航空氣動(dòng)閥門服役相對(duì)位移監(jiān)測(cè)研究

呂偉 趙子平 張璐 李星亮 盧少微

摘要：氣動(dòng)閥門已應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，氣動(dòng)閥門出現(xiàn)故障將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行造成直接影響，因此對(duì)氣動(dòng)閥門進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)非常必要。目前，對(duì)于氣動(dòng)閥門位移監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究較少。本文使用溶液浸漬法設(shè)計(jì)了具有大應(yīng)變范圍、良好動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力的CNT/TPU柔性應(yīng)變傳感器，討論了傳感器的傳感機(jī)制以及工作原理并對(duì)傳感器進(jìn)行了性能測(cè)試。在對(duì)氣動(dòng)閥門位移監(jiān)測(cè)過(guò)程中，該傳感器運(yùn)行穩(wěn)定。結(jié)果表明，該傳感器可以對(duì)服役過(guò)程中的氣動(dòng)閥門進(jìn)行實(shí)時(shí)相對(duì)位移監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：CNT；氣動(dòng)閥門；相對(duì)位移；柔性傳感器；監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TB34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.09.006

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（201903054001，2020Z055054002）；國(guó)家自然科學(xué)基金（11902204）；遼寧省興遼英才支持計(jì)劃（XLYC2007118）；遼寧省自然科學(xué)基金（2020-MS-236，2019JH3/30100017）；沈陽(yáng)市創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（RC200030，RC190004）

隨著航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，飛行器技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。飛行器通過(guò)內(nèi)部精密儀器提供準(zhǔn)確可靠的位置、速度和高度信息，用于了解和調(diào)整飛行時(shí)的狀態(tài)。因此，對(duì)于精密儀器的在線監(jiān)測(cè)也是必不可少的，可以在飛行中準(zhǔn)確地判斷精密儀器的損壞，從而及時(shí)地避免危險(xiǎn)。目前，氣動(dòng)閥門已經(jīng)被廣泛使用在航空、石油、電力、化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中，并構(gòu)成了自動(dòng)化系統(tǒng)中不可或缺的一部分。但是氣動(dòng)閥門在使用過(guò)程中，由于各種因素的影響下會(huì)發(fā)生故障，一旦氣動(dòng)閥門出現(xiàn)故障，將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行造成直接影響，因此對(duì)氣動(dòng)閥門進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)非常必要[2]。

理論上來(lái)說(shuō)，氣動(dòng)閥門的研究主要集中在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和反饋上。Lambeck等[3]討論了精確線性化控制方法在3/3氣動(dòng)比例壓力控制閥中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。Schmitt等[4]提出了氣動(dòng)過(guò)程控制閥的完全非線性模型，它可以用作開(kāi)發(fā)整個(gè)過(guò)程的精確控制方案的工具，和/或便于“智能”過(guò)程控制閥中控制參數(shù)的調(diào)整。在方法定位上，氣動(dòng)閥門的研究主要集中在故障分析和控制優(yōu)化上。Nogami、Matsui和Karpenko[5-7]使用傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)處理閥門傳感器信號(hào)，對(duì)閥門部件的響應(yīng)波形進(jìn)行分類，并做出故障判定和預(yù)測(cè)。本文的研究主要體現(xiàn)在對(duì)于氣動(dòng)閥門的設(shè)計(jì)上以及氣動(dòng)閥門相對(duì)位移的監(jiān)測(cè)。

目前，可以應(yīng)用的傳感器有微納米傳感器、壓電片、光纖傳感器、應(yīng)變片等。Zhuang等[8]制備了PU/CNT纖維傳感器，用于監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和面部表情。柴葳等[9]在熱強(qiáng)度試驗(yàn)中引入了一種可以同步測(cè)量溫度和應(yīng)變的集成光纖傳感器。嚴(yán)中穩(wěn)等[10]設(shè)計(jì)了一種仿生纖毛MEMS適量流速微傳感器，量程達(dá)100m/s、靈敏度可達(dá)0.01m/s。鮑嶠等[11]闡述了壓電-導(dǎo)波技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與現(xiàn)狀。邢博邯等[12]從理論方面對(duì)Lamb波在航空結(jié)構(gòu)中小損傷檢測(cè)能力及逆行進(jìn)行研究。而對(duì)于閥門位移的監(jiān)測(cè)，閥門之間微小的縫隙以及大變形量，使得傳感器的性能面臨挑戰(zhàn)。

