新型航空发动机测试传感器的发展趋势

王克伟

摘 要：目前随着我国工业体系的不断完善，航空发动机的制造已经成为了可能。新一代的航空发动机性能已经得到了大幅提高，同时其对于测试传感器也提出了更高的要求，当前我国现有的发动机测试传感器是无法达到这种技术要求的，其需要在高温环境下工作，所以这就需要我们采取新的技术手段来继续提高测试传感器的技术水平，当前我们已经利用到了MEMS和光谱技术。本文针对航空发动机的测试传感器在未来的发展趋势进行了简要介绍。

关键词：航空发动机测试；传感器；高温环境；MEMS技术；光谱技术

当前随着技术水平的提高，航空飞行器的体积越来越大、速度越来越快，涡轮发动机的动力也在不断提高，所以难以避免其温度不断提高，经过测量，涡轮发动机的温度甚至可以达到2200℃以上的高温，所以这也就需要各类传感器具有更高的性能，需要我们采用新的技术来提高传感器的发展水平。当前航空发动机上应用的传感器对于封装的要求很高，这是出于其工作工作环境考虑的，当前我国的温度传感器工作温度大多在125℃以内，而国外的传感器工作温度已经可以超过200℃，仍然具有较大的差距，同时温度过高也会对电路的工作造成影响。本文针对航空发动机传感器发展趋势进行了简要介绍。

1 航空发动机测试新技术简介

1.1MEMS技术

MEMS技术也成为微机电技术，这种技术最大的特点就是能够适应于高温的要。其本身含有一个高敏感度的探头，并且融入了信号处理电路，其本身结构上的优势包括轻重量、高可靠性、低功耗，当前工业级的集成硅传感器已经实现了量产。将这种技术应用到发动机测试传感器上，其最大的优势就是能够克服高温的问题，但即便如此，仍然需要解决封装技术方面的问题。当前来看，我国应用的MEMS传感器应用的封装技术仍然和集成电路没有区别，然而MEMS传感器首先不能破坏发动机的结构，并且质量上也有较高的要求，不能对其正常工作造成影响，这在一段时间内仍然会影响到其推广使用。

1.2光谱技术

通过物质表面上的光谱区别加以分析来实现不同物体的识别，这种技术就是光谱技术。这种光谱技术可以和微机电技术加以融合，当前国外已经从光谱j8ishu开始，研发出气体传感器。TDL技术目前已经被应用于发动机参数实时测量之中了，这种激光设备造价低廉，耐用性很好，并且操作简单，耐用性强，响应时间短，目前已经在具体的测试工作中得到了一定的应用。将TDL传感器应用到燃气涡轮发动机当中，其可以监测多个参数，例如温度、压力、速度等等。

2 航空发动机测试传感器的发展近况

2.1温度传感

当前来看，过热电偶是我国航空发动机用来测试气路温度的最多的手段，在一些发动机当中，光学高温传感器也得到了有效应用了，主要用于测量涡轮叶片的温度。现在我国已经开始尝试运用光谱技术来测量发动机气路的温度，虽然已经取得了较好的效果，但是目前仍然无法应用到航空发动机当中、在这个过程中，光学窗口中存在的污染问题也会在一定程度上影响到检测精度，同时如果要采用这项技术，那么也会给维护工作带来很大的压力。

还有一些其他技术在高温检测这项工作中发挥出了一定的优势，但仍然处于基础研究的阶段。通过聚合物前驱体法合成的陶瓷材料，如碳氮化硅（SiCN），已被证明适用于在极高温环境下进行准确测温。这种传感器除了可用于高温检测，还可用于压力或气体成分检测。利用TDL技术来测量温度和其他敏感参量，已经在燃气轮机燃烧室测试中得到展示。然而，大面积应用这一技术的挑战还包括工程和理论分析两个方面。其中，工程方面涉及光纤和窗口的传热效应，以及为这些组件，包括激光器、电路等开发耐用的硬件；理论分析要解决的问题包括波长的优化和检测算法的选择。

2.2燃油品质传感器

众所周知，燃油的品质会显著影响发动机的性能。目前，除了燃油供应商提供的数据，还没有其他获取燃料特性的方法，但可以在实验室中采用专用设备进行燃料分析。美国空军当时进行燃料性能测试时所使用的设备是燃油光谱分析仪。目前还未有成熟的可在加油期间或加油之后对燃料热性能进行检测的传感器技术。

2.3叶尖间隙传感器

叶尖间隙随航空发动机工作点的变化而变化。对于涡轮发动机的叶尖间隙而言，环境条件更加严苛，需要在300-4000kPa的压力及700-1700℃的温度环境下工作。目前还没有成熟的机载传感器，但有一些航空发动机地面试验用的叶尖间隙传感器。叶尖间隙传感器的工作原理不同，包括电容法、电涡流法、光学法、微波法等，都已被应用于涡轮叶片叶尖间隙的检测。

2.4排放物检测传感器

排放物检测传感器，需要在700～1700℃环境下对发动机的燃烧排放物进行测量。这种技术，目前还没有成熟的产品。在正常温度条件下，传感器可以对碳氧化物和氮氰化物进行检测，检测的前提是必须要对气体进行激励，激励主要由加热来实现。该技术要求在高温条件下检测气体种类，而传感器必须处于该环境温度中。例如，排放物的组成部分（如一氧化氮和二氧化氮）在高温下产生特定波长的辐射，可利用光谱探测器对该辐射进行检测。可用于检测碳氧化物和氮氧化物的技术有：激光诱导击穿光谱技术、陶瓷技术、金属氧化物检测（电子鼻）技术，以及x射线或红外光检测技术。上述所有传感器技术目前都停留在实验室阶段，因此开发上述传感器可能需要比开发其他类型的传感器付出更多的努力。该技术还处于原理验证水平，为了能够真正应用于发动机排放物实时检测，还必须进行重大改进。气体检测不应仅限于氮氧化物或碳氧化物，还应该扩展到铁氧化物或铬氧化物，以便为发动机控制提供完整的状态信息。

结束语

当前来看，工作温度高于125℃的电路还没有普及，所以正常来说，在发动机传感器中，敏感探头和电子线路这两个部位在安裝的时候往往是分开的。为了能够满足发动机的发展需要，可以给发动机提供更为准确的测试结果，我们往往需要采用一些新的技术和新的理念来设计发动机测试传感器。目前来看，MEMS这种技术可以很好地解决高温工作问题，并且其绝缘体结构上的硅可以起到很好的隔热效果，潜在工作温度可以达到300℃，在后续试验中我们应用到了半导体碳化硅以及陶瓷材料硅碳氮，甚至可以将工作温度提升到1500℃以上。同时气相色谱技术以及光谱技术都将投入使用，这些都给我国测试传感器的发展提供了很大的便利。

参考文献

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