工業CT在航空機載傳感器可靠性提升中的應用

徐留根， 彭春增， 全建龍， 趙 鵬

(蘇州長風航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151)

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工業CT在航空機載傳感器可靠性提升中的應用

徐留根， 彭春增， 全建龍， 趙 鵬

(蘇州長風航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151)

利用工業CT技術對某型航空發動機數控系統的總溫傳感器故障件進行了檢測，從而無損、高效、準確地檢測到故障點，并利用其提供的傳感器內部信息對故障原因進行了分析，采取了相應的改進措施。通過環境試驗驗證了改進措施的有效性，表明該型傳感器的可靠性得到了顯著提高。因此，工業CT為機載傳感器的故障檢測提供了一種行之有效的新途徑、新思路，可以在其可靠性提升上推廣應用。

工業CT； 機載傳感器； 故障檢測； 可靠性

0 引 言

現代航空發動機正朝著高溫、高壓、高轉速的方向發展]，其上愈加惡劣的工作環境不可避免地對數控系統中傳感器的穩定工作產生不利影響，導致傳感器故障發生，進而干擾控制系統使發動機性能下降]。因此，提高傳感器的可靠性對發動機安全、可靠工作極為重要。通過對傳感器故障件的科學診斷，探索其失效機理，將有利于傳感器的迭代設計，進而不斷提升可靠性。傳統的傳感器故障檢測方法存在下列局限性: 1)無損檢測時，一般采用X射線機，僅適用于對傳感器的金屬結構進行觀察，非金屬部分無法清晰顯現。且一般只能二維成像，無法三維立體顯示。2)破壞性觀察。對故障件進行分解以查找故障點，容易造成故障點在分解過程中被破壞而無法定位。

工業CT技術能清晰、直觀、準確地呈現被檢測物體內部的結構(包括金屬及非金屬部分的三維信息可視化)、密度變化以及缺陷的性質、位置和大小。在工業、農業領域有著廣泛的應用7〗。工業CT的上述特點，使其成為傳感器故障無損、準確、高效和全方位檢測行之有效的手段之一，對傳感器可靠性的提升具有重要作用。

本文針對某型航空發動機數控系統的高壓壓氣機進口總溫傳感器的故障現象，利用工業CT技術對其進行了無損檢測，從而快速、準確地定位到故障點，并利用其提供的傳感器內部信息對故障原因進行了分析，采取了相應的改進措施。最后通過試驗驗證了改進措施的有效性，結果表明該傳感器的可靠性得到了顯著提高。

1 故障描述

某型航空發動機數控系統的高壓壓氣機進口總溫傳感器(以下簡稱“傳感器”)，為鎧裝薄膜鉑電阻式溫度傳感器。其核心部件為感溫元件，結構示意圖如圖1所示，主要由不銹鋼外殼、薄膜鉑電阻、轉接導線、墊塊等組成，其中薄膜鉑電阻的引線與轉接導線采用火焰硬釬焊連接。

傳感器的故障為在使用過程中，出現輸出跳變。根據傳感器的結構特點，可以推斷傳感器內部存在接觸不良現象。但受制于前期的故障檢測手段，始終未能準確地定位故障點，無法對傳感器進行結構和工藝上的改進，嚴重影響了傳感器的可靠性提升。

圖1 感溫元件結構示意圖Fig 1 Structure diagram of temperature-sensing element

2 CT故障定位

2.1 檢測設備與試驗條件

傳感器故障件檢測設備采用的是通用電氣公司(GE)生產的X射線高分辨率微焦點工業CT系統。該系統具備180 kV微焦點定向式X射線管，細節分辨能力可達1 μm；高對比度的14位數字平板式探測器，分辨率(像素大小) 200 μm×200 μm。系統可以獲得各種大小試件的高精度3D信息。

試驗時，利用微焦點錐束CT對傳感器故障件進行檢測。為獲得高分辨率CT圖像，微焦點X射線源采用了低功率以獲得更小的焦點尺寸，調節射線源至故障件的距離以實現高比例放大成像。故障件斷層掃描間距為0.05 mm，通過計算機斷層掃描后，利用CT數據采集和圖像重建軟件得到故障件特定的截面圖像。

2.2 檢測結果與分析

工業CT是基于不同密度的物質對X射線的衰減系數不同，從而在重構圖像中顯示不同的灰度差異，進而分辨不同的物質。因此，傳感器內部的金屬部分(如鉑電阻引線、導線)、非金屬部分(如熱縮套管、膠黏劑)及空腔能很好的區分開來。

圖2是傳感器故障件的感溫元件部位在某一深度處的CT縱向二維切片圖像。從圖中可以明顯地看到鉑電阻引線與轉接導線的焊點，以及在焊點根部的多股轉接導線上出現了一個斷點。由于未對故障件進行任何破壞性的觀察，因此可以確定該斷點是在工作過程中形成的。并且從圖中可以看出多股轉接導線呈松散狀態。

