CN106569045B - 一种用于气路的碎屑静电监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气路的碎屑静电监测传感器，本发明所述传感器由敏感核头(8)、中枢层(6)和屏蔽外壳(2)构成了一个三同轴传感器，其中，敏感核头(8)用于检测静电信号，与敏感核头(8)、中枢层(6)和屏蔽外壳(2)连接的三同轴电缆(13)用于传输检测到的静电信号，中枢层(6)用于隔离外部干扰和避免静电检测信号向外辐射泄漏，屏蔽外壳(2)用于支撑保护传感器内部结构和进一步起到屏蔽干扰的作用。用于航空发动机的气路时,本发明在中枢层(6)选择镍基合金材料、中枢层屏蔽层(7)的选择绝缘陶瓷材料，三同轴电缆选择耐受600℃高温的铠装电缆。

Description

一种用于气路的碎屑静电监测传感器

技术领域

本发明涉及一种用于气路的碎屑静电监测传感器，属于测量技术领域。

背景技术

目前的研究成果表明，在航空发动机总体故障中，气路部件故障约占90％以上，而且航空发动机气路故障极易造成重大安全事故，影响飞机飞行安全，因此气路部件状态监测在发动机性能监控与故障诊断中占有重要的地位。目前国内常用的发动机气路监测与诊断技术多为离线式的，只能在故障发生后检测和诊断气路系统情况，不具有实时性，且信息滞后，极易错过最佳维修时间，增加了航空飞行器飞行的危险性。

基于静电机理的航空发动机气路碎屑静电监测技术是一种以最少的传感器监测发动机气路故障的先进技术，该技术以静电感应原理为基础，利用传感器检测发动机气路中碎屑的电荷量，结合故障诊断算法，实现对航空发动机气路故障的诊断。

目前这种技术作为发动机健康监测管理系统的关键组成部分已经在国外先进战机上得到了应用，在提升飞行安全性和降低维护保障费用方面取得了极大的成效。但是目前在国内该技术并不成熟，且目前传感器探头结构比较简单，主要包括敏感探极、机械外壳以及两者之间的屏蔽结构，目前传感器探头结构的信号屏蔽效果较差，难以实现微弱电荷信号的检测。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种用于气路的碎屑静电监测传感器，其目的是提高气路碎屑在线静电监测的抗干扰能力，解决现有传感器探头屏蔽效果差的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种用于气路的碎屑静电监测传感器，该传感器包括位于中心处的柱状的敏感核头8，敏感核头8的前端裸露用于碎屑静电监测，其余部分包覆于敏感核头屏蔽层7内部，敏感核头8的后端与敏感核头连接钉9连接，敏感核头连接钉9固定安装在敏感核头盖板5上以固定敏感核头8的位置，该传感器的圆筒状的屏蔽外壳2设置在敏感核头屏蔽层7的外围，柱状的敏感核头8和圆筒状的屏蔽外壳2的中心线重合，其特征在于：在传感器的敏感核头屏蔽层7和屏蔽外壳2之间增加同样为圆筒状的中枢层6和包覆在中枢层6外围的中枢屏蔽层4，圆筒状的中枢层6与柱状的敏感核头8和圆筒状的屏蔽外壳2的中心线重合，中枢层6采用金属导电材料，中枢屏蔽层4采用非金属绝缘材料，另外，穿过屏蔽外壳盖板1的三同轴电缆13的内芯10与敏感核头连接钉9连接，三同轴电缆13的内皮信号层11与中枢层6连接，三同轴电缆13的外皮屏蔽层12与屏蔽外壳2连接。

制备中枢层6的金属导电材料为表面电阻率小于1×10⁵Ω/sq或体电阻率小于1×10⁴Ω/cm的金属导电材料。

制备中枢屏蔽层4的非金属绝缘材料为表面电阻率不小于1×10¹²Ω/sq或体积电阻率不小于1×10¹¹Ω/cm的非金属绝缘材料。

所述的敏感核头8与敏感核头屏蔽层7之间、敏感核头屏蔽层7与中枢层6之间、中枢层6与中枢屏蔽层4之间、中枢屏蔽层4与屏蔽外壳2之间采用间隙配合。由于在高温工作状态下，金属材料的线膨胀系数和非金属材料的线膨胀系数不同，为减少在高温状态时零部件之间的相互作用力，使整体应力分布趋于均匀，防止高温环境下由于金属材料和非金属材料的线膨胀系数不同而造成的过力崩裂，两者之间需要采取一定的间隙配合。两者之间的间隙量选择如下：金属材料的膨胀增量：ΔD_金属＝D_金属×α_金属×Δt，非金属材料的膨胀增量：ΔD_非金属＝D_非金属×α_非金属×Δt，两者之间的增量差：ΔL＝|ΔD_金属-ΔD_非金属|。其中，D为圆筒形零部件的直径，α为材料的线膨胀系数，Δt为温度增量，ΔD为膨胀增量，ΔL为增量差。最终，金属材料与非金属材料之间的配合间隙ΔL_间隙的范围可表示为：aΔL≤ΔL_间隙≤bΔL。其中系数a和b需要通过仿真分析获得。

本发明所述传感器由敏感核头8、中枢层6和屏蔽外壳2构成了一个三同轴传感器，其中，敏感核头8用于检测静电信号，与敏感核头8、中枢层6和屏蔽外壳2连接的三同轴电缆13用于传输检测到的静电信号，中枢层6用于隔离外部干扰和避免静电检测信号向外辐射泄漏，屏蔽外壳2用于支撑保护传感器内部结构和进一步起到屏蔽干扰的作用。用于航空发动机的气路时,本发明在中枢层6选择镍基合金材料、中枢层屏蔽层7的选择绝缘陶瓷材料，三同轴电缆选择耐受600℃高温的铠装电缆。

