航空發(fā)動(dòng)機溫度傳感器的應用

       隨著(zhù)航空發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機的推重比、渦輪前溫度和總增壓比等性能參數得到顯著(zhù)提升。其中，渦輪前溫度不但是航空發(fā)動(dòng)機的重要性能參數，還關(guān)系到渦輪葉片表面溫度、渦輪冷卻、延壽控制等各個(gè)方面，極大地影響到航空發(fā)動(dòng)機工作的可靠性。實(shí)現對渦輪前溫度進(jìn)行直接正確測量是滿(mǎn)足上述技術(shù)要求的前提條件，而研制適用于航空發(fā)動(dòng)機的大量程、精度高、穩定性高的溫度傳感器是具體的實(shí)現途徑。
高溫傳感器的工作原理和分類(lèi)
       溫度傳感器是能感受溫度信號并按一定傳感原理轉換成可用電信號的器件或裝置，通常包含敏感元件和轉換元件。根據測量原理性質(zhì)的不同，溫度傳感器可分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩類(lèi)（如圖1所示）。

       接觸式測溫是指溫度傳感器的敏感元件與被測對象直接接觸，通過(guò)熱傳導的方式達到熱平衡狀態(tài)，用敏感元件的溫度代表被測對象的實(shí)際溫度并進(jìn)行測量。在航空發(fā)動(dòng)機中正在使用或探索使用的接觸式傳感器包括熱電偶溫度傳感器、示溫漆、晶體高溫傳感器和光纖高溫傳感器等。
       非接觸式測溫是指溫度傳感器的敏感元件與被測對象不發(fā)生直接接觸，而是通過(guò)獲取被測對象的熱輻射信息，根據與溫度的對應關(guān)系計算出被測對象的溫度信息，實(shí)現對被測對象的溫度測量。在航空發(fā)動(dòng)機中正在使用或探索使用中的非接觸式傳感器主要是輻射式高溫傳感器。
接觸式高溫傳感器
熱電偶溫度傳感器
       熱電偶是航空發(fā)動(dòng)機中常用的溫度傳感器，具有結構簡(jiǎn)單、可靠性高、技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)。熱電偶的敏感元件是由兩根不同材質(zhì)的金屬絲焊接而成的，稱(chēng)為工作端或熱端，兩根金屬絲的另一端稱(chēng)為自由端或冷端，通過(guò)連接補償導線(xiàn)和測量?jì)x表構成回路。其測溫原理稱(chēng)為塞貝克效應（Seebeckeffect），即在熱電偶的熱端和冷端存在溫度差時(shí)，兩金屬絲之間會(huì )產(chǎn)生熱電勢并在回路中形成電流，通過(guò)測量熱電勢的大小并進(jìn)行冷端溫度補償即可計算出熱電偶工作端的溫度值。不同材質(zhì)的熱電偶具有不同的測溫范圍，可用于航空發(fā)動(dòng)機渦輪前溫度測量的熱電偶為鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號B），長(cháng)期使用高溫度為1873K，短期使用高溫度可達2073K。
       熱電偶在發(fā)動(dòng)機中的安裝方式主要包括埋入式、火焰噴涂式和薄膜式3種。埋入式熱電偶是指預先在被測對象表面開(kāi)槽，將鎧裝熱電偶埋入槽中后通過(guò)等離子噴涂固定，這種方法對熱電偶的制作工藝要求較低，然而破壞了被測對象的表面結構，影響了被測對象的強度；火焰噴涂式熱電偶是通過(guò)火焰噴涂涂層的方法將熱電偶絲固定在被測對象表面，這種方法避免了對被測對象結構上的破壞，但產(chǎn)生了對表面流場(chǎng)的干擾；薄膜式熱電偶是通過(guò)電鍍、真空蒸鍍、真空濺射等技術(shù)，令金屬和絕緣材料分層附著(zhù)在被測對象表面形成熱電偶[1]，薄膜式熱電偶的膜層厚度可以低至數微米，將對被測對象結構強度和表面流場(chǎng)的影響降至低，然而在高溫環(huán)境下容易受熱應力的影響而產(chǎn)生脫落。
