一种新型耐高温燃油温度传感器设计

一种新型耐高温燃油温度传感器设计

李世镇  邹昊坤 余凌峰 苏丽丽 张振红

（郑州航天电子技术有限公司，郑州市，450000）

摘要：随着在高超声速条件下的现代化武器型号不断发展，对温度传感器提出了更高的耐高温、抗高振动和高气密性要求，因此本文设计了一种新型耐高温燃油温度传感器，突破了薄壁深孔钎焊工艺技术、偶丝高温无氧化烧结密封工艺技术、耐高温氢氧焊接技术等多项难题，通过气密性试验、振动试验等表明设计的传感器具有较好性能。

关键字：高超声速温度传感器氢氧焊

1引言

温度是获取信息的重要参数之一，它是通过测量某些测温物质的物理变化来判断被测物体的温度，在各行各业中都有广泛运用。在航空发动机、高速飞行器以及国防军工领域等现代化武器装备，都存在着对高温场景进行精确温度采集并实时监控的需求，在随着现代化武器型号的不断发展，型号研制由超声速向高超声速的方向发展，在高超声速条件下，摩擦和空气滞止会产生较高的温度，必然要提高温度分布的精准测量，同时对安装在引擎隔舱及系统级间、发动机周围的温度传感器提出了新的耐高温和气密需求[1]。因此本文设计了一种新型的弹上耐高温燃油温度传感，将该传感器应用于某型号飞行控制系统的温度采集部分，对发动机燃烧室温度进行监测，并以此为依据对发动机燃烧效率进行评价[2]。

2总体方案设计

本文设计的新型燃油温度传感器采用镍基变形高温合金材料，其材料具有满意的热强性、良好的抗氧化、热疲劳和焊接工艺性能，设计产品的主要性能指标为对温度的测量范围在-45℃～+850℃之间；高温高压气密性在850℃是15Mpa，随机振动：10Hz～2000Hz,总均方根40g。设计方案在本章进行阐述。

2.1结构设计

为了保证燃油传感器可靠、稳定的工作，主要由铠偶、球头、压紧螺母、转接筒、套筒、压接套、锁紧螺母、簧圈、补偿导线和连接器构成，如图1所示为传感器的三维图。

图1新型燃油温度传感器三维图

2.2热电偶设计

热电偶是一种将待测环境的温度信号转化为电动势信号输出的温度传感器，它的工作原理基于导体或者半导体的热电效应，通过测量热电势来实现。当把两种不同成分的均质导体A和B连接在一起组成如图2所示的闭合回路，两个连接点在不同的环境温度中，如T1>T2时，就会在回路中产生热电动势，此种现象被称为赛贝克效应，记为EAB, 一般接点1处称为测量端，放置于测量环境中，接点2处放置于恒定不变环境温度中，作为参比端。

图2 闭合回路示意图

当参比端的温度不发生变化时，热电偶两端的温度不变，输出的电势也是稳定不变的；当参比端的温度发生变化时，输出的电动势会随着参比端的温度增加而减小。本部分用分度函数定义温度与电动势的关系，即在参比温度为0℃时，将电动势用温度函数来表示，即分度函数见式（1-1）所示。

          （1-1）

式中：

（1）EAB为电动势，单位为微伏（µV）；

（2）t90为ITS-90温度，单位为摄氏度（℃）；

（3）n为多项式阶数，为多项式第i项的系数；

（4）和为常数项。

其中、n、和的值根据热电偶的类型和温度范围确定，参照国家标准GB/T 16839.1-2018热电偶 第1部分：电动势规范和允差[3]。

因此，在本方案设计中选取镍铬、镍硅作为两种不同的导体，K型I级允差、外径为2mm的铠装热电偶[4]作为核心测温敏感元件，一端连接作为测量端，另一端作为补偿端，只要两端所处温度不同，外接测量设备所形成回路中产生热电动势，将该电动势进行补偿计算可得到实际温度值，燃油温度传感器的分度特性按GB/T 16839.1-2018 中K型（镍铬/镍硅）电动势-温度关系确定。

2.3补偿导线设计

当使用铠装热电偶测温时，必须保持参比端温度恒定，但在实际环境中，参比端往往处于高温热源附近，会受到周围设备、环境温度的影响，这些影响会导致参比端不能保持温度恒定，因此需要将参比端远离测量端并移动到温度较为稳定的场所。新型燃油温度传感器选用延长型补偿导线，通过采用同种材质金属丝延长热电偶参比端。

合金丝选用单股线芯，其具有良好的弯折性，易于和热偶丝芯线进行熔焊；绝缘层由聚酰亚胺管、玻璃纤维管组成，亚胺管选用聚酰亚胺毛细管，具有极好的防潮性能，玻璃纤维管选用耐高温树脂玻纤,具有良好的拉伸性、吸收冲击能量大、耐热性好，在高温环境下拥有良好的绝缘性能；屏蔽层选用镀镍铜线编织防波套，耐温高，抗辐射干扰。

2.4连接器设计

连接器用于温度传感器与外部设备的对接。选用郑州航天电子技术有限公司生产的某型号高温连接器。该连接器接触件正负极选用K型热电偶同种材料，可在高温环境下可靠工作。

3工艺研究

由于耐高温燃油温度传感器需要采集某型号飞行控制系统的精准温度，在工作过程中所经受的高温、高压、强振动环境，对传感器提出了严酷的耐高温要求、较严格的机械性能和电性能指标要求，结合传感器的技术特性，迫切需要解决目前所面临的工艺技术。