本发明的有益效果在于：

1、设计了敏感核头屏蔽层与敏感核头之间的间隙配合，有效防止了高温环境下由于金属层和非金属层膨胀系数不同而造成的过力崩裂。

2、设计了三同轴结构的静电传感器探头，使信号免遭外界电磁波的干扰,并能抑制敏感核头内的信号向外辐射，屏蔽性能比非屏蔽传统静电传感器高出40～50dB。

3、内部结构相对简单，加工方便，成本较低。

附图说明

图1为本发明所述的传感器的结构示意图

图2为本发明所述的传感器的立体装配结构分解示意图

具体的实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

参见附图1～2所示，以应用于航空发动机尾喷管道为例，采用本发明所述的传感器设计，圆柱状的敏感核头8的后端加工有向内的凹台结构，并配有内螺纹，敏感核头连接钉9钉帽以下部分加工有外螺纹，利用敏感核头连接钉9将三同轴电缆13的内芯10与敏感核头8拧紧固定，用于信号传输。包覆在敏感核头8外围的筒状的敏感核头屏蔽层7与敏感核头8通过敏感核头连接钉9固定连接。敏感核头屏蔽层7外围下部有向外的台阶，中枢屏蔽层4内围下部有向传感器轴向中心线的台阶，中枢层6下部的凸台插装在前两个台阶之间，三者相嵌固定。屏蔽外壳2在底部有向内的台阶，中枢屏蔽层4外围底部有向内的台阶，两者相嵌固定。敏感核头盖板5通过敏感核头连接钉9压装在中枢层6和敏感核头屏蔽层7的顶端，敏感核头盖板5同时与三同轴电缆13的内皮信号层11和中枢层6连接。屏蔽外壳盖板1用于将三同轴电缆13的外皮屏蔽层12与屏蔽外壳2相连接，同时中枢层盖板3外围加工有外螺纹，与屏蔽外壳2内围的内螺纹进行装配连接用于向下压紧中枢屏蔽层4和敏感核头盖板5。

制备中枢层6的金属导电材料为镍基合金材料，制备中枢屏蔽层4的非金属绝缘材料为绝缘陶瓷材料。由于在高温工作状态下，镍基合金材料的线膨胀系数大于陶瓷材料的线膨胀系数，敏感核头8与敏感核头屏蔽层7之间、中枢层6与中枢屏蔽层4之间的间隙减小，间隙配合变为过盈配合，内部镍基合金材料承受外压，外部陶瓷材料承受内压。为减少在高温状态时零部件之间的相互作用力，使整体应力分布趋于均匀，防止高温环境下由于镍基合金材料和陶瓷材料的线膨胀系数不同而造成陶瓷材料的过力崩裂，两者之间需要采取一定的间隙配合。两者之间的间隙量选择如下：镍基合金材料的膨胀增量：ΔD_镍基＝D_镍基×α_镍基×Δt，陶瓷材料的膨胀增量：ΔD_陶瓷＝D_陶瓷×α_陶瓷×Δt，两者之间的增量差：ΔL＝|ΔD_镍基-ΔD_陶瓷|。其中，D为圆筒形零部件的直径，α为材料的线膨胀系数，Δt为温度增量，ΔD为膨胀增量，ΔL为增量差。通过仿真分析得到，镍基合金材料与陶瓷材料之间的配合间隙ΔL_间隙的范围可表示为：75％ΔL≤ΔL_间隙≤90％ΔL。

本发明所设计的静电传感器以嵌入的方式安装于航空发动机尾喷管上，探头感应位置位于低压涡轮出口后约三十公分处。

Claims (3)

1.一种用于气路的碎屑静电监测传感器，该传感器包括位于中心处的柱状的敏感核头(8)，敏感核头(8)的前端裸露用于碎屑静电监测，其余部分包覆于敏感核头屏蔽层(7)内部，敏感核头(8)的后端与敏感核头连接钉(9)连接，敏感核头连接钉(9)固定安装在敏感核头盖板(5)上以固定敏感核头(8)的位置，该传感器的圆筒状的屏蔽外壳(2)设置在敏感核头屏蔽层(7)的外围，柱状的敏感核头(8)和圆筒状的屏蔽外壳(2)的中心线重合，其特征在于：在传感器的敏感核头屏蔽层(7)和屏蔽外壳(2)之间增加同样为圆筒状的中枢层(6)和包覆在中枢层(6)外围的中枢屏蔽层(4)，圆筒状的中枢层(6)与柱状的敏感核头(8)和圆筒状的屏蔽外壳(2)的中心线重合，中枢层(6)采用金属导电材料，中枢屏蔽层(4)采用非金属绝缘材料，另外，穿过屏蔽外壳盖板(1)的三同轴电缆(13)的内芯(10)与敏感核头连接钉(9)连接，三同轴电缆(13)的内皮信号层(11)与中枢层(6)连接，三同轴电缆(13)的外皮屏蔽层(12)与屏蔽外壳(2)连接。

2.根据权利要求1所述的用于气路的碎屑静电监测传感器，其特征在于：制备中枢层(6)的金属导电材料为表面电阻率小于1×10⁵Ω/sq或体电阻率小于1×10⁴Ω/cm的金属导电材料。

3.根据权利要求1所述的用于气路的碎屑静电监测传感器，其特征在于：制备中枢屏蔽层(4)的非金属绝缘材料为表面电阻率不小于1×10¹²Ω/sq或体积电阻率不小于1×10¹¹Ω/cm的非金属绝缘材料。