示溫漆
       示溫漆測溫是一種非干涉式測溫方法。作為一種顏色隨溫度發(fā)生變化的功能性涂料，示溫漆具有不破壞被測對象表面形貌、不改變氣流狀態(tài)、無(wú)須測量引線(xiàn)、無(wú)須測量窗口、結果直觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)[2]。根據涂料顏色隨溫度發(fā)生變化后再回到變色前的溫度環(huán)境下是否恢復原色，示溫漆可分為可逆與不可逆兩類(lèi)，航空發(fā)動(dòng)機測溫中一般使用不可逆的示溫漆[3]。而根據涂料隨溫度上升發(fā)生的變色次數，示溫漆又可以分為單色和多色示溫漆，單色示溫漆隨溫度升高只產(chǎn)生一種顏色變化，多用于超溫警示功能；多色示溫漆隨溫度升高會(huì )產(chǎn)生多次變色，變色次數越多，每一種顏色指示的溫度變化范圍越小，測溫結果精度越高。因此，航空發(fā)動(dòng)機測試應用中一般使用多變色不可逆示溫漆。
       得益于非干涉、無(wú)須測量引線(xiàn)及窗口的特性，示溫漆特別適宜在旋轉部件和復雜結構件的表面進(jìn)行測溫，此類(lèi)部件往往受到安裝方式和測量引線(xiàn)的制約而難以應用其他溫度傳感器進(jìn)行溫度測量。同時(shí)，示溫漆可以在被測對象表面進(jìn)行大面積涂覆而不影響表面形貌與氣流狀態(tài)，適宜測量被測對象表面溫度分布。示溫漆的測量特性在帶來(lái)便利性的同時(shí)，還帶來(lái)了相應的局限性：示溫漆受到加熱速度、加熱時(shí)間、環(huán)境污染等使用條件的影響較大；需要通過(guò)顏色比對讀取溫度數值，因此測量的主觀(guān)誤差較大；需要將被測對象拆卸后才能進(jìn)行溫度數值讀取，因此只適宜進(jìn)行發(fā)動(dòng)機測試時(shí)使用，無(wú)法進(jìn)行在線(xiàn)監測等。
       綜合上述特征，示溫漆測溫常用于航空發(fā)動(dòng)機測試中對燃燒室和渦輪部件表面溫度分布的測量。目前對多色不可逆示溫漆的研究主要集中于提高示溫漆溫度值的判讀精度、增大示溫漆的涂層強度和使用范圍等方面，今后仍有廣闊的發(fā)展前景。
晶體高溫傳感器
       晶體高溫傳感器是利用晶體輻照缺陷熱穩定性來(lái)進(jìn)行溫度測量的傳感器。當碳化硅晶體受到中子輻照時(shí)，由于電離、離位等效應的作用，晶格內部產(chǎn)生大量如間隙原子、空位等缺陷，破壞了晶體原子排列的周期性[4]。而經(jīng)過(guò)中子輻照的碳化硅晶體所產(chǎn)生的熱穩定性缺陷會(huì )在高溫環(huán)境下被修復，其修復程度與晶體的退火溫度存在對應關(guān)系。因此，利用X射線(xiàn)衍射（XRD）檢測出晶體輻照缺陷的修復狀態(tài)，參照預先標定的溫度對應曲線(xiàn)，便可計算出晶體的退火溫度，即被測對象所經(jīng)歷的高溫度。
       晶體測溫方法具有尺寸小、度高、可分布式測量和不需要引線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，晶體測溫在測試方法上和示溫漆測溫具有一定的相似性，例如，晶體測溫與示溫漆測溫無(wú)須測量引線(xiàn)和測量窗口；可以用于測量被測對象表面溫度分布；只能測量被測對象表面所經(jīng)歷的高溫度，適合在發(fā)動(dòng)機測試階段使用，無(wú)法進(jìn)行在線(xiàn)監測。晶體測溫方法與示溫漆測溫的重要區別在于采用XRD檢測方法對晶體的輻照缺陷進(jìn)行正確表征，極大地提高了溫度測量精度，然而測溫晶體的安裝往往需要侵入被測對象內部或黏附在被測對象表面（如圖2所示），對被測對象的結構強度或表面氣流具有一定影響。

