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航空测试传感器技术

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【摘要】:
传感器指是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件和装置,它是测量技术的前端,也是信息技术的源头。航空测试传感器是指用于完成设备工况实时监测,获取预测与健康管理(PrognosticandHealthManagement,PHM)系统或控制系统所需的状态信息的传感器。在航空领域,为保证飞机安全正确地飞行并完成各种复杂的任务,必须在飞机上的一些关键部位和不同的机载设备系统中安装

概述

  传感器指是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件和装置,它是测量技术的前端,也是信息技术的源头。航空测试传感器是指用于完成设备工况实时监测,获取预测与健康管理(Prognostic and Health Management,PHM)系统或控制系统所需的状态信息的传感器。在航空领域,为保证飞机安全正确地飞行并完成各种复杂的任务,必须在飞机上的一些关键部位和不同的机载设备系统中安装相应的传感器,分别用以测量飞机的飞行姿态和飞行状态参数、导航和定位参数、动力装置工作参数、以及各种辅助装置和任务设备的工作参数等,并将获得的这些信息提供给驾驶员或变换成电信号输送给相应的控制、操纵系统进行分析、判断、处理,以便正确操纵飞机和控制各个分系统。

  目前,在一架现代飞机上安装的各种传感器数量多达几百个甚至上千个,这些传感器分别装在各种机载设备系统中,它们是:航向姿态系统、大气数据系统、导航系统、飞行参数记录系统、发动机指示系统、燃油系统、滑油系统、液压系统、操纵系统、进气道调节系统、武器火控系统、电子对抗系统、飞控系统、环控系统、起落架系统、安全保障系统、救生系统、探测系统。传感器除了能直接安装在飞机上用来保证飞机安全正确地飞行外,还大量被应用在飞机结构强度试验、风洞试验、发动机试验、以及飞行试验中,用以完成一些飞机特殊参数的测量。

  未来,随着飞机的飞行性能、飞行任务的复杂性以及自动化的要求不断提高,现有的航空传感器将不能满足飞机发展的需求。因此,需要不断发展航空传感器,除继续完善那些常规的航空传感器外,更主要的是应大力研制先进的新一代航空传感器,以满足现代和未来先进性能飞机对传感器技术的更高要求。

 

技术分类  

  传感器种类繁多,五花八门,随着材料科学、制造工艺及应用技术的发展,传感器类别如雨后春笋大量涌现。按工作原理,航空测试传感器可分为:电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器等十几种;按具体用途,航空测试传感器可分为:状态监测传感器和控制传感器;按飞机系统分,航空测试传感器可分为:发动机特种测试传感器、机电系统传感器、航电系统传感器、液压系统传感器、飞控系统传感器、环控系统传感器等。

  根据用户关注的焦点,本章主要对状态监测传感器和发动机特种测试传感器进行介绍。其中,针对状态监测传感器,重点介绍油液状态监测传感器、结构健康状态监测传感器、发动机气路状态监测传感器、以及环境监测传感器;针对发动机特种测试传感器,重点介绍高温测试传感器和叶尖间隙测量传感器。

 

按工作原理分类

  航空测试传感器按其工作原理可分为:电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、电位器式传感器、金属应变式传感器、谐振式传感器、光电式传感器、热电式传感器、陀螺式传感器、霍尔式传感器等十几种,如图1所示。

 

 

图1 按工作原理分类方框图

 

按具体用途分类

  航空测试传感器按具体用途可分为状态监测传感器和控制传感器,如图2所示。状态监测传感器是指应用在飞机/发动机PHM系统中,专门用于获取表征航空装备状态信息的各种连续或离散的可测量参数的传感器。控制传感器是指应用在飞机/发动机控制系统中,对信息进行精确而可靠的自动检测,为系统的信息处理、控制决策等提供数据依据的传感器。本章将主要介绍状态监测传感器。

 

 

图2 按具体用途分类方框图

 

    状态监测传感器为飞机PHM系统提供故障诊断和预测的原始信息,最终达到降低飞行事故率和部件故障率、提高维护效率、以及降低维护成本的目的。状态监测传感器常用到的类型包括:油液状态监测传感器、结构健康状态监测传感器、环境监测传感器、发动机气路状态监测传感器等。本章将主要对上述6种状态监测传感器进行介绍。

