CN116086546A - 一种温度与力学参数实时原位同测的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种温度与力学参数实时原位同测的装置及方法，涉及温度与力学参数检测技术领域。本发明通过采用植入有全量程温‑振复合参数补偿解耦方法的处理模块对带有温度补偿的电荷型振动传感模块和温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块进行控制，能够实现变温度环境下的振动信号检测，并且，通过设置带有温度补偿的电荷型振动传感模块能够在高温、狭小、密闭等环境下实现静部件温、振多参数测试，同时温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块实现高温、高旋环境中动部件的健康监测，进而能够克服现有技术中存在的工作温度低、体积大、高温焊点互联难、复合环境多参数互扰等问题。

Description

一种温度与力学参数实时原位同测的装置及方法
技术领域
本发明涉及温度与力学参数检测技术领域，特别是涉及一种温度与力学参数实时原位同测的装置及方法。
背景技术
在航空领域研究过程中航空飞机的飞行安全是至关重要的一环，而航空发动机是影响飞机飞行状态的重要问题之一。航空发动机经常在高温、高速、高旋等复杂恶劣条件下工作，高速摩擦气动热效应致使其发动机表面振动加剧，涡轮叶片出现裂痕甚至折断，从而破坏设备的正常运行状况，温度急剧升高，会降低发动机的工作效率及测量精度，甚至缩短设备的使用寿命。而且在长时间的飞行过程中，翼、舵或者金属外壳等部件会发生剧烈振动。高温环境下的振动非常复杂，其中含有金属构件的部分会发生刚度降低，振动特性发生变化。因此需要振动传感器通过检测振动频率、振幅等技术参数，分析观察各项参数，以确定装置、元件等能否保持在正常工作状态。
现有技术中，目前对温度振动复合振动传感器的研究已经相对成熟，但大多适用于中低温测试场合，但是对于在600℃以上的温度环境中温度、振动复合参数测试的研究较少。
高温振动传感器，是利用耐高温压电材料的压电效应，将输入的振动信号转换为电信号输出。具有自发电、工作温度高、体积小、可靠性高等优点，是航空发动机振动测量传感器的首选。但在高温环境下，随着温度升高，振动传感器的灵敏度均出现随温度升高而变化的现象，从而影响振动测量精度，无法真实反应航空发动机高温振动特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度与力学参数实时原位同测的装置及方法，能够实时精确监测发动机的运行状态，并且能够在高温、狭小、密闭等环境下实现静部件温、振多参数测试的同时，实现高温、高旋环境中动部件的健康监测，进而能够克服现有技术中存在的工作温度低、体积大、高温焊点互联难、复合环境多参数互扰等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种温度与力学参数实时原位同测的装置，包括：带有温度补偿的电荷型振动传感模块、温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块和处理模块；
所述带有温度补偿的电荷型振动传感模块和所述温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块均与所述处理模块连接；
所述处理模块中植入有全量程温-振复合参数补偿解耦方法。
可选地，所述带有温度补偿的电荷型振动传感模块包括：带有温度补偿的电荷型振动传感器和多个热电偶；
所述热电偶设置在所述带有温度补偿的电荷型振动传感器上；所述带有温度补偿的电荷型振动传感器与所述处理模块连接；
所述带有温度补偿的电荷型振动传感器包括：支撑基座、多个第一质量块；
所述支撑基座包括支撑棱柱和底座；所述支撑棱柱与所述底座为一体化设置和多个压电基片；
多个所述第一质量块分别设置在所述支撑棱柱的棱面上；
所述热电偶设置在所述第一质量块上；
所述第一质量块上设置有凹槽；所述凹槽中设置有预紧环；所述预紧环将所述压电基片固定在所述第一质量块和所述支撑棱柱的棱面之间。
可选地，所述第一质量块为半圆柱形；所述支撑棱柱为三角剪切形；所述第一质量块的矩形面与所述支撑棱柱的棱面匹配设置。
可选地，所述带有温度补偿的电荷型振动传感器还包括：传感器外壳和传感器封装底盖；
所述底座固定设置在所述传感器封装底盖上；所述传感器封装底盖与所述传感器外壳匹配安装。
可选地，所述热电偶包括：Pt/Rh电极、Pt电极和高温补偿导线；
所述Pt/Rh电极和Pt电极均设置在所述第一质量块的表面上；所述Pt/Rh电极和Pt电极均与所述高温补偿导线连接；所述高温补偿导线与所述处理模块连接；
所述第一质量块上设置有通孔和弯钩；
所述高温补偿导线穿过所述通孔后缠绕在所述弯钩上。
可选地，所述温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块包括：温度/振动共面集成声表面波传感器和封装外壳；
温度/振动共面集成声表面波传感器包括：温度敏感单元、压力敏感单元、压电悬臂梁、悬臂梁固定基座和第二质量块；
所述压电悬臂梁的一端为固定端，所述固定端固定在所述悬臂梁固定基座上；所述压电悬臂梁的另一端为自由端，所述自由端上设置有所述第二质量块；所述温度敏感单元设置在所述固定端；所述压力敏感单元设置在所述固定端和所述自由端间应力最大的位置处；所述封装外壳上设置有倒F锯齿形天线。