圖2 感溫元件CT縱向切片圖Fig 2 CT image of longitudinal section of temperature-sensing element

圖3是傳感器故障件的感溫元件部位在上述斷點附近的CT橫向二維切片圖像。從圖中可以看出轉接導線在感溫元件內的分布以及其周邊的灌膠狀況。該圖同樣顯示出轉接導線比較松散，部分小股線束已經斷裂。此外，圖像中明顯有多處面積較大、顏色較深的部分(例如圖中用白線圈出的區域)，說明轉接導線周邊的灌膠不充分，有氣泡、空腔存在。

圖3 感溫元件CT橫向切片圖Fig 3 CT image of cross section of temperature-sensing element

通過對圖2和圖3的上述分析可知，傳感器的故障點位于薄膜鉑電阻引線與轉接導線焊接點的根部，為轉接導線斷裂。通過進一步試驗排除了鉑電阻引線與轉接導線的火焰硬釬焊對導線強度的影響。因此，可以確定感溫元件內的膠黏劑灌封不充分是導致導線斷裂的主要原因。在灌膠不充分的情況下，導線處于懸空狀態，在使用過程中受振動作用發生晃動而發生疲勞斷裂，導致接觸不良，從而造成傳感器輸出跳變。值得一提的是感溫元件為手動灌膠，在生產過程中，來回推拉導線，造成多股導線松散，也是其發生斷裂的不利因素之一。

3 改進措施

針對上述故障原因，為避免感溫元件內手動灌膠造成灌膠不充分，一致性差、多股導線松散等缺陷，對感溫元件內的灌膠工藝進行了改進。設計了自動灌膠系統，并明確灌膠壓力和灌膠時間等工藝參數。該系統主要由精密點膠機和灌膠夾具兩部分組成，可以實現快速拆裝、控制打壓壓力，提高了生產效率，同時可以保證感溫元件灌膠的一致性。

4 可靠性提升驗證

為驗證改進措施的有效性，判斷傳感器在改進灌膠工藝后，其可靠性是否得到大幅提升，不同操作人員利用自動灌膠系統分批制備了20只感溫元件，并將其裝配成完整產品。最后對上述20只產品進行了溫度沖擊、耐久振動和沖擊試驗。其中耐久振動按正常試驗時間的2倍進行，并同時施加溫度應力。振動試驗全程監控傳感器輸出電阻，未出現跳變現象。試驗結束后，檢查試驗件外觀并測試性能，未出現異常，均滿足使用要求。同時利用工業CT(檢測設備與試驗條件同上)對試驗件進行了無損檢測。圖4是試驗后感溫元件內鉑電阻引線與轉接導線的CT三維圖像。從中可以清晰、直觀地看到兩者完好無損，導線呈自然松弛狀態。

目前，改進灌膠工藝后的傳感器已大量生產并裝配發動機使用，傳感器在外場的故障率顯著下降。由此可見，改進措施是合理有效的，傳感器的可靠性有了顯著提升。

圖4 試驗后鉑電阻引線與轉接導線的CT三維圖像Fig 4 3D CT image of platinum resistance leads and connecting wires after testing

將工業CT技術全面推廣應用至其他各型航空機載傳感器，實現對故障件故障點及產品出廠前狀態的無損檢測，取得了理想效果。以外場返回故障件的檢測為例，據公司質量信息管理系統統計，在使用工業CT技術后故障件故障點的準確檢測率有了顯著提高，具體見表1。通過對故障件故障點的高準確率定位，充分暴露產品的設計、工藝缺陷，為后續產品的改進提供依據，從而不斷提高產品的可靠性。

表1 故障點檢測情況統計表

5 結 論

本文利用工業CT對航空機載傳感器故障件進行了無損檢測。結果表明:通過工業CT技術可以高效、準確地確定故障點，并獲得清晰、直觀的傳感器內部二維、三維信息。從而為傳感器的改進設計提供依據和方向，因而在傳感器的可靠性提升上有重要的應用價值和推廣意義。

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Applications of industrial CT in reliability improvement of airborne sensors

XU Liu-gen， PENG Chun-zeng， QUAN Jian-long， ZHAO Peng

(Suzhou Changfeng Avionics Corporation Limited，Suzhou 215151，China)

Industrial CT technology is used to detect faults of total temperature sensor in a certain type of digital aeroengine control systems,and the fault point is non-destructively,efficiently and accurately detected.The reason causes fault are analyzed according to internal information of sensor provided by CT,and corresponding improvement measures are taken.Effectiveness of the improved measure is verified by environmental test,which shows that reliability of sensor is improved significantly.So the industrial CT provides an effective new way for fault detection of airborne sensors,which can be used in promotion of its reliability.

industrial CT； airborne sensors； fault detection； reliability

2016—01—04

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0158—03

TP 212.1

A

1000—9787(2016)10—0158—03

徐留根(1982-)，男，江蘇丹陽人，高級工程師，主要研究方向為傳感器技術研究與應用。