CN109341777B - 一种用于轴承温度/应变信号监测的传感器 - Google Patents

一种用于轴承温度/应变信号监测的传感器 Download PDF

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Abstract

本发明是一种用于轴承温度/应变信号监测的传感器，该传感器是在轴承的外圈端面(1)上制备应变敏感层(2)和温度敏感层(3)而形成，应变敏感层(2)和温度敏感层(3)的一端相互搭接在一起，应变敏感层(2)、温度敏感层(3)和应变敏感层(2)与温度敏感层(3)的相互搭接面均与轴承的外圈端面(1)绝缘，应变敏感层(2)的电阻值能够随应变发生变化而形成应变传感器，应变敏感层(2)和温度敏感层(3)的相互搭接面的电压值能够随将温度发生变化而形成热电偶式温度传感器，在应变敏感层(2)和温度敏感层(3)的另一端通过引线(4)引出信号。该传感器实现了一种组合结构的薄膜传感器，对轴承的温度和应变参数同时进行检测。

Description

一种用于轴承温度/应变信号监测的传感器
技术领域
本发明是一种用于轴承温度/应变信号监测的传感器，属于薄膜传感器技术领域。
背景技术
轴承作为支撑转动部件的关键零件，是飞机机械系统所不能缺少的。轴承服役工况复杂，运转速度快，润滑条件复杂，又要经受摩擦热以及振动等严酷的使用环境，失效概率相对更大，失效现象和行为也更为复杂。轴承一旦失效往往带来停车、电机停止供电、液压系统故障等严重后果，是很多飞行事故和征候发生的重要源。在某些情况下，轴承的失效甚至会导致机毁人亡的后果。近些年新型飞机大量出现，对机械系统乃至附件的功能提出了更高的要求，轴承的失效问题也日益突出，且面临形势极其严峻。
例如，航空机电系统中的冷却涡轮斜流风扇轴承在使用过程中，由于自身寿命和工作条件的因素，经常出现由于温度升高而发生的卡死、烧结现象，导致轴承无法正常转动，进而造成冷却故障。目前还没有监测系统对轴承的工作状态进行实时把握，对故障的发生没有预判，一旦故障发生，会引起其他连接机构的损坏，甚至造成安全事故。
经验证明，轴承诊断系统性能的好坏取决于它对轴承早期运行中故障的检测能力，即在灾难性事故发生之前检测到异常情况，大量事实证明许多重大事故都是由于机器故障在预期寿命之前出现而引起的。因此，必须对轴承的工作状态进行实时的监测，温度和变形作为轴承最主要的工作参数。实时监测轴承的温度和应变信号，可以实时获取轴承的工作状态，有效地对飞行器的健康状况进行管理，及时预防和发现轴承失效带来的风险，避免造成进一步的损失。
由于轴承工况恶劣，空间狭小，传统的机电或电子传感器已无法对飞机的工作状态进行实时监测。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术存在的不足而设计提供了一种用于轴承温度/应变信号监测的传感器，其目的是解决当前轴承由于使用环境恶劣而引起的“测不出，测不准”的问题，实现轴承信号检测方式的小型化、轻量化、智能化和集成化，为飞机的健康管理和轴承件的设计提供坚实的数据基础。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种用于轴承温度/应变信号监测的传感器，其特征在于：在轴承的外圈端面1上制备应变敏感层2和温度敏感层3，应变敏感层2和温度敏感层3的一端相互搭接在一起，应变敏感层2、温度敏感层3和应变敏感层2与温度敏感层3的相互搭接面均与轴承的外圈端面1绝缘，应变敏感层2的电阻值能够随应变发生变化而形成应变传感器，应变敏感层2和温度敏感层3的相互搭接面的电压值能够随将温度发生变化而形成热电偶式温度传感器，在应变敏感层2和温度敏感层3的另一端通过引线4引出信号。
进一步，所述应变敏感层2和温度敏感层3的材料的组合方式为：铜-康铜、镍铬-镍硅、铁铬-铁、钯铬-钯、铂铑-铂。
进一步，所述应变敏感层2的厚度为100nm-2000nm。
进一步，所述温度敏感层3的厚度为300nm-2000nm。
进一步，在轴承的外圈端面1上制备多个应变敏感层2和温度敏感层3的组合结构，相邻组合结构之间的最小圆弧长度为5mm。
进一步，应变敏感层2、温度敏感层3和应变敏感层2与温度敏感层3的相互搭接面与轴承的外圈端面1之间的绝缘层5电阻大于1MΩ。
进一步，在轴承的外圈端面1上制备应变敏感层2和温度敏感层3的方法为表面镀膜，所述表面镀膜工艺为离子注入、电子束蒸发、离子束辅助沉积、磁控溅射、喷涂。
进一步，在轴承的外圈端面1上制备应变敏感层2和温度敏感层3的方法是将各自使用的材料的材料制备成薄膜后铺贴在轴承的外圈端面1上。
本发明技术方案的特点及有益效果为：
1、本发明技术方案通过把温度传感器和应变传感器形成的组合结构，一体化制备到轴承表面，使结构更加简单，实现了一种组合结构的薄膜传感器可输出多种信号的能力，对轴承的温度和应变参数同时进行检测。
2、本发明技术方案不会改变轴承的安装形式和基本特征，同时也不会明显增加轴承结构的整体重量和体积，这种结构与功能一体化的方法具有十分广阔的应用前景。
3、本发明技术方案可以对轴承温度和应变信号进行实时监测，特别适合于在机工作的轴承工作状态监测，能够及时发现轴承的工作状态变化情况，对轴承的失效进行把控和预测。
4、本发明技术方案中，所述应变敏感层2和温度敏感层3的铜-康铜、镍铬-镍硅、铁铬-铁、钯铬-钯、铂铑-铂的组合结构的应变因子大于1.2，电阻温度系数小于200ppm/K，塞贝克系数大于10μV/K，相对灵敏度大于0.8，所形成的热电偶式温度传感器可感知温度范围为-50℃～1000℃。
附图说明
图1是本发明所述传感器的结构示意图
具体实施方式：
如图1所示，本实施例以航空用某深沟球轴为例，采用本发明技术方案在该深沟球轴上成型温度/应变信号监测传感器的步骤如下：
步骤一、使用离子注入方法在材料为M50的轴承外圈端面1上注入铝元素，以便外圈端面1与绝缘层5进行平稳过渡，然后采用反应磁控溅射方法镀制Al2O3/AlN多层膜绝缘层5，其厚度为10μm，电阻值大于1MΩ；
步骤二、在绝缘层5的表面、沿外圈端面1的圆周镀制多个镍硅应变敏感层2，其厚度为150nm，接着镀制相应数量的镍铬温度敏感层3，其厚度为320nm，其中，对应的镍硅应变敏感层2与镍铬温度敏感层3相互搭接，搭接的面积为0.04mm2，相邻的应变敏感层2和温度敏感层3的组合结构之间的最小圆弧长度为5mm；
步骤三、针对每一个应变敏感层2和温度敏感层3的组合结构，使用导电银胶把引线4胶粘到镍硅应变敏感层2与镍铬温度敏感层3的两个未搭接端，使用示波器的两个探针分别连接引线4的两端；
步骤四、针对每一个应变敏感层2和温度敏感层3的组合结构，对引线4两端的电阻值进行测量，用工装使轴承变形，测出轴承的变形量与该电阻值的对应关系，并与120欧的标准应变片所感应的变形量与电阻值的关系进行对比标定；
步骤五、针对每一个应变敏感层2和温度敏感层3的组合结构，对引线4两端的电压值进行测量，通过温控设备改变轴承的环境温度，测出轴承的温度变化与该电压值的对应关系，并与K型热电偶进行对比标定；
步骤六、针对每一个应变敏感层2和温度敏感层3的组合结构形成的温度/应变信号监测传感器，根据步骤四和步骤五的标定结果形成相应的采集电路，对轴承的温度和应变信号进行检测，温度测量范围为0℃～300℃，应变测量范围为0～1600με。

