新型航空發動機測試傳感器的發展趨勢

王克偉

摘 要：目前隨著我國工業體系的不斷完善，航空發動機的制造已經成為了可能。新一代的航空發動機性能已經得到了大幅提高，同時其對于測試傳感器也提出了更高的要求，當前我國現有的發動機測試傳感器是無法達到這種技術要求的，其需要在高溫環境下工作，所以這就需要我們采取新的技術手段來繼續提高測試傳感器的技術水平，當前我們已經利用到了MEMS和光譜技術。本文針對航空發動機的測試傳感器在未來的發展趨勢進行了簡要介紹。

關鍵詞：航空發動機測試；傳感器；高溫環境；MEMS技術；光譜技術

當前隨著技術水平的提高，航空飛行器的體積越來越大、速度越來越快，渦輪發動機的動力也在不斷提高，所以難以避免其溫度不斷提高，經過測量，渦輪發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來提高傳感器的發展水平。當前航空發動機上應用的傳感器對于封裝的要求很高，這是出于其工作工作環境考慮的，當前我國的溫度傳感器工作溫度大多在125℃以內，而國外的傳感器工作溫度已經可以超過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。本文針對航空發動機傳感器發展趨勢進行了簡要介紹。

1 航空發動機測試新技術簡介

1.1MEMS技術

MEMS技術也成為微機電技術，這種技術最大的特點就是能夠適應于高溫的要。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，其本身結構上的優勢包括輕重量、高可靠性、低功耗，當前工業級的集成硅傳感器已經實現了量產。將這種技術應用到發動機測試傳感器上，其最大的優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方面的問題。當前來看，我國應用的MEMS傳感器應用的封裝技術仍然和集成電路沒有區別，然而MEMS傳感器首先不能破壞發動機的結構，并且質量上也有較高的要求，不能對其正常工作造成影響，這在一段時間內仍然會影響到其推廣使用。

1.2光譜技術

通過物質表面上的光譜區別加以分析來實現不同物體的識別，這種技術就是光譜技術。這種光譜技術可以和微機電技術加以融合，當前國外已經從光譜j8ishu開始，研發出氣體傳感器。TDL技術目前已經被應用于發動機參數實時測量之中了，這種激光設備造價低廉，耐用性很好，并且操作簡單，耐用性強，響應時間短，目前已經在具體的測試工作中得到了一定的應用。將TDL傳感器應用到燃氣渦輪發動機當中，其可以監測多個參數，例如溫度、壓力、速度等等。

2 航空發動機測試傳感器的發展近況

2.1溫度傳感

當前來看，過熱電偶是我國航空發動機用來測試氣路溫度的最多的手段，在一些發動機當中，光學高溫傳感器也得到了有效應用了，主要用于測量渦輪葉片的溫度。現在我國已經開始嘗試運用光譜技術來測量發動機氣路的溫度，雖然已經取得了較好的效果，但是目前仍然無法應用到航空發動機當中、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，那么也會給維護工作帶來很大的壓力。

還有一些其他技術在高溫檢測這項工作中發揮出了一定的優勢，但仍然處于基礎研究的階段。通過聚合物前驅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技術來測量溫度和其他敏感參量，已經在燃氣輪機燃燒室測試中得到展示。然而，大面積應用這一技術的挑戰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，以及為這些組件，包括激光器、電路等開發耐用的硬件；理論分析要解決的問題包括波長的優化和檢測算法的選擇。

2.2燃油品質傳感器

眾所周知，燃油的品質會顯著影響發動機的性能。目前，除了燃油供應商提供的數據，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。

2.3葉尖間隙傳感器

葉尖間隙隨航空發動機工作點的變化而變化。對于渦輪發動機的葉尖間隙而言，環境條件更加嚴苛，需要在300-4000kPa的壓力及700-1700℃的溫度環境下工作。目前還沒有成熟的機載傳感器，但有一些航空發動機地面試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700～1700℃環境下對發動機的燃燒排放物進行測量。這種技術，目前還沒有成熟的產品。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。該技術要求在高溫條件下檢測氣體種類，而傳感器必須處于該環境溫度中。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有：激光誘導擊穿光譜技術、陶瓷技術、金屬氧化物檢測（電子鼻）技術，以及x射線或紅外光檢測技術。上述所有傳感器技術目前都停留在實驗室階段，因此開發上述傳感器可能需要比開發其他類型的傳感器付出更多的努力。該技術還處于原理驗證水平，為了能夠真正應用于發動機排放物實時檢測，還必須進行重大改進。氣體檢測不應僅限于氮氧化物或碳氧化物，還應該擴展到鐵氧化物或鉻氧化物，以便為發動機控制提供完整的狀態信息。

結束語

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。為了能夠滿足發動機的發展需要，可以給發動機提供更為準確的測試結果，我們往往需要采用一些新的技術和新的理念來設計發動機測試傳感器。目前來看，MEMS這種技術可以很好地解決高溫工作問題，并且其絕緣體結構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℃，在后續試驗中我們應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。同時氣相色譜技術以及光譜技術都將投入使用，這些都給我國測試傳感器的發展提供了很大的便利。

參考文獻

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