3.1薄壁深孔钎焊工艺技术

传统的橡胶垫密封方案不再适用于高温、高压环境场所，球面密封被广泛应用于该类环境中，球面与铠装热电偶测量端的可靠性连接是保证气密性的关键。

薄壁深孔钎焊采用真空钎焊技术，通过控制零件加工尺寸、零件内孔粗糙度，利用真空毛细原理解决小径深孔加工难题。通过团队技术攻关，前后进行数十炉的试验，掌握了真空钎焊前处理、焊缝间隙、钎焊温度曲线等核心工艺参数，攻克薄壁深孔零件真空钎焊工艺技术难题，使得钎焊组件合格率达98%，通过解决该项工艺技术问题可以使传感器在满足气密性要求的同时也具备较好的耐高温、高压性能。

3.2偶丝高温防氧化烧结密封工艺技术

传统的铠装热电偶温度传感器，往往采用封胶的方式对铠装热电偶与补偿导线转接处进行防护，然而封胶防护不宜适用于高温环境场所。通过对高温封接绝缘材料进行调研，发现高温烧结可以有效替代封胶防护。

但选用高温烧结会给温度传感器带来两种不同的影响，一种影响会导致传感器降低高温绝缘性能，另一种是烧结后会给偶丝带来氧化物。为了解决这两方面的问题，首先对耐高温、高性能烧结绝缘材料进行充分调研，采用理论和实践相结合的方法，获得满足产品需求的烧结材料，其次采用全新的烧结工艺，分别从烧结过程中减少氧化物的产生和烧结后去除氧化物两方面着手，以前者为主体，后者为辅助，解决烧结带来的产品金属壳体、补偿导线屏蔽层氧化问题。

3.3耐高温氢氧焊接技术

由于燃油温度传感器选取耐高温热电偶连接器，其连接器壳体为钛合金，绝缘体为氧化铝陶瓷体，接线端子分别为镍铬和镍硅材料，接线端子需要和热电偶正负极进行可靠性连接，但接线端子可焊性差，无法采用软钎焊接工艺，软钎焊接需采用共晶点为185℃铅锡焊料作为载体，温控烙铁需手工进行焊接，不满足传感器在高温、高压的环境场所。

通过团队调研研究发现高温氢氧焊接工艺可以对接线端子焊接后满足耐高温的要求，但在实际场景中还没有发现采用氢氧焊接连接器端子的工艺[5]。因此，如何解决端子焊接并应用于传感器中，成为最需要解决的问题。团队经过两个月的技术攻关，陆续解决了高温焊料选型、焊接温度参数确定等一系列难题，同时设计了一套自动旋转工装，结合已有焊接工艺最终攻克了耐高温热电偶连接器氢氧焊接难题。

4试验测试

4.1气密性试验 

4.1.1常温气密性检测

将温度传感器安装于常温气密性检查工装，工装进气孔与液压源连接，并用压紧螺母固定温度传感器球头，将锁紧螺母侧焊缝埋于酒精槽液面以下，按12Mpa进行加气压，在酒精槽中晃动工装30s，观察15分钟，发现出气孔处无气泡产生，因此可以说明设计的温度传感器在常温下气密性合格。

4.1.2高温气密性检测

将温度传感器安装于高温气密性检查工装，工装进气管、出气管通过温箱燃油开孔伸出，工装进气孔与气源连接；工装出气孔埋于酒精槽液面以下，将产品连同工装放入高温箱，先将高温箱升温至+850℃，再将产品加压至15MPa，保压30min，发现出气孔处无气泡产生，因此可以说明设计的温度传感器在高温下气密性合格。

4.2振动试验

为了验证温度传感器在自由飞环境中的抗振动能力，将传感器安装于振动测试工装。当振动试验结束后，对传感器测试连接器接点与壳体间绝缘电阻满足大于10MΩ，连接器两接点间电阻为4.5Ω，结构没有出现残余变形、裂纹、划伤、锈蚀和其它机械损伤，锁紧无失效的情况。

5总结

通过设计了一种新型耐高温燃油温度传感器，在生产过程中依次突破了薄壁深孔钎焊工艺技术、偶丝高温无氧化烧结密封工艺技术、耐高温氢氧焊接技术等多项难题，又通过气密性试验、振动试验表明了传感器具有较好的耐高温、耐高压、耐强振动的特性，使产品能够满足型号任务地面联调、飞行试验任务要求。产品现已交付用户使用，极大的推动了某型号发动机温控参数的获取能力，为某型号任务的完成提供技术保障。

参考文献

[1]俞刚，范学军.超声速燃烧与高超声速推进[J].力学进展，2013，43（5）：449-471.

[2]潘余，王振国等. 超燃冲压发动机燃烧效率测量方法简介[J].实验流体学，2007，（021）002：68-73.

[3]中华人民共和国国家标准.热电偶 第1部分：电动势规范和允差[S]. GB∕T 16839.1-2018.

[4]任侃，唐青松等. 航空用贵金属套管铠装热电偶研究[J].传感器世界，2020，（8）：27-30.

[5]刘威.氢氧微火焰自动锡焊机的工艺参数及焊接路径优化研究[D].深圳：深圳大学，2018.

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