CN114152278A - 一种无源lc温度-转速复合传感器及发动机轴承在线监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无源LC温度‑转速复合传感器及发动机轴承在线监测方法，无源LC温度‑转速复合传感器设置在发动机轴承的内圈表面，包括沿发动机轴承的内圈至外圈依次设置的NiCrAlY薄膜缓冲层、Al2O3薄膜绝缘层、Ta2O5薄膜绝缘层、金属Pt薄膜功能层、Ta2O5薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层、ZrB2‑SiC薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层。金属Pt薄膜功能层内设有LC谐振回路，LC谐振回路由等效为电感线圈与寄生电容串联形成。本发明设计的无源LC温度‑转速复合传感器能稳定固定在发动机轴承上，可以在高温、高璇等复杂恶劣工况稳定工作且不会从发动机轴承上脱离影响发动机轴承及监测系统的正常工作。

Description

一种无源LC温度-转速复合传感器及发动机轴承在线监测 方法
技术领域
本发明涉及航空发动机轴承的关键参数监测装置及监测方法技术领域，具体为一种无源LC温度-转速复合传感器和发动机轴承在线监测方法。
背景技术
随着全球第六代战机的开发，航空发动机已经向超高机动性和超长寿命方向发展，内部核心零件如轴承的工况环境更加复杂。随着先进航空发动机性能的逐步提升，发动机轴承状态在线监测技术研究愈发重要。
目前，国内外现行发动机轴承状态监测基本采用常规的离线监测手段，滞后性严重。发动机轴承在高温、高旋、油雾腐蚀等复杂恶劣工况下工作时，极易产生点蚀、热弯曲、滑蹭损伤、裂纹等故障，且传统的传感器无法安装于发动机轴承表面，不能实现复杂恶劣工况下轴承复合参数的实时动态监测。
因此，需要设计一种适用于航空发动机轴承的传感器，其能够适用于航空发动机在正常工况，以及高温、高旋、油雾腐蚀等复杂恶劣工况下的轴承工作状态的在线监测。
发明内容
本发明的目的在于解决发动机轴承在高温、高璇、高油雾腐蚀等复杂恶劣工况下，传感器只能设置在动机轴承外圈的外部，以间接获取轴承内圈的温度和保持架转速参数，进而不能对轴承工作状态进行精准的监控的问题，提供了一种无源LC温度-转速复合传感器及发动机轴承在线监测方法。无源LC温度-转速复合传感器是一种新型的传感器，其由多层薄膜形成，且稳定的固定在发动机轴承上，并可以在高温、高璇、高油雾腐蚀等复杂恶劣工况工作且不会从发动机轴承上脱离进而影响发动机轴承及监测系统的正常工作。
实现发明目的的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种无源LC温度-转速复合传感器，无源LC温度-转速复合传感器设置在发动机轴承的内圈表面，用于发动机轴承温度信号和转速信号的实时采集。
其中，无源LC温度-转速复合传感器包括沿发动机轴承的内圈至外圈依次设置的NiCrAlY薄膜缓冲层、Al2O3薄膜绝缘层、Ta2O5薄膜绝缘层、金属Pt薄膜功能层、Ta2O5薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层、ZrB2-SiC薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层。金属Pt薄膜功能层内设有LC谐振回路，LC谐振回路由等效为电感线圈与寄生电容串联形成。
进一步的，NiCrAlY薄膜缓冲层的材料与发动机轴承的内圈材料相同，且NiCrAlY薄膜缓冲层经溅射工艺固定在发动机轴承的内圈表面。
进一步的，上述无源LC温度-转速复合传感器与位于发动机轴承的外圈的读取天线经电磁耦合方式进行无线通讯连接。读取天线与信号调理电路连接，信号调理电路内设有线性扫频激励源，线性扫频激励源经电感间的互感耦合为无源LC温度-转速复合传感器提供能量。
进一步的，上述无源LC温度-转速复合传感器制备方法为：
在发动机轴承的内圈表面采用溅射工艺加工NiCrAlY薄膜缓冲层；
在NiCrAlY薄膜缓冲层上采用溅射工艺加工Al2O3薄膜绝缘层；
