耐高溫轉速傳感器設計

姜 晶， 張 憲， 李寶生， 牛 薇

(中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

航空發動機多采用渦輪泵燃料供給系統，它是一種高溫、高速旋轉的機械裝置[1]。通過監測、控制渦輪泵的轉速來控制燃料注入的時機、注入量的多少，最終達到控制飛行器速度的目的[2]。它的工作狀態始終處在高溫和振動的惡劣環境中，不同于一般的旋轉機械，對測量其旋轉特性的傳感器提出了極高的要求[3]。因此,對用于監測發動機轉速的傳感器就必須能夠耐受承受惡劣的工作環境，若發動機轉速異常，將會引起災難性的后果[4]。本文設計了一種基于電渦流原理耐高溫的轉速傳感器，對高溫敏感測量端進行了仿真設計和熱應力計算，通過軟硬件設計消除了高溫區帶來阻抗變化的干擾，并通過了傳感器的高溫試驗，同時對試驗數據進行了分析。

1 傳感器測量敏感端設計

轉速傳感器是通過敏感端與測量端面之間的相對位置變化實現對旋轉體速度的測量[5]。針對轉速傳感器高溫工作環境的實際需求，敏感元件采用高溫陶瓷燒結工藝制備成三維螺旋敏感結構。敏感端的基柱選用99氧化鋁陶瓷，外殼采用可伐合金，既保證了探頭的機械強度又提高了耐高溫特性；陶瓷探頭內部選用低電阻率、高熔點的高純度銀絲作為探頭敏感材料，保證了探頭在工作溫度范圍內具有低阻值、強信號及長期穩定特性。三維螺旋電感金屬導體由兩部分組成，一是陶瓷骨架，二是填充在陶瓷骨架中的金屬導體。敏感元件整體結構如圖1所示。

圖1 敏感元件結構

2 敏感探頭熱應力分析

由于敏感探頭是由金屬和非金屬組成的，它們之間的熱膨脹系數不同，導致熱應力的產生。產品的核心元件采用陶瓷基底，其熱膨脹系數為7.5×10-6/℃，為減小熱應力，陶瓷固件周圍均采用與陶瓷件熱膨脹系數相近的可伐合金，其熱膨脹系數為6.8×10-6/℃。核心部件立體模型的熱應力分布云圖如圖2所示，根據分布云圖可知，應力最大點發生在陶瓷擋板與可伐合金之間，陶瓷擋板熱應力最大熱應力為131 MPa，小于其許用應力(290 MPa)。

圖2 熱應力分布云

3 傳感器的電路設計

3.1 總體設計

根據傳感器實際使用需求，電路需要采集轉子轉動的速度，將頻率信號轉換成電壓信號。其系統的硬件電路如圖3所示。

圖3 硬件電路

3.2 激勵電路設計

正弦激勵電路采用富蘭克林振蕩電路，它采用LC振蕩原理，可以提供穩定性高的振蕩電路，其電路設計簡單，相位旋轉量小，容易產生振蕩。其原理圖如圖4所示。

圖4 富蘭克林振蕩電路電路原理圖

3.3 濾波電源設計

供電部分采用隔離電源，將傳感器內部工作電路電源與外部供電電路電源隔離，并在隔離電源前增加了濾波器，濾波器的額定電壓和線間耐電壓主要由差模電容的額定電壓決定，線間最大工作電壓為5 V，差模電容額定工作電壓應該大于5 V，同時采用漆包圓繞組線繞制在陶瓷基板上，這樣共模電感器可將電感在工作中產生的熱量通過陶瓷基板傳導耗散。此設計既保護傳感器和外部電源系統，同時也杜絕了供電線和地線上帶來的干擾。電源隔離部分原理如圖5所示。

圖5 電源隔離部分

3.4 電路仿真計算

利用multisim對激勵電路進行仿真，仿真原理如圖6所示，對激勵電路施加正弦波后，通過更改電感值來觀察輸出波形的變化，來體現渦流能量反射的影響。在同一頻率的正弦波激勵下，當電感的變化量由上到下依次由1.6 μH減小到0.5 μH，其峰峰值是逐漸降低的，當電感值越大時，感應信號的能量也越大，因此,敏感探頭的電感值對傳感器的靈敏度是至關重要的。

圖6 激勵電路

由于敏感端的金屬線圈特性可知，隨著溫度的增加其等效阻抗也在增大，這樣會增加檢測電路負擔，因此需要通過變阻抗設計，削弱電阻變化對其影響。本設計通過采用自適應載波檢波電路對衰減后的信號進行傳輸、去噪、信號提取，實現百倍載波與信號信噪比高動態信號識別提取，其傳輸信號如圖7所示。

圖7 傳輸信號

4 試驗結果與分析

本試驗采用550 ℃的轉速測量箱作為實驗設備，將陶瓷金屬一體化探頭作為轉速測量敏感元件，在0～550 ℃的范圍內，設立10個驗證點，對比從低溫到高位金屬線圈的金屬線圈等效電阻隨溫度變化情況，電阻變化趨勢如圖8所示。從實驗的結果可知，升溫過程中的阻抗變化率滿足設計要求。

圖8 等效電阻隨溫度變化的關系曲線

將滿足設計要求的敏感測量探頭安裝至距離被測齒輪1 mm處，測試溫度550 ℃，在0～10 000 r/min的范圍內，每隔1 000 r/min建立一個驗證點，其測試數據如表1所示。

通過實驗測試數據可知，輸出值和理論值的精度可以控制在1 %以內，與國外同類產品指標相當，滿足高溫轉速實際測量需求。

5 結 論

本設計符合在高溫狀態下對轉速測量的精度需求，可以替代磁電式轉速傳感器在高溫測量轉速時，由于芯體消磁帶來的測量精度降低的實際問題。根據此工藝設計的傳感器可在高溫狀態下長期穩定工作的特點，且抗干擾能力強，響應速度快，可靠性高等特點，提高高溫傳感器的測量水平，打破國外先進國家在高端傳感器方面對我國的技術封鎖。

表1 測試數據