新型航空发动机测试传感器的发展趋势

新型航空发动机测试传感器的发展趋势

孙恺 游奕

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2.身份证号:51382619860912****

1.四川亚美动力技术有限公司 四川成都 610041

2.中国民用航空总局第二研究所 四川成都 610042

摘要：在科学技术不断进步的背景中，我国的工业体系日趋完善，航空发动机制造水平也在努力赶超世界发达国家，航空发动机的进步与发展对传感器的质量和性能也提出了更高要求，但是目前正在研发的各种新型发动机测试传感器，大多数还不能应用于机载中。基于此，本文简要介绍了MEMS技术与光谱技术，并对航空发动机测试传感器的未来发展趋势进行了合理分析。

关键词：航空发动机测试；传感器；MEMS技术；光谱技术；发展趋势

随着经济建设的高速发展，航空飞机的飞行速度被进一步提高，可容载人数也越来越多，当然这也要求涡轮发动机必须能够提供充足动力，但是涡轮发动机在长时间的高负荷状态下，很容易产生温度过高的问题，温度甚至可以达到2200℃以上，因此也就要求各类传感器必须能够在高温条件下保持性能稳定。现如今，航空发动机上的传感器有着很高的封装要求，我国的传感器工作温度范围还远远小于国外传感器的工作温度范围，所以技术人员也必须要明确航空发动机传感器的未来发展方向，并采取有效措施不断缩短现实与预期目标之间的距离。

一、航空发动机测试新技术简介

（一）MEMS技术

MEMS技术也就是微机电技术，该技术的最显著应用优势就是耐高温，能够在高温条件下正常运行，同时兼具功耗低、性能高、重量轻等特点。MEMS技术在应用过程中需要借助一个高敏感度探头，并且在系统中兼容了信号处理电路，将其应用在发动机测试传感器上，虽然可以有效解决高温问题，但是MEMS传感器的封装技术仍然具有很大难度，因为传感器需要嵌入到航空发动机的机体内，因此要求传感器必须具备：干扰性低、重量轻、对原有结构不会产生破坏等特征，但是MEMS传感器的嵌入性并不匹配不破坏航空发动机完整的性质，所以在应用过程中还存在一系列影响因素。一些学者对此作出了大胆尝试，将温度传感器嵌入到涡轮叶片上，将压力传感器集成在发动机结构上，并取得了一定成绩。

（二）光谱技术

不同物质发射的光谱不同，光谱技术就是对物体表面上的不同反射光谱进行分析来达到识别物体的目的。光谱技术可以与微机电技术配合使用，部分研究学者已经基于光谱技术，具体包括傅里叶变换红外光谱、质谱学、激光诱导击穿光谱以及拉曼光谱等，研究出了气体传感器，这种传感器只有芯片大小，应用性能十分显著。TDL技术也就是可调谐二极管激光技术，该技术的波长可调，因此可用于发动机重要参数的实时测量，这种激光设备能够在工作中迅速响应，并且具有操作简单、造价低廉的优势，已经在航空发动机具体的测试取得了一定成绩。例如，将TDL传感器应用在燃气涡轮发动机中，可以同时监测温度、速度和压力等多个流场参量。

二、航空发动机测试传感器的发展趋势

（一）温度传感器

现如今，我国航空发动机用来测试气路温度的最主要手段就是过热电偶，一些光学高温传感器也被用来测量发动机中的涡轮叶片温度，并取得了显著效果，但是却仍然不能应用到航空发动机当中，这主要是因为温度传感器的检测精度会受光学窗口存在的污染问题影响，并且过热电偶技术在应用过程中也会具有很大的维修难度，虽然也有一些其他技术能够被应用在高温检测中，但是目前尚处于研究阶段，并不具备成熟的应用条件。例如，碳氮化硅，该陶瓷材料利用聚合物前驱体法而合成，能够在极高的温度环境下准确测量温度。在燃气轮机燃烧室测试中，TDL技术也已经被证明可以用来测量温度和其他敏感参量，但是如果想要大范围应用，还需要工作人员详细探讨工程实践和理论分析两个层面，工程实践主要牵扯到窗口的传热效应、光纤等，以及与这些组件相适配的耐用硬件；理论分析则需要技术人员能够明确波长的优化和检测算法。

（二）燃油品质传感器

发动机性能受燃油品质影响严重，目前若想获得燃油的特征参数，除了由燃油供应商提供，技术人员也可以在实验室中对燃油品质进行全面分析，燃油光谱分析仪是测试燃料性能的最主要设备。但是现如今，仍旧缺乏可在加油期间或加油之后对燃油热性能进行检测的传感技术，这也是航空发动机传感器的发展方向之一。

（三）叶尖间隙传感器

如果航空发动机工作点发生变化，叶尖间隙也会随之变化，以涡轮发动机为例，700-1700℃的温度以及300-4000KPa的压力是涡轮发动机的最常见工作环境，恶劣的工作环境也限制了机载传感器的使用，所以目前尚未有成熟的叶尖间隙传感器可以应用，只能适用于地面试验中。涡轮叶片叶尖间隙的检测方法包括光学法、电涡流法、电容法和微波法等。

（四）排放物检测传感器

排放物检测传感器在测量发动机燃烧排放物时，需要面临的工作环境为700℃-1700℃，复杂的工作环境极大的限制了很多技术的应用，所以目前尚未研发出成熟的产品。排放物检测传感器可以在正常温度下，通过对气体的有效激励，也就是加热完成对氮氢化物和碳氧化物的检测。与此同时，因为一氧化氮和二氧化氮能够在高温的作用下产生特定波长的辐射，所以也可用光谱探测器来检测辐射。通常情况来说，陶瓷技术、激光诱导击穿光谱技术、红外光检测技术等都可用于检测氮氧化物和碳氧化物。但是截止到目前为止，这些传感器技术只是被用于实验室检测中，并未被应用在航空发动机检测实践工作中，很多技术水平还处于原理验证阶段，为了能够实时检测发动机排放物，仍旧需要有关学者付出更多努力。除此之外，排放物检测不应该仅仅局限于碳氧化物和氮氧化物上，同时还应该扩大至各氧化物和铁氧化物，如此才能提供更加全面的信息，实现航空发动机的优化控制。

综上所述，因为我国现在还未全面普及工作温度大于125℃的电路，所以敏感探头和电子线路需要分别安装在发动机传感器中，为了进一步满足发动机的动力需求，要求工作人员必须提供准确的测试结果，发动机才能具有更好的工作状态。为此，众多学者希望借助新技术和新理念对航空发动机测试传感器进行创新和完善。MEMS技术能够妥善应对高温环境，绝缘结构也能起到很好的隔热效果，陶瓷材料硅碳氮以及半导体碳化硅的大量应用甚至将工作温度提升至1500℃，光谱技术和气相色谱技术，也为我国航空发动机测试传感器的发展提供了更为广阔的思路和方向。

参考文献：

[1]赵俭. 基于高流通大长径比复材传感器的发动机燃气温度测量技术研究[D].北京理工大学,2018.

[2]陶庆栋. 便携式一体化飞机发动机动静态测试系统开发—下位机[D].合肥工业大学,2016.

[3]姜澄宇,马炳和.航空发动机耐高温微传感器研究现状及关键技术 [J].机械工程学报,2016.