在Al2O3薄膜绝缘层上采用溅射工艺加工Ta2O5薄膜绝缘层；
在Ta2O5薄膜绝缘层上采用溅射工艺加工金属Pt薄膜功能层；
在金属Pt薄膜功能层上采用溅射工艺加工Ta2O5薄膜保护层；
在Ta2O5薄膜保护层上采用溅射工艺加工Al2O3薄膜保护层
在Al2O3薄膜保护层上采用溅射工艺加工ZrB2-SiC薄膜保护层；
在ZrB2-SiC薄膜保护层上采用溅射工艺加工Al2O3薄膜保护层，形成无源LC温度-转速复合传感器。
更进一步的，上述NiCrAlY薄膜缓冲层中，靶材为含有60wt％NiCr的NiCrAlY合金，溅射工艺参数为工作气压0.6Pa、溅射功率200W、溅射温度450℃，溅射时长为60min。
更进一步的，上述Al2O3薄膜绝缘层的靶材为金属Al，溅射工艺参数为真空度2×10-3Pa、溅射功率100W、工作气压0.6Pa，溅射气体Ar：O2为30:1，溅射时间为30min；
Ta2O5薄膜绝缘层的靶材为金属Ta，溅射工艺参数为真空度6×10-4Pa、工作气压0.6Pa、溅射功率20W、溅射气体Ar：O2为2:1，溅射时间为60min。
更进一步的，上述无源LC温度-转速复合传感器中，金属Pt薄膜功能层的溅射靶材为耐高温金属Pt，溅射工艺参数为真空度为3×10-3Pa、工作气压为0.5Pa、溅射气体Ar。
第二方面，本发明提供了一种发动机轴承在线监测方法，采用第一方面的无源LC温度-转速复合传感器实时采集发动机轴承温度信号和转速信号，经电磁耦合无线传输方式至读取天线获得初始采集信号；读取天线输出初始采集信号至信号调理电路进行处理，获得发动机轴承的温度特性曲线和转速特征曲线。
进一步的，上述信号调理电路是基于IMF分量筛选重构方法对初始采集信号处理，获得温度初级特性曲线和转速初级特性曲线。
更进一步的，上述信号调理电路是基于EMD特征提取方法，分别对温度初级特性曲线、转速初级特性曲线进行特征提取，输出发动机轴承的温度特性曲线、转速特征曲线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明设计的无源LC温度-转速复合传感器进行设计具有体积小、质量轻、可靠性高的优点，符合航空发动机轴承高质量要求，同时选择对无源LC温度-转速复合传感器的选材进行筛选，选择与发动机轴承内圈相同或相近的NiCrAlY合金作为缓冲层材料，并经磁控溅射工艺将无源LC温度-转速复合传感器直接溅射在航空发动机轴承内圈表面，由于其化学性质稳定且具有良好的延展性，可以在高温下极大地缓解基底材料形变对多层复合膜的应力作用，极大减小薄膜材料及层膜结构损伤失效现象，能够确保无源LC温度-转速复合传感器在各种工况下都能够稳定的设置在航空发动机轴承内圈表面，保证发动机轴承及监测系统的正常工作。
2.由于在温度达到1000℃时，采用Al2O3作为薄膜绝缘层的传感器，其绝缘性会下降到10-2Ω/μm,处于绝缘失效状态，而本发明设计的无源LC温度-转速复合传感器，通过在Al2O3薄膜绝缘层表面增加Ta2O5薄膜绝缘层使其组合成具有更高介电常数和更小漏电流密度的Al2O3-Ta2O5混合膜，形成绝缘性强、稳定性好、介电常数高的耐高温Ta2O5/Al2O3-Ta2O5/Al2O3复合陶瓷绝缘膜层结构。同时，采用Ta2O5/Al2O3/ZrB2-SiC/Al2O3共4层薄膜保护层形成复合保护层，其顶层的Ta2O5薄膜保护层用于保护无源LC温度-转速复合传感器不收化学物质的侵蚀；Al2O3薄膜保护层起到降低高温陶瓷层氧分压，减缓氧化速率，延长保护层使用寿命的作用；底层Al2O3薄膜保护层，起防护隔绝作用及减小与敏感层失配的作用；ZrB2-SiC薄膜保护层主要起到高温热流下的抗冲刷和抗烧蚀作用。
3.本发明的无源LC温度-转速复合传感器与耐高温读取天线通过电磁耦合实现信号的无线传输，回波损耗信号S11以非接触方式传输至信号调理电路，经IMF分量筛选重构方法、干扰补偿、EMD特征提取后可以实现对极端恶劣环境下发动机轴承温度-转速参数的无线在线监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例2中发动机轴承在线监测系统的原理框图；
