磁電式轉速傳感器高溫絕緣性能提升研究

傅海波，彭 艷

（蘇州長風航空電子有限公司，江蘇 蘇州215151）

磁電式轉速傳感器廣泛應用于航空發動機轉速測量系統[1]，對監控發動機運行狀態發揮著重要作用[2]。轉速傳感器利用電磁感應原理[3-4]，將輸入的轉速頻率信號換成感應電勢輸出，具有不需要外接供電電源、電路簡單、性能穩定、輸出阻抗小等優點[5-6]。

用于傳感器內部灌封的非金屬材料是保證產品絕緣性能的重要組成部分。本文針對某型磁電式轉速傳感器在試驗過程中發生的高溫絕緣不良故障，采用理論分析和仿真計算相結合的方法研究故障模式，定位故障原因，分析產品絕緣下降是否影響產品的使用性能，并提出提升傳感器高溫絕緣性能的改進措施，對提高傳感器可靠性具有重要意義。

1 故障定位及原因分析

1.1 故障現象

某型磁電式轉速傳感器在進行高溫工作試驗時，250℃環境溫度下的高溫絕緣電阻超差：要求高溫絕緣電阻不小于2MΩ，傳感器兩組線圈繞組的實測值絕緣電阻分別為0.15MΩ和0.3MΩ，不滿足高溫絕緣性能要求。

1.2 故障定位

1.2.1 轉速傳感器測試端結構

轉速傳感器測試端由蓋（1）、線圈組合（2）、導磁板（3）、磁鐵（4）、外殼（5）、鐵芯（6）和導磁片（7）組成，通過兩組獨立的線圈繞組輸出兩組轉速信號，結構如圖1所示。

圖1 傳感器測試端結構圖

1.2.2排故方案

針對傳感器高溫絕緣不良的故障現象制定分析方案和步驟，并按照排故步驟完成了以下工作：

（1）排查試驗批次傳感器的生產、裝配、試驗情況。

（2）驗證傳感器在230℃環境溫度下的高溫絕緣性能。

（3）測試傳感器在250℃環境下的高溫絕緣性能。

（4）進行故障原因定位及分析。

1.2.3 傳感器生產裝配檢驗過程排查

經查，試驗抽取批次傳感器在裝配過程中對測試端進行了溫度應力篩選試驗，包括5輪溫度沖擊和5輪溫度循環。溫度沖擊試驗條件為低溫－55℃±5℃、高溫250℃±5℃，高低溫轉換時間不大于5min，在最低和最高溫度點各保持30min，進行5次循環。溫度循環試驗條件為：－55℃±5℃～140℃±5℃，溫度變化速率不大于3℃/min，進行5次循環。

因此在抽取傳感器產品進行高溫絕緣測試時，實際已經歷了10個循環的溫度沖擊試驗，合計經歷了5小時250℃的高溫環境。

1.2.4 傳感器在230℃環境下的絕緣性能

將已進行溫度應力篩選試驗的傳感器在230℃環境溫度下保溫30min，在高溫箱內測試絕緣電阻，54件產品中有3件產品的絕緣電阻超差（低于2MΩ），其余51件絕緣電阻滿足要求。

1.2.5 傳感器在250℃環境下的絕緣性能

將未進行過溫度應力篩選試驗的4件傳感器在250℃環境溫度下保溫30min，在高溫箱內測試絕緣電阻，4件產品的絕緣電阻均超差（低于2MΩ）。

1.3 故障原因分析

根據排故工作情況可知，在230℃的高溫環境下，傳感器絕緣性能雖有下降，但仍能滿足要求，當經歷250℃高溫環境并累積超過0.5h后，傳感器高溫絕緣性能逐漸下降且不能滿足要求。另外，傳感器在裝配過程用于內部灌封的非金屬材料J-27H高溫環氧膠粘劑長期耐受最高溫度為232℃[7]。因此，導致傳感器高溫絕緣下降的原因是灌封用的非金屬材料J-27H高溫環氧膠粘劑材料在250℃高溫下絕緣性能不能滿足要求。