本文針對(duì)航空用氣動(dòng)閥門的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種低成本、易制作的柔性拉伸CNT/TPU傳感器制備方法。以熱塑性聚氨酯彈性體橡膠（TPU）纖維為基材，通過(guò)簡(jiǎn)單的溶液浸漬法制備了具有良好導(dǎo)電性以及拉阻特性的CNT/ TPU柔性應(yīng)變傳感器。所制備的柔性傳感器的電阻信號(hào)對(duì)所施加的機(jī)械應(yīng)變反應(yīng)迅速，在變形條件下表現(xiàn)出較好的電學(xué)性能和力學(xué)性能。該傳感器具有150%的應(yīng)變范圍，良好動(dòng)態(tài)的反應(yīng)性能。本文將此傳感器置入航空用套閥式氣動(dòng)閥門間隙中，進(jìn)行兩套閥結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移監(jiān)測(cè)，保證飛行器氣動(dòng)閥門的正常服役和運(yùn)行。

1柔性應(yīng)變傳感器制備與設(shè)計(jì)

1.1傳感器制備

如圖1所示，將0.1mm具有高彈性的TPU纖維浸潤(rùn)到已經(jīng)制備好的碳納米管懸浮液中，然后將已經(jīng)濕潤(rùn)的TPU纖維取出，進(jìn)行烘干，時(shí)間為10min，確保碳納米管能夠附著在TPU纖維中。將這一步驟重復(fù)多次，最后從烘箱中取出，即為本研究中最終制備的傳感器。

針對(duì)某氣動(dòng)閥門的特有形式，傳感器的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為50mm，通過(guò)0.1mm的導(dǎo)線與傳感器兩端相連，使用膠黏技術(shù)將導(dǎo)線與傳感器固定在一起，使用PI膜進(jìn)行封裝。使用膠黏技術(shù)將封裝好的傳感器固定在金屬閥門上，如圖2所示。

1.2傳感器性能測(cè)試

圖3顯示了CNT/TPU傳感器的相對(duì)電阻與應(yīng)變的關(guān)系。傳感器的最大應(yīng)變范圍是150%，相對(duì)位移最大測(cè)量范圍是67mm。此時(shí)的相對(duì)電阻為100?？蓪⒄麄€(gè)拉伸過(guò)程分為4個(gè)階段。其中第一階段以及最后階段擬合系數(shù)均為0.96，靈敏度表示為0.61和1.05。第二階段和第三階段擬合系數(shù)為0.72和0.66，靈敏度系數(shù)分別為0.74、0.39。這表明，在傳感器的拉伸開(kāi)始和結(jié)束過(guò)程中線性度良好。

圖4為傳感器在恒定11%應(yīng)變下的電阻變化率和時(shí)間的關(guān)系。在恒定應(yīng)變期間，電阻變化率持續(xù)的降低。在下降階段，電阻變化率會(huì)發(fā)生一個(gè)階躍再降低，這時(shí)的下降速率大于恒定應(yīng)變時(shí)的電阻變化下降速率。在上升階段，傳感器的響應(yīng)時(shí)間為200ms，下降階段為500ms。

1.3傳感器的表征和工作機(jī)理

圖5為傳感器形貌的掃描電鏡圖片，其中，圖5（a）～圖5（b）為原始的CNT/TPU傳感器形貌，圖5（d）～圖5（f）為拉伸之后的CNT/TPU傳感器形貌。多壁碳納米管附著在纖維上連接在一起，形成連續(xù)不斷的碳納米管網(wǎng)絡(luò)，如圖5（a）所示。經(jīng)過(guò)不斷的浸潤(rùn)之后，碳納米管從TPU纖維外部形成了三維碳納米管網(wǎng)絡(luò)，也存在TPU纖維內(nèi)部。圖5（b）和圖5（c）為碳納米管網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)形貌，可以看出無(wú)論在圖5（b）還是圖5（c）中，碳納米管都連接在一起。拉伸之后的CNT/ TPU傳感器如圖5（d）～圖5（f）所示。從圖5（d）中可以看出，最初已經(jīng)形成的碳納米管網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被破壞，部分可能已經(jīng)恢復(fù)，而部分位置無(wú)法恢復(fù)，形成裂痕，部分錯(cuò)位。圖5（e）和圖5（f）中可以更明顯地觀察到上述現(xiàn)象。