图2为实施例2中读取天线从无源LC温度-转速复合传感器上获取的的曲线图；
图3为实施例2中信号调理电路输出的转速曲线图和转速曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1：
本实施例提供了一种无源LC温度-转速复合传感器，如图1所示，无源LC温度-转速复合传感器设置在发动机轴承的内圈表面，用于发动机轴承温度信号和转速信号的实时采集。
其中，无源LC温度-转速复合传感器包括沿发动机轴承的内圈至外圈依次设置的NiCrAlY薄膜缓冲层、Al2O3薄膜绝缘层、Ta2O5薄膜绝缘层、金属Pt薄膜功能层、Ta2O5薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层、ZrB2-SiC薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层，无源LC温度-转速复合传感器的金属Pt薄膜功能层内设有LC谐振回路，LC谐振回路由等效为电感线圈与寄生电容串联形成。
在上述无源LC温度-转速复合传感器的一个实施例中，NiCrAlY薄膜缓冲层1与发动机轴承内圈的材料相同，可也可选用与发动机轴承内圈的相近的材料制备NiCrAlY薄膜缓冲层，且NiCrAlY薄膜缓冲层经溅射工艺固定在发动机轴承的内圈表面，选用与发动机轴承内圈相同或相近的NiCrAlY合金作为缓冲层材料，并经磁控溅射工艺将无源LC温度-转速复合传感器直接溅射在航空发动机轴承内圈表面，由于其化学性质稳定且具有良好的延展性，可以在高温下极大地缓解基底材料形变对多层复合膜的应力作用，极大减小薄膜材料及层膜结构损伤失效现象，能够确保无源LC温度-转速复合传感器在各种工况下都能够稳定的设置在航空发动机轴承内圈表面，保证发动机轴承及监测系统的正常工作。
上述无源LC温度-转速复合传感器制备方法为：在发动机轴承的内圈表面采用溅射工艺加工NiCrAlY薄膜缓冲层；在NiCrAlY薄膜缓冲层上采用溅射工艺加工Al2O3薄膜绝缘层；在Al2O3薄膜绝缘层上采用溅射工艺加工Ta2O5薄膜绝缘层；在Ta2O5薄膜绝缘层上采用溅射工艺加工金属Pt薄膜功能层；在金属Pt薄膜功能层上采用溅射工艺加工Ta2O5薄膜保护层；在Ta2O5薄膜保护层上采用溅射工艺加工Al2O3薄膜保护层在Al2O3薄膜保护层上采用溅射工艺加工ZrB2-SiC薄膜保护层；在ZrB2-SiC薄膜保护层上采用溅射工艺加工Al2O3薄膜保护层，形成无源LC温度-转速复合传感器。
具体的，上述NiCrAlY薄膜缓冲层的制备方法为：首先，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水对轴承表面进行清洗，然后用氮气枪将表面水分吹干备用；然后，靶材选用成分为60wt％NiCr的NiCrAlY合金靶，调节参数至：工作气压：0.6Pa；溅射功率200W；溅射温度：450℃；溅射时长：60min；最后，溅射完成后，依次关闭气体、流量计、阀门及电源，并将轴承放入超声波室清洗，缓冲层制备完成。
上述Ta2O5薄膜绝缘层和Al2O3薄膜绝缘层的制备方法为：首先，将轴承依次用无水乙醇及丙酮进行超声清洗后烘干；其次，将靶材置于靶源处，清洁干燥后的轴承置于样品底座上，调节参数至：溅射室真空度2×10-3Pa，溅射功率为100W，溅射气压为0.6Pa，Ar:O2＝30:1，溅射时间为30min；然后，Ta靶材置于靶源处，调节参数至：溅射室的真空度为6×10- 4Pa，工作气压：0.6Pa，溅射功率：20W，Ar:O2＝2:1，溅射时间：60min，衬底温度为室温；最后，溅射完成后，取出轴承，将溅射室抽至真空，在超声波清洗室对溅射后的轴承保持架进行清洗。
上述金属Pt薄膜功能层的制备方法为：首先，将镀有绝缘层的轴承保持架置于超声波清洗室去除油污、灰尘等污渍，绝缘层洁净干燥后，在其表面涂抹光刻胶使均匀成膜，用丙酮溶液将待溅射表面的光刻胶擦拭干净，置于150℃的恒温箱内放置30min，去除胶内溶剂；其次，制备所需功能层图形掩膜版，置于待溅射的绝缘层表面上方，曝光灯照射掩膜版3-5s，使掩膜版的图形完整的转移到绝缘层表面；然后，将完成曝光的轴承置于100℃的恒温箱下静置1-2min，利用显影液使功能层图(LC谐振回路)形显现；再次，在真空度为3×10-3Pa，工作气压为0.6Pa的溅射条件下，在绝缘层表面按导电功能层图形溅射0.5μm厚的金属Pt薄膜；最后，薄膜溅射完成后，用丙酮溶液清洗轴承残留的光刻胶，再用去离子水清洗掉残留的丙酮溶液，功能层薄膜制备完成。
