新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

王克偉

摘 要：目前隨著我國(guó)工業(yè)體系的不斷完善，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造已經(jīng)成為了可能。新一代的航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能已經(jīng)得到了大幅提高，同時(shí)其對(duì)于測(cè)試傳感器也提出了更高的要求，當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試傳感器是無(wú)法達(dá)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(lái)繼續(xù)提高測(cè)試傳感器的技術(shù)水平，當(dāng)前我們已經(jīng)利用到了MEMS和光譜技術(shù)。本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試傳感器在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試；傳感器；高溫環(huán)境；MEMS技術(shù)；光譜技術(shù)

當(dāng)前隨著技術(shù)水平的提高，航空飛行器的體積越來(lái)越大、速度越來(lái)越快，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力也在不斷提高，所以難以避免其溫度不斷提高，經(jīng)過(guò)測(cè)量，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度甚至可以達(dá)到2200℃以上的高溫，所以這也就需要各類(lèi)傳感器具有更高的性能，需要我們采用新的技術(shù)來(lái)提高傳感器的發(fā)展水平。當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的傳感器對(duì)于封裝的要求很高，這是出于其工作工作環(huán)境考慮的，當(dāng)前我國(guó)的溫度傳感器工作溫度大多在125℃以?xún)?nèi)，而國(guó)外的傳感器工作溫度已經(jīng)可以超過(guò)200℃，仍然具有較大的差距，同時(shí)溫度過(guò)高也會(huì)對(duì)電路的工作造成影響。本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試新技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1MEMS技術(shù)

MEMS技術(shù)也成為微機(jī)電技術(shù)，這種技術(shù)最大的特點(diǎn)就是能夠適應(yīng)于高溫的要。其本身含有一個(gè)高敏感度的探頭，并且融入了信號(hào)處理電路，其本身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)包括輕重量、高可靠性、低功耗，當(dāng)前工業(yè)級(jí)的集成硅傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。將這種技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試傳感器上，其最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠克服高溫的問(wèn)題，但即便如此，仍然需要解決封裝技術(shù)方面的問(wèn)題。當(dāng)前來(lái)看，我國(guó)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(méi)有區(qū)別，然而MEMS傳感器首先不能破壞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，并且質(zhì)量上也有較高的要求，不能對(duì)其正常工作造成影響，這在一段時(shí)間內(nèi)仍然會(huì)影響到其推廣使用。

1.2光譜技術(shù)

通過(guò)物質(zhì)表面上的光譜區(qū)別加以分析來(lái)實(shí)現(xiàn)不同物體的識(shí)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(jī)電技術(shù)加以融合，當(dāng)前國(guó)外已經(jīng)從光譜j8ishu開(kāi)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(dòng)機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量之中了，這種激光設(shè)備造價(jià)低廉，耐用性很好，并且操作簡(jiǎn)單，耐用性強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間短，目前已經(jīng)在具體的測(cè)試工作中得到了一定的應(yīng)用。將TDL傳感器應(yīng)用到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中，其可以監(jiān)測(cè)多個(gè)參數(shù)，例如溫度、壓力、速度等等。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試傳感器的發(fā)展近況

2.1溫度傳感

當(dāng)前來(lái)看，過(guò)熱電偶是我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用來(lái)測(cè)試氣路溫度的最多的手段，在一些發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中，光學(xué)高溫傳感器也得到了有效應(yīng)用了，主要用于測(cè)量渦輪葉片的溫度?，F(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始嘗試運(yùn)用光譜技術(shù)來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)法應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中、在這個(gè)過(guò)程中，光學(xué)窗口中存在的污染問(wèn)題也會(huì)在一定程度上影響到檢測(cè)精度，同時(shí)如果要采用這項(xiàng)技術(shù)，那么也會(huì)給維護(hù)工作帶來(lái)很大的壓力。

還有一些其他技術(shù)在高溫檢測(cè)這項(xiàng)工作中發(fā)揮出了一定的優(yōu)勢(shì)，但仍然處于基礎(chǔ)研究的階段。通過(guò)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(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)溫。這種傳感器除了可用于高溫檢測(cè)，還可用于壓力或氣體成分檢測(cè)。利用TDL技術(shù)來(lái)測(cè)量溫度和其他敏感參量，已經(jīng)在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室測(cè)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(gè)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、電路等開(kāi)發(fā)耐用的硬件；理論分析要解決的問(wèn)題包括波長(zhǎng)的優(yōu)化和檢測(cè)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(huì)顯著影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。目前，除了燃油供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，還沒(méi)有其他獲取燃料特性的方法，但可以在實(shí)驗(yàn)室中采用專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行燃料分析。美國(guó)空軍當(dāng)時(shí)進(jìn)行燃料性能測(cè)試時(shí)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(duì)燃料熱性能進(jìn)行檢測(cè)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(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的變化而變化。對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉尖間隙而言，環(huán)境條件更加嚴(yán)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(méi)有成熟的機(jī)載傳感器，但有一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)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(xué)法、微波法等，都已被應(yīng)用于渦輪葉片葉尖間隙的檢測(cè)。

2.4排放物檢測(cè)傳感器

排放物檢測(cè)傳感器，需要在700～1700℃環(huán)境下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒排放物進(jìn)行測(cè)量。這種技術(shù)，目前還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品。在正常溫度條件下，傳感器可以對(duì)碳氧化物和氮氰化物進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的前提是必須要對(duì)氣體進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)主要由加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)要求在高溫條件下檢測(cè)氣體種類(lèi)，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(zhǎng)的輻射，可利用光譜探測(cè)器對(duì)該輻射進(jìn)行檢測(cè)。可用于檢測(cè)碳氧化物和氮氧化物的技術(shù)有：激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)、陶瓷技術(shù)、金屬氧化物檢測(cè)（電子鼻）技術(shù)，以及x射線或紅外光檢測(cè)技術(shù)。上述所有傳感器技術(shù)目前都停留在實(shí)驗(yàn)室階段，因此開(kāi)發(fā)上述傳感器可能需要比開(kāi)發(fā)其他類(lèi)型的傳感器付出更多的努力。該技術(shù)還處于原理驗(yàn)證水平，為了能夠真正應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)排放物實(shí)時(shí)檢測(cè)，還必須進(jìn)行重大改進(jìn)。氣體檢測(cè)不應(yīng)僅限于氮氧化物或碳氧化物，還應(yīng)該擴(kuò)展到鐵氧化物或鉻氧化物，以便為發(fā)動(dòng)機(jī)控制提供完整的狀態(tài)信息。

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前來(lái)看，工作溫度高于125℃的電路還沒(méi)有普及，所以正常來(lái)說(shuō)，在發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器中，敏感探頭和電子線路這兩個(gè)部位在安裝的時(shí)候往往是分開(kāi)的。為了能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需要，可以給發(fā)動(dòng)機(jī)提供更為準(zhǔn)確的測(cè)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(lái)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試傳感器。目前來(lái)看，MEMS這種技術(shù)可以很好地解決高溫工作問(wèn)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(dá)到300℃，在后續(xù)試驗(yàn)中我們應(yīng)用到了半導(dǎo)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(shí)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(guó)測(cè)試傳感器的發(fā)展提供了很大的便利。

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