光纖高溫傳感器
       光纖高溫傳感器利用光纖，構成基于光學(xué)原理的測量結構，實(shí)現溫度測量。光纖本身既構成傳感器的敏感元件，也起到傳輸信號光的作用。在待測溫度超過(guò)1273K的高溫時(shí)，傳統的石英光纖材質(zhì)已無(wú)法滿(mǎn)足要求，需要更換熔點(diǎn)為2323K的藍寶石光纖，構成藍寶石光纖高溫傳感器。根據傳感原理的不同，藍寶石光纖高溫傳感器可以分為藍寶石光纖法珀（F-P）干涉傳感器、藍寶石光纖光柵傳感器以及藍寶石光纖輻射式高溫傳感器，其中輻射式高溫傳感器中藍寶石光纖主要起傳輸信號光的作用，本身不構成敏感元件，因此可將其歸為輻射式測溫方法。
（如圖3所示）在待測溫度發(fā)生變化時(shí)，其長(cháng)度會(huì )受到陶瓷管熱膨脹效應的影響而發(fā)生變化，進(jìn)而影響輸出的干涉光譜，對輸出的干涉光譜進(jìn)行信號解調即可得到待測溫度。

       藍寶石光纖光柵高溫傳感器利用飛秒激光器對光纖進(jìn)行周期性折射率調制（如圖4所示），此時(shí)光纖內正向傳輸模與反射模會(huì )發(fā)生干涉并形成尖銳的干涉峰。當外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，藍寶石光纖光柵的干涉峰將隨之發(fā)生平移，利用預先標定的溫度對應關(guān)系對干涉峰波長(cháng)進(jìn)行解算即可實(shí)現高溫傳感?；谠摻Y構制作的藍寶石光纖光柵高溫傳感器[6]，高可測量溫度達到1773K，并在試驗中沒(méi)有觀(guān)察到任何光柵熱衰減現象。
       光纖高溫傳感器具有體積小、精度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、可進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監測等優(yōu)點(diǎn)，在性參數上具有替代傳統熱電偶高溫傳感器的潛力，然而光纖高溫傳感作為新興的傳感技術(shù)，大部分技術(shù)仍停留在實(shí)驗室階段，在具體的工業(yè)應用中仍存在技術(shù)成熟度較低的問(wèn)題。因此，為了實(shí)現光纖高溫傳感器在航空發(fā)動(dòng)機中的長(cháng)期應用，需要對封裝結構、安裝方式、布線(xiàn)方式和解調設備做進(jìn)一步探索。
非接觸式高溫傳感器
       輻射式高溫傳感器是典型也是常用的非接觸式溫度傳感器，其傳感原理基于黑體輻射定律，即一切高于絕對零度的物體都會(huì )向周?chē)臻g輻射能量，輻射強度與黑體的絕對溫度和輻射波長(cháng)有關(guān)，因此通過(guò)收集被測對象的熱輻射信號，并已知被測對象的發(fā)射率，即可計算出待測溫度（如圖5所示）。該方法理論上可以測量任意高的溫度，但由于標定用黑體腔的溫度限制，無(wú)法正確測量3273K以上的溫度。

       根據對被測對象輻射光譜的利用方式，可以將輻射式高溫傳感器分為亮度（單色）高溫計、比色（雙色）高溫計和多波長(cháng)高溫計等[8]。亮度高溫計是選用單一波長(cháng)（一般為0.656μm）進(jìn)行被測對象的溫度計算，是發(fā)展歷史輻射式高溫傳感器，至今仍是輻射測溫基準，也是標準溫度計采用的測溫方法。但在工程實(shí)際測量中，被測對象的發(fā)射率往往難以測量，進(jìn)而影響亮度高溫計的測量精度。
       為了減小被測對象發(fā)射率對測量結果的影響，比色高溫計被提出并得到了廣泛關(guān)注。比色高溫計利用兩個(gè)相鄰波長(cháng)輻射強度的比值與溫度的對應關(guān)系計算待測溫度。由于兩相鄰波長(cháng)的發(fā)射率可以近似認為相等，計算相鄰波長(cháng)輻射強度的比值可以消除發(fā)射率對測量結果的影響，因此比色高溫計具有更高的測溫精度，但在工程實(shí)際中，測量?jì)蓚€(gè)相鄰波長(cháng)的輻射強度對光學(xué)系統的要求較高。