上述保护层(Ta2O5薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层、ZrB2-SiC薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层)的制备方法为：金属Pt薄膜功能层溅射完成后，对轴承进行清洁去除表面灰尘等污渍，清洁干燥后，在其表面依次溅射Ta2O5薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层、ZrB2-SiC薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层，其中Al2O3薄膜保护层的制备方法与Al2O3薄膜绝缘层的方法相同。
经上述方法制备成的无源LC温度-转速复合传感器中，NiCrAlY薄膜缓冲层1的厚度为1μm左右，具有良好的粘附性和相容性；Al2O3薄膜绝缘层、Ta2O5薄膜绝缘层的厚度为0.1μm，用于对金属Pt薄膜功能层与轴承保持架之间进行电气绝缘；金属Pt薄膜功能层的厚度为0.5μm，由耐高温金属材料Pt制成；Ta2O5薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层、ZrB2-SiC薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层的均为厚度为1μm。
实施例2：
本实施例提供了一种发动机轴承在线监测系统，如图2所示，包括实施例1的无源LC温度-转速复合传感器，还包括读取天线、信号调理电路、显示器。
其中，读取天线设置在发动机轴承的外圈上，读取天线与无源LC温度-转速复合传感器经电磁耦合方式进行无线通讯连接。
在上述读取天线的一种结构中，读取天线采用缓冲层、绝缘层、功能层、保护层制成，其与无源LC温度-转速复合传感器进行无线连接，与信号调理电路可以通过电缆连接，可以通过无线方式连接输送数据。
其中，读取天线与信号调理电路连接，信号调理电路内设有线性扫频激励源，线性扫频激励源经电感间的互感耦合为无源LC温度-转速复合传感器提供能量。如图2所示信号调理电路还包括环形器、滤波器、解调器、中控逻辑单元、分频电路、功率放大器、特征提取模块。
信号调理电路的工作原理是：读取天线输出至信号调理电路的信号经滤波、解调、放大及AD转换后，输入至中控逻辑单元，经解耦及干扰补偿后输出并显示温度特性曲线、转速特性曲线，
在线监测系统工作时，电感线圈随轴承转动时与读取天线的相对耦合位置发生周期性变化，导致耦合系数k及等效阻抗Zin发生变化，进而导致回波损耗信号S11改变，回波损耗信号S11通过信号调理电路处理进行初步处理后输出信号电压-时间的周期性变化，再经IMF分量筛选重构、特征提取、干扰补偿后分别输出温度和转速的特性曲线并在显示界面显示，以实现对发动机轴承温度-转速参数无线在线监测。
实施例3：
本实施例提供了一种发动机轴承在线监测方法，采用实施例2的发动机轴承在线监测系统对发动机轴承在不同工况下的工作情况进行监控。
在线监测方法包括以下步骤：
首先，无源LC温度-转速复合传感器实时采集发动机轴承温度信号和转速信号；
其次，读取天线与无源LC温度-转速复合传感器通过电磁耦合无线传输方式通讯连接，获取无源LC温度-转速复合传感器采集的初始采集信号，读取天线获取的初始采集信号的曲线图如图2所示；