具有一維量子特性的圓柱形碳納米管具有高的長(zhǎng)徑比，具有徑向納米級(jí)和軸向微米級(jí)的性質(zhì)，其高比表面積使相鄰的多壁碳納米管之間形成典型的團(tuán)簇和纏繞，形成多向?qū)щ娋W(wǎng)絡(luò)。當(dāng)碳納米管懸浮液不斷浸漬到TPU纖維中，會(huì)形成隨機(jī)分散的碳納米管網(wǎng)絡(luò)。

如圖6所示，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)最初是由相鄰的碳納米管在靜態(tài)下形成的，無(wú)論是碳納米管的重疊結(jié)構(gòu)，還是由緊密排列的碳納米管激發(fā)的隧道效應(yīng)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的布局都與原始的碳納米管一起識(shí)別，提供穩(wěn)定的電信號(hào)響應(yīng)。隨后，當(dāng)施加拉伸應(yīng)力時(shí)，碳納米管原始的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，碳納米管將相應(yīng)伸長(zhǎng)，而緊密排列的碳納米管也將產(chǎn)生距離。在這種情況下，原有的隧穿電阻會(huì)增加，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生新的隧穿電阻，此時(shí)總電阻增大。

2氣動(dòng)閥門的位移監(jiān)測(cè)

氣動(dòng)閥門的位移監(jiān)測(cè)如圖7～圖9所示。圖中，ΔR/R0為電阻變化率。

圖7為連續(xù)的階梯位移測(cè)試，每個(gè)位移保持的時(shí)間為10s，之后繼續(xù)提高相對(duì)位移。當(dāng)閥門內(nèi)外沒(méi)有發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，傳感器的電阻變化率為0并且保持不變。當(dāng)套筒內(nèi)外發(fā)生5mm的相對(duì)位移時(shí)，相對(duì)電阻變化率開(kāi)始上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)5mm時(shí)，秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)。這段時(shí)間內(nèi)電阻變化率下降，這是由于碳納米管在纖維中縱橫交錯(cuò)，隨機(jī)分布，當(dāng)相對(duì)位移恒定，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的碳納米管開(kāi)始重排，管之間的距離開(kāi)始縮小，所以在電阻中占據(jù)主要地位的隧穿電阻下降，電阻變化率也開(kāi)始減小。在此時(shí)間段內(nèi)，碳納米管的重新排列起到了一定的作用。同時(shí)，還有許多碳納米管發(fā)生拉伸損壞，碳納米管的總數(shù)量增加，碳納米管的長(zhǎng)度減小，一定程度上減小了隧穿電阻。將相對(duì)位移提高到10mm，此階段的電阻變化率仍然保持下降的趨勢(shì)，但并沒(méi)有下降到5mm時(shí)的電阻變化率，說(shuō)明此時(shí)的碳納米管又發(fā)生了一次重新排列，有新的碳納米管發(fā)生了損壞。最后，將相對(duì)位移提高到15mm，由于提高金屬閥門相對(duì)位移時(shí)，發(fā)生了短暫的卡頓，施加的外載荷突然增大，導(dǎo)致了電阻變化率的劇烈變化以及中間的抖動(dòng)。當(dāng)氣動(dòng)閥門相對(duì)位移縮小到0時(shí)，傳感器的電阻變化率并沒(méi)有恢復(fù)到零點(diǎn)，是因?yàn)闅鈩?dòng)閥門之間的微小空隙會(huì)使傳感器出現(xiàn)彎曲，從而無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，所以電阻無(wú)法恢復(fù)到初始點(diǎn)。