多波長(cháng)高溫計是通過(guò)同時(shí)選取多個(gè)波長(cháng)，測量多通道的輻射值，建立輻射強度與波長(cháng)的數學(xué)模型，計算得到被測對象的發(fā)射率和實(shí)際溫度。多波長(cháng)高溫計具有發(fā)射率和溫度測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)系統結構也更加復雜，是當前輻射式高溫傳感器研究的熱點(diǎn)。
       傳統的輻射式高溫傳感器在工程應用中往往需要較大的空間來(lái)容納光路結構，不利于安裝在航空發(fā)動(dòng)機中進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監測。光纖技術(shù)的發(fā)展為解決這一問(wèn)題提出了新的解決方案，一種基于藍寶石光纖的輻射式高溫傳感器一經(jīng)提出便得到了廣泛關(guān)注。該傳感器是在藍寶石光纖的一端濺射金屬薄膜或安裝陶瓷空腔形成黑體腔，黑體腔與被測對象達到熱平衡后向藍寶石光纖中傳播熱輻射，在藍寶石光纖的另一端接收熱輻射并進(jìn)行解算得到被測對象的真實(shí)溫度。藍寶石光纖輻射式高溫傳感器雖然是基于輻射式傳感原理構建的，然而根據溫度測量方式應該歸類(lèi)為接觸式溫度傳感器，這一結構有效地避免了熱輻射暴露在燃氣中而受到散射、吸收等效應的衰減作用，提高了溫度測量的穩定性，但同時(shí)這也使傳感器的測量溫度受到黑體腔和藍寶石光纖耐高溫能力的限制。
結束語(yǔ)
       通過(guò)上述分析可知，熱電偶溫度傳感器具有測溫精度高、技術(shù)發(fā)展成熟、安裝方式多樣的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)在于難以在超過(guò)1873K的環(huán)境中長(cháng)期工作。示溫漆相比熱電偶具有不破壞被測表面形貌、不影響表面氣流狀態(tài)、無(wú)須測量引線(xiàn)和窗口、可以進(jìn)行溫度分布測量的優(yōu)勢，但測溫精度低、無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的缺陷導致其只能應用在發(fā)動(dòng)機測試過(guò)程中。晶體高溫傳感器與示溫漆具有相似的測溫特點(diǎn)，二者均不需要測量引線(xiàn)和窗口，均可以測量表面溫度分布，并且晶體高溫傳感器相比示溫漆進(jìn)一步提高了測溫精度，然而其安裝方式往往會(huì )對被測對象表面形貌或表面氣流狀態(tài)造成影響。光纖高溫傳感器作為新興傳感器，具有體積小、精度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、可進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監測的優(yōu)點(diǎn)，并且在結合藍寶石光纖后可以將測溫上限提高到2173K，但在航空發(fā)動(dòng)機中的應用還處于探索階段，包括安裝方式、布線(xiàn)方式、解調方式等工程應用環(huán)節仍需要優(yōu)化調整。輻射式高溫傳感器作為典型和常用的非接觸式傳感器，具有測溫上限高、測溫精度高、無(wú)須與被測表面接觸的優(yōu)點(diǎn)，結合藍寶石光纖后可以進(jìn)一步降低測溫環(huán)境對熱輻射的衰減干擾。以上幾種高溫傳感器在渦輪前溫度和渦輪葉片表面溫度分布測量中都具有極大發(fā)展潛力，可以為未來(lái)提升航空發(fā)動(dòng)機的性能與可靠性做出貢獻。