 

发展方向

  世界军事技术的发展趋势表明,21世纪的战争必将是信息化的战争,是以电子信息技术为核心的高技术战争。为适应这一新趋势,发展新一代的军事技术装备就成为各国军事技术竞争的焦点。因此,作为军事技术装备获取信息的第一道门坎,传感器的效能与质量必将成为技术装备发展的关键。由于使用场合的不同,航空传感器有其自身独有的特殊性与专用性,主要体现在品种的特殊性、规格的特殊性(含结构的特殊性)以及特别高的质量要求,而且随着新一代军事技术装备的发展,也将对传感器技术提出越来越高的要求。

  随着技术材料的发展,航空测试传感器也得到了很大的发展。未来航空测试传感器的发展主要有以下几个方面:

    (1)MEMS传感器

  MEMS(micro electro mechanical systems,微机电系统)是指可批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS传感器是利用半导体加工技术制造的微机电系统传感器,目前主导的MEMS传感器包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪等。MEMS传感器把敏感单元、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件集成在同一芯片内,具有大批量、低成本、小尺寸等优点,同时可以提高传感器的自动化、智能化和可靠性水平。MEMS加工工艺以硅基微机械加工工艺为主,主要包括体硅加工工艺和表面硅加工工艺。前者一般是对体硅进行三维加工,以衬底单晶硅片作为机械结构;后者则是利用与普通集成电路工艺相似的平面加工手段,以硅薄膜作为机械结构。在以硅为基础的MEMS加工技术中,最关键的加工工艺包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术等。

  目前,MEMS技术已经广泛应用于各类微系统的研制。在消费电子等性能要求比较低的领域,MEMS传感器已经得到了广泛应用,但是对于航空应用来说,如何提高传感器的可靠性是MEMS传感器研制中面临的主要问题。

  随着我国MEMS技术研制的不断发展,目前MEMS传感器已经开始应用于航空、航天等领域。由于MEMS传感器具有体积小、重量轻等优点,因此能够满足航空机载传感器的要求,MEMS加速度计和微陀螺仪组成的惯性导航系统可用于无人机精确导航;压力传感器可用于飞机油液压力测量、高度测量等。随着MEMS传感器性能的不断提高,必将更广泛地应用于航空、航天等领域。

 

(2)光纤传感器   

  光纤传感器技术是20世纪70年代中期发展起来的,该技术涉及多种学科知识,如纤光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型计算机应用等,是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。与传统的各类传感器相比,光纤传感器具有不受电磁干扰影响、体积小、重量轻、可绕曲、灵敏度高、耐腐蚀、高绝缘强度、防爆性好、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容等特点。

  光纤传感器可以测量多种物理量,如位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等,目前已经实用的光纤传感器可测量的物理量达70多种,因此,光纤传感器在航空领域具有广阔的发展前景[68]。

  目前国外从事光纤传感器研究的机构较多,其中以欧美为典型代表。国外研究的典型特点在于投入大、研究人员多、试验量大,因此经过数十年的发展,其产品推出较快,而且积累了很多的实际应用经验。

  美国的光纤传感器研究开始最早,投资最大。仅在20世纪80年代,投资就有几十亿美元。美国把光纤传感器列为军备改造计划的十五项重点之一,制定了专门的纤维光学传感器专门规划。美国国家航空航天局(NASA,National Areonautics and Space Administration)、美国海军研究所、西屋电气公司、斯坦福大学、弗吉尼亚理工学院等几十个机构从事光纤传感器的研究。在美国国防部、航空航天局等机构的主持下,众多研究院所和公司在飞行控制系统(如,加速度计、陀螺仪)、发动机监控系统(如,温度传感器、叶尖间隙传感器)、飞机结构健康监测等方面进行了光纤传感器的研究。

  根据目前的发展可以看出,国外光纤传感器产品种类越来越多,基本能够覆盖武器装备结构健康监测的多种参量,预计至2015年将可以进行大量实际飞行试验验证;至2020年将会进入一个较快的发展时期,产品趋于成熟化,耐高温的光纤传感器也将是该阶段的发展重点;至 2030年将可在飞机或发动机等整机或设备上实现装配,并完成实时的结构健康监测。