2 高溫絕緣性能下降對輸出特性的影響

建立傳感器等效測試電路，如圖2所示。其中，Winding為線圈繞組，R內為線圈內阻（即線圈電阻110Ω），R負為傳感器外接負載（阻值為1KΩ），R絕為傳感器的絕緣電阻，與線圈內阻并聯。U為傳感器線圈繞組利用電磁感應原理產生的感應電動勢，U測為外接負載兩端的電動勢，即為傳感器的電磁輸出特性。

圖2 等效測試電路

根據等效測試電路，可推導得U測表達式如式1[8]。

根據公式1可知：（1）當絕緣電阻R絕遠大于線圈內阻R內（110Ω）時，絕緣電阻對外接負載兩端測得的輸出電壓幅值U測影響極小；（2）外接負載兩端的電壓U測隨絕緣電阻R絕的減小而降低；（3）當絕緣電阻低到與線圈內阻R內相當時（110Ω），U測約為U/2，此時傳感器的輸出電壓幅值降低較多，對后續信號處理有影響。

利用電路仿真軟件Multisim模擬傳感器線圈繞組與外殼間絕緣不良對輸出電壓U測幅值和波形的影響，仿真結果如圖3所示。圖3（a）為絕緣電阻無窮時輸出電壓幅值和波形仿真結果，圖3（b）為絕緣電阻0.15MΩ時輸出電壓幅值和波形仿真結果。兩組不同絕緣電阻下傳感器線圈繞組輸出電壓U測的有效值均為1.66V，波形一致，未發生無畸變，且線圈與外殼之間無電流產生。因此，當傳感器絕緣下降到0.15MΩ時不影響產品的電磁輸出性能。

圖3 絕緣電阻對輸出電壓和波形的影響仿真

3 傳感器高溫絕緣性能提升方法

3.1 改進方案

根據本文第2節分析可知，轉速傳感器高溫絕緣性能下降的主要原因為用于產品內部灌封的環氧膠粘劑J-27H的高溫耐受溫度為232℃，在250℃環境下累計超過0.5h后絕緣性能逐漸下降。因此考慮更換非金屬灌封材料，使用耐溫達250℃的硅橡膠GP551，以提高傳感器的高溫絕緣性能。按上述方案裝配5件試驗產品，并進行試驗驗證。

3.2 試驗驗證

對改進后的5件試驗產品進行溫度沖擊試驗。試驗時將傳感器放入-55℃±5℃的低溫箱中保溫30min，再放入+250℃±5℃的高溫箱中保溫30min，高低溫轉換時間不大于5min，共進行五次高低溫循環。最后一次循環試驗中，分別檢測高低溫絕緣電阻，應不低于2MΩ。試驗結果為5件試驗產品高溫絕緣性能均合格。

對改進后的5件試驗產品進行溫度－振動綜合試驗，以驗證其機械強度和可靠性。試驗方法為：振動試驗條件參照GJB 150.16A-2009軍用裝備實驗室環境試驗方法第16部分、振動試驗中第7章的要求，振動試驗譜按圖4所示，振動方向為沿三個正交軸向，振動時間為每軸向

圖4 振動試驗譜

7.2小時。振動過程中按0.5h低溫（-55℃）和0.5h高溫（250℃）進行溫度控制。試驗時5件試驗產品未見異常，絕緣電阻測試合格。試驗結束后試驗產品的機械、結構部件無松動、破裂、斷裂等現象。

通過上述溫度沖擊和溫度－振動綜合試驗，驗證了通過更改傳感器內部非金屬灌封材料能夠提升其高溫絕緣性能，且不會影響產品的機械結構強度和可靠性。

4 結論

本文對磁電式轉速傳感器高溫絕緣性能不良進行了故障分析，原因定位為用于傳感器內部灌封的非金屬材料J-27H高溫環氧膠粘劑在250℃的環境溫度下累計超過一定使用時間后，高溫絕緣性能逐漸下降所致。根據電路分析可知傳感器高溫絕緣下降不影響電磁輸出特性，現有傳感器產品可繼續使用。另外，本文提出了提升傳感器高溫絕緣性能的改進方案，更改灌封材料為硅橡膠GP551。該改進方案經過溫度沖擊試驗和溫度-振動綜合試驗驗證其可行有效，且對產品機械結構強度和可靠性不存在不利影響。