不同，包括電容法、電渦流法、光學法、微波法等，都已被應(yīng)用于渦輪葉片葉尖間隙的檢測。2.4排放物檢測傳感器排放物檢測傳感器，需要在7001700環(huán)境下對發(fā)動機的燃燒排放物進行測量。這種技術(shù)，目前還沒有成熟的產(chǎn)品。在正常溫度條件下，傳感器可以對碳氧化物和氮氰化物進行檢測，檢測的前提是必須要對氣體進行激勵，激勵主要由加熱來實現(xiàn)。該技術(shù)要求在高溫條件下檢測氣體種類，而傳感器必須處于該環(huán)境溫度中。例如，排放物的組成部分（如一氧化氮和二氧化氮）在高溫下產(chǎn)生特定波長的輻射，可利用光譜探測器對該輻射進行檢測。可用于檢測碳氧化物和氮氧化物的技術(shù)有：激光誘導擊穿光譜技

8、術(shù)、陶瓷技術(shù)、金屬氧化物檢測（電子鼻）技術(shù)，以及x射線或紅外光檢測技術(shù)。上述所有傳感器技術(shù)目前都停留在實驗室階段，因此開發(fā)上述傳感器可能需要比開發(fā)其他類型的傳感器付出更多的努力。該技術(shù)還處于原理驗證水平，為了能夠真正應(yīng)用于發(fā)動機排放物實時檢測，還必須進行重大改進。氣體檢測不應(yīng)僅限于氮氧化物或碳氧化物，還應(yīng)該擴展到鐵氧化物或鉻氧化物，以便為發(fā)動機控制提供完整的狀態(tài)信息。結(jié)束語當前來看，工作溫度高于125的電路還沒有普及，所以正常來說，在發(fā)動機傳感器中，敏感探頭和電子線路這兩個部位在安裝的時候往往是分開的。為了能夠滿足發(fā)動機的發(fā)展需要，可以給發(fā)動機提供更為準確的測試結(jié)果，我們往往需要采用一些新的技術(shù)和新的理念來設(shè)計發(fā)動機測試傳感器。目前來看，mems這種技術(shù)可以很好地解決高溫工作問題，并且其絕緣體結(jié)構(gòu)上的硅可以起到很好的隔熱效果，潛在工作溫度可以達到300，在后續(xù)試驗中我們應(yīng)用到了半導體碳化硅以及陶瓷材料硅碳氮，甚至可以將工作溫度提升到1500以上。同時氣相色譜技術(shù)以及光譜技術(shù)都將投入使用，這些都給我國測試傳感器的發(fā)展提供了很大的便利。參考文獻1錢紅余，高秋穎.發(fā)展先進航空發(fā)動機控制系統(tǒng)傳感器面臨的問題和挑戰(zhàn)c.2011航空試驗測試技術(shù)學術(shù)交流會論文集.2010.2姜澄宇，馬炳和.航空發(fā)動機耐高溫微傳感器研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)j