  在大量光纤传感器中,光纤光栅(FBG,fiber bragg grating)传感器的应用最广。以FBG 为敏感器件的光纤温度、光纤压力、光纤应力等传感器在国外航空领域已得到应用。在欧洲国家中,意大利以一个后起之秀的形象,在光纤光栅传感器的研究方面异军突起。意大利对结构监测的大规模研究开始于1990年前后,起始阶段的主要成就集中在航空航天和大型的民用结构领域。目前,许多大学、研究中心和企业都在从事健康监测的研究。

 国内对于光纤传感器的研究也已开展了一段时期,主要面向建筑、土木工程、大坝等民用方面,可提供此方面产品的单位较多,包括武汉理工大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等高校以及上海紫栅光电和北京品傲光电等公司,但产品面向的是民用领域,远远不能满足航空航天等军工需求。

  目前来看,光纤传感器在航空领域的应用还面临较大的技术难度,以FBG传感器为例,尽管已开展大量FBG机身结构健康监测传感器的试验研究,但真正成熟的机载产品还没有,主要在光纤与飞行器机身表面结合、多通道高实时性解调系统研制、FBG可靠性耦合、长寿命等方面存在技术难度,而这些问题的解决需要依赖复合材料、精密电子、光学器件、基础工艺等多学科的发展。

 

(3)无线传感器网络

  无线传感器网络是新兴的一代传感器网络, 最早的代表性论述出现在1999年,题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上,提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇的观点。

  NASA、Marshall Space Flight Center、Rocketdyne和Stennis Space Center等普遍采用了传感器网络技术,主要测试项目包括燃料舱压力与流量测试、燃料舱液体混合危害性检测、发动机涡轮泵测试、绝热和环境控制系统工作状态测试、备用电源测试、减压舱测试、有害气体泄漏检测与快速响应系统性能测试和防火系统测试等。

  美国LosAlamos国家实验室针对航空动力系统的信息检测技术研究,于2003年研制出分布式传感器网络与集群计算系统。这是一种经济、便携的传感器网络,该传感器网络的各节点由单个传感器构成。每个传感器能够实时采集安装位置附近的数据(如压力、温度、湿度等),而且能够与邻近的传感器节点进行协同运算,完成数据的预处理和传感器状态检测工作。用户通过传感器网络的某个节点就可以实现对整个网络的监听和数据采集工作。

  肯尼迪航空中心针对测试过程技术进行了研究,明确提出了发展传感器网络来实现大规模发射装备测试系统中的各项检测任务,包括流量检测、泄漏检测、绝热检测、压力检测、发动机性能检测等。

  美国NASA正在设计地球传感器网络,用于行星间(或者太阳系内)的相互通信。这种首尾相连的信息传递系统将会连接近地系统和深空系统之间的各个节点,人们可以基于传感器网络结构对地球进行整体研究,而不是各自独立进行,这就要求在网络通信设计和新型通信技术的开发上能有革命性的变化。

 

(4)声和超声传感器

  声音通常是指频率从20Hz~20kHz的可听声。20kHz以上称为超声,20Hz以下称为次声。声和超声传感器按其传感原理可分为压电、磁致伸缩、静电、电容、电磁以及光学等形式。从航空技术的应用角度来分,可分为噪声测量传感器、声振检测传感器、超声探伤传感器以及声发射检测传感器。声和超声传感器在航空航天技术中有十分广泛的应用,材料选择、工艺评估、构件测试、成品检验、特性测量等都要用。展望未来,声和超声传感器作为新型的非常重要的检测工具在各方面都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位、高精度的方向发展,以满足日益发展的社会需求。

 

(5)其他传感器

  除了以上提到的各类传感器外,在谐振式传感器、图象传感器、微波传感器、涡流传感器等方面也同样体现出了巨大的技术潜力。

  图像传感器在航空工程中有着广泛而重要的用途,如武器瞄准与制导、侦察与指挥系统、视景模拟系统、航空工业生产自动化以及各种管理信息系统等。

  新技术的成熟化,带动了大量新型传感器的发展。在航空测试领域,随着任务要求和制造难度的提高,对新型传感器的需求必将越来越大,而就目前的技术水平而言,可实现工程化的传感器技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

 

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