圖8為每次相對(duì)位移進(jìn)行了三次連續(xù)變化，相對(duì)位移的變化為5mm、10mm、15mm。當(dāng)相對(duì)位移為5mm時(shí)，有一個(gè)最高波峰，以及兩個(gè)相對(duì)低的但是相等的波峰。5mm中最高的波峰是由于第一次拉動(dòng)氣動(dòng)閥門，氣動(dòng)閥門與傳感器過(guò)盈配合，無(wú)空隙或者說(shuō)空隙較小，從而采用較大載荷，將相對(duì)位移拉出超過(guò)了5mm。此后兩次相對(duì)5mm的位移，峰值幾乎相等。當(dāng)相對(duì)位移為10mm時(shí)，第二次波峰最高，第一次和第三次峰值相當(dāng)，考慮為外加載荷的拉伸或者氣動(dòng)閥門間隙與傳感器之間的擠壓，造成了相對(duì)電阻變化率的不穩(wěn)定性。當(dāng)相對(duì)位移提升為15mm時(shí)，第一次的拉伸曲線有一段下降，是閥門上部的底端，與傳感器形成了過(guò)盈配合，使得位移保持了短暫時(shí)間，碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)重排，使得電阻變化率減小，之后位移到達(dá)了15mm，電阻變化率達(dá)到波峰。之后的第2～4次，與第一次的相對(duì)電阻升降趨勢(shì)不同，當(dāng)?shù)谝淮蜗鄬?duì)位移產(chǎn)生之后，在下降時(shí)，氣動(dòng)閥門以及傳感器的結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成擠壓，使傳感器彎曲，無(wú)法恢復(fù)到最初始的狀態(tài)，使得傳感器的電阻變化率無(wú)法回歸零點(diǎn)。

圖9為相對(duì)位移為5mm的重復(fù)性試驗(yàn)，每次都是上升到5mm繼而下降。5次電阻的波峰值從左到右分別為0.77756、0.91367、0.74851、0.77953、1.02218，5次電阻變化率的波峰平均值為0.84829，可以看到除了第5次遠(yuǎn)高于平均值，其余4次距離平均值相差不大，5次相對(duì)差值的絕對(duì)值為0.07073、0.06538、0.09978、0.06876、0.17389，而具有較大位移變化時(shí)，電阻變化率的量級(jí)均發(fā)生在1往上的較大變化，因此可以認(rèn)為是伸長(zhǎng)位移的誤差導(dǎo)致波峰的參差不齊而非傳感器測(cè)試。對(duì)于重復(fù)性試驗(yàn)，每次上升之前都會(huì)有一些微小的波折，是由于航空用氣動(dòng)閥門的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，縫隙和傳感器之間產(chǎn)生了過(guò)盈配合。5次的相對(duì)位移規(guī)律性良好。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)航空用氣動(dòng)閥門的位移監(jiān)測(cè)的測(cè)試，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，用溶液浸漬法制備的CNT/TPU傳感器，具有良好的電學(xué)和力學(xué)性能，在一定程度上能夠置入航空用氣動(dòng)閥門的微小縫隙中，能夠快速、準(zhǔn)確地反應(yīng)氣動(dòng)閥門的相對(duì)位移變化。

（2）由于航空用氣動(dòng)閥門的特殊結(jié)構(gòu)以及傳感器結(jié)構(gòu)在發(fā)生微小相對(duì)位移時(shí)，傳感器可以重復(fù)使用并且保持高靈敏度，特別是在位移超過(guò)了7mm時(shí)，靈敏度會(huì)提高。當(dāng)達(dá)到最大相對(duì)位移時(shí)，氣動(dòng)閥門上部即將脫離，傳感器容易發(fā)生損壞。

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Relative Displacement Monitoring of an Aviation Pneumatic Valve in Service

Lyu Wei1，Zhao Ziping1，Zhang Lu1，Li Xingliang2，Lu Shaowei1

1. Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China

2. AVIC Beijing Precision Engineering Institute Aircraft Industry，Beijing 100076，China

Abstract： Pneumatic valves are currently used in various industrial fields， but there are still few studies on displacement monitoring of pneumatic valves. In order to understand the relative displacement change of an aviation pneumatic valve in service， this paper adopts， the solution immersion method to design a CNT/TPU flexible strain sensor with a large strain range and good dynamic response capability.The sensing mechanism and working principle of the sensor are discussed. In the process of monitoring the displacement of the pneumatic valve， the sensor operates stably. The results show that the sensor can perform real-time relative displacement monitoring of the pneumatic valve during service.

Key Words： CNT； pneumatic valve； relative displacement； flexible sensor； monitoring