最后，读取天线输出初始采集信号至信号调理电路进行处理，获得发动机轴承的温度特性曲线和转速特征曲线。具的体，信号调理电路是基于IMF分量筛选重构方法对初始采集信号处理，获得温度初级特性曲线和转速初级特性曲线。同时，信号调理电路是基于EMD特征提取方法，分别对温度初级特性曲线、转速初级特性曲线进行特征提取，输出发动机轴承的温度特性曲线、转速特征曲线，输出的温度特性曲线、转速特征曲线如图3所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种无源LC温度-转速复合传感器，其特征在于：无源LC温度-转速复合传感器设置在发动机轴承的内圈表面，用于发动机轴承温度信号和转速信号的实时采集；
所述无源LC温度-转速复合传感器包括沿发动机轴承的内圈至外圈依次设置的NiCrAlY薄膜缓冲层、Al2O3薄膜绝缘层、Ta2O5薄膜绝缘层、金属Pt薄膜功能层、Ta2O5薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层、ZrB2-SiC薄膜保护层、Al2O3薄膜保护层；所述金属Pt薄膜功能层内设有LC谐振回路，所述LC谐振回路由等效为电感线圈与寄生电容串联形成。
2.根据权利要求1所述的无源LC温度-转速复合传感器，其特征在于：所述NiCrAlY薄膜缓冲层的材料与发动机轴承的内圈材料相同，且所述NiCrAlY薄膜缓冲层经溅射工艺固定在发动机轴承的内圈表面。
3.根据权利要求1所述的无源LC温度-转速复合传感器，其特征在于：所述无源LC温度-转速复合传感器与位于发动机轴承的外圈的读取天线经电磁耦合方式进行无线通讯连接；
所述读取天线与信号调理电路连接，所述信号调理电路内设有线性扫频激励源，所述线性扫频激励源经电感间的互感耦合为无源LC温度-转速复合传感器提供能量。
4.根据权利要求1所述的无源LC温度-转速复合传感器，其特征在于：所述无源LC温度-转速复合传感器制备方法为：
在发动机轴承的内圈表面采用溅射工艺加工NiCrAlY薄膜缓冲层；
在NiCrAlY薄膜缓冲层上采用溅射工艺加工Al2O3薄膜绝缘层；
在Al2O3薄膜绝缘层上采用溅射工艺加工Ta2O5薄膜绝缘层；
在Ta2O5薄膜绝缘层上采用溅射工艺加工金属Pt薄膜功能层；
在金属Pt薄膜功能层上采用溅射工艺加工Ta2O5薄膜保护层；
在Ta2O5薄膜保护层上采用溅射工艺加工Al2O3薄膜保护层
在Al2O3薄膜保护层上采用溅射工艺加工ZrB2-SiC薄膜保护层；
在ZrB2-SiC薄膜保护层上采用溅射工艺加工Al2O3薄膜保护层，形成无源LC温度-转速复合传感器。
5.根据权利要求4所述的无源LC温度-转速复合传感器，其特征在于：NiCrAlY薄膜缓冲层中，靶材为含有60wt％NiCr的NiCrAlY合金，溅射工艺参数为工作气压0.6Pa、溅射功率200W、溅射温度450℃，溅射时长为60min。
6.根据权利要求5所述的无源LC温度-转速复合传感器，其特征在于：Al2O3薄膜绝缘层的靶材为金属Al，溅射工艺参数为真空度2×10-3Pa、溅射功率100W、工作气压0.6Pa，溅射气体Ar：O2为30:1，溅射时间为30min；
Ta2O5薄膜绝缘层的靶材为金属Ta，溅射工艺参数为真空度6×10-4Pa、工作气压0.6Pa、溅射功率20W、溅射气体Ar：O2为2:1，溅射时间为60min。
7.根据权利要求6所述的无源LC温度-转速复合传感器，其特征在于：所述无源LC温度-转速复合传感器中，金属Pt薄膜功能层的溅射靶材为耐高温金属Pt，溅射工艺参数为真空度为3×10-3Pa、工作气压为0.5Pa、溅射气体Ar。
8.一种发动机轴承在线监测方法，其特征在于：采用权利要求1～7中任一项所述的无源LC温度-转速复合传感器实时采集发动机轴承温度信号和转速信号，经电磁耦合无线传输方式至读取天线获得初始采集信号；读取天线输出初始采集信号至信号调理电路进行处理，获得发动机轴承的温度特性曲线和转速特征曲线。
9.根据权利要求8所述的发动机轴承在线监测方法，其特征在于：信号调理电路是基于IMF分量筛选重构方法对初始采集信号处理，获得温度初级特性曲线和转速初级特性曲线。
10.根据权利要求9所述的发动机轴承在线监测方法，其特征在于：信号调理电路是基于EMD特征提取方法，分别对温度初级特性曲线、转速初级特性曲线进行特征提取，输出发动机轴承的温度特性曲线、转速特征曲线。
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