Claims (2)

1.一种用于轴承温度/应变信号监测的传感器，其特征在于：所述轴承为深沟球轴，在轴承的外圈端面(1)上制备应变敏感层(2)和温度敏感层(3)，应变敏感层(2)和温度敏感层(3)的一端相互搭接在一起，应变敏感层(2)、温度敏感层(3)和应变敏感层(2)与温度敏感层(3)的相互搭接面均与轴承的外圈端面(1)绝缘，应变敏感层(2)的电阻值能够随应变发生变化而形成应变传感器，应变敏感层(2)和温度敏感层(3)的相互搭接面的电压值能够随将温度发生变化而形成热电偶式温度传感器，在应变敏感层(2)和温度敏感层(3)的另一端通过引线(4)引出信号；
在该深沟球轴上成型上述温度/应变信号监测传感器的方法的步骤如下：
步骤一、使用离子注入方法在材料为M50的轴承外圈端面(1)上注入铝元素，以便外圈端面(1)与绝缘层(5)进行平稳过渡，然后采用反应磁控溅射方法镀制Al2O3/AlN多层膜绝缘层(5)，其厚度为10μm，电阻值大于1MΩ；
步骤二、在绝缘层(5)的表面、沿外圈端面(1)的圆周镀制多个镍硅应变敏感层(2)，其厚度为150nm，接着镀制相应数量的镍铬温度敏感层(3)，其厚度为320nm，其中，对应的镍硅应变敏感层(2)与镍铬温度敏感层(3)相互搭接，搭接的面积为0.04mm2，相邻的应变敏感层(2)和温度敏感层(3)的组合结构之间的最小圆弧长度为5mm；
步骤三、针对每一个应变敏感层(2)和温度敏感层(3)的组合结构，使用导电银胶把引线(4)胶粘到镍硅应变敏感层(2)与镍铬温度敏感层(3)的两个未搭接端，使用示波器的两个探针分别连接引线(4)的两端；
步骤四、针对每一个应变敏感层（ 2） 和温度敏感层（ 3） 的组合结构，对引线（ 4） 两端的电阻值进行测量，用工装使轴承变形，测出轴承的变形量与该电阻值的对应关系，并与120欧的标准应变片所感应的变形量与电阻值的关系进行对比标定；
步骤五、针对每一个应变敏感层（ 2） 和温度敏感层（ 3） 的组合结构，对引线（ 4） 两端的电压值进行测量，通过温控设备改变轴承的环境温度，测出轴承的温度变化与该电压值的对应关系，并与K型热电偶进行对比标定；
步骤六、针对每一个应变敏感层（ 2） 和温度敏感层（ 3） 的组合结构形成的温度/应变信号监测传感器，根据步骤四和步骤五的标定结果形成相应的采集电路，对轴承的温度和应变信号进行检测，温度测量范围为0℃～300℃，应变测量范围为0～1600με。
2.根据权利要求1所述的用于轴承温度/应变信号监测的传感器，其特征在于：在轴承的外圈端面(1)上制备应变敏感层(2)和温度敏感层(3)的方法为表面镀膜，所述表面镀膜工艺为离子注入、电子束蒸发、离子束辅助沉积、磁控溅射、喷涂。
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