可选地，所述全量程温-振复合参数补偿解耦方法的执行步骤包括：
基于传感模块的输出变化量和检测得到的振动量确定传感模块在温度T下的灵敏度；所述传感模块为带有温度补偿的电荷型振动传感模块或温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块；
确定传感模块只受温度影响时的相对变化量以及传感模块受温度和振动双重影响时的变化输出量；
基于传感模块只受温度影响时的相对变化量、传感模块受温度和振动双重影响时的变化输出量、所述灵敏度和实时监测得到的振动量确定传感模块的输出量。
一种上述提供的带有温度补偿的电荷型振动传感模块。
一种上述提供的温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块。
一种上述提供的全量程温-振复合参数补偿解耦方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的温度与力学参数实时原位同测的装置及方法，通过采用植入有全量程温-振复合参数补偿解耦方法的处理模块对带有温度补偿的电荷型振动传感模块和温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块进行控制，能够实现变温度环境下的振动信号检测，并且，通过设置带有温度补偿的电荷型振动传感器能够在高温、狭小、密闭等环境下实现静部件温、振多参数测试，同时温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块实现高温、高旋环境中动部件的健康监测，进而能够克服现有技术中存在的工作温度低、体积大、高温焊点互联难、复合环境多参数互扰等问题。
附图说明
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，下面将对实施例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的一些实施例，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为本发明提供的温度与力学参数实时原位同测的装置的结构示意图；
图2为本发明提供的带有温度补偿的电荷型振动传感模块的正视图；
图3为本发明提供的带有温度补偿的电荷型振动传感器的结构示意图；
图4为本发明提供的第一质量块和热电偶的结构示意图；
图5为本发明提供的第一质量块上通孔和弯钩的位置设置示意图；
图6为本发明提供的传感器封装底盖的平面示意图；
图7为本发明提供的传感器封装底盖的侧视图；
图8为本发明提供的温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块的结构示意图；
图9为本发明提供的温度/振动共面集成声表面波传感器的结构示意图；
图10为本发明提供的全量程温-振复合参数补偿解耦方法应用的技术路线图。
符号说明：
1-传感器外壳，2-传感器封装底盖，3-支撑基座，4-第一质量块，5-压电基片，6-凹槽，7-通孔，8-弯钩，9-沉头孔，10-通孔，11-热电偶，12-Pt/Rh电极，13-Pt电极，14-第一电极，15-第二电极，16-第一质量块的曲表面，17-螺栓，18-温度/振动共面集成声表面波传感器，19-倒F锯齿形天线，20-温度敏感单元，21-压力敏感单元，22-压电悬臂梁，23-悬臂梁固定基座，24-第二质量块，25-封装外壳，26-馈电端口，27-接地端口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种温度与力学参数实时原位同测的装置及方法，能够实时精确监测发动机的运行状态，并且能够在高温、狭小、密闭等环境下实现静部件温、振多参数测试的同时，实现高温、高旋环境中动部件的健康监测，进而能够克服现有技术中存在的工作温度低、体积大、高温焊点互联难、复合环境多参数互扰等问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的温度与力学参数实时原位同测的装置，包括：带有温度补偿的电荷型振动传感模块、温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块和处理模块。
带有温度补偿的电荷型振动传感模块和温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块均与处理模块连接。
处理模块中植入有全量程温-振复合参数补偿解耦方法。
本发明采用带有温度补偿的电荷型振动传感模块包括：带有温度补偿的电荷型振动传感器和多个热电偶11。
热电偶11设置在带有温度补偿的电荷型振动传感器上。带有温度补偿的电荷型振动传感器与处理模块连接。
其中，如图1-图3所示，带有温度补偿的电荷型振动传感器包括：支撑基座3、多个第一质量块4、传感器外壳1、传感器封装底盖2和压电基片5。
支撑基座3包括支撑棱柱和底座。支撑棱柱与底座为一体化设置。
多个第一质量块4分别设置在支撑棱柱的棱面上。第一质量块4上设置有凹槽6。凹槽6中设置有预紧环。预紧环将压电基片5固定在第一质量块4和支撑棱柱的棱面之间。直接采用压电基片5制备带有温度补偿的电荷型振动传感模块，不仅避免了出现热膨胀系数失配的问题，也避免了金属电极在超过600℃以上的高温环境中出现龟裂、脱落等问题。
热电偶11设置在第一质量块4上。
底座固定设置在传感器封装底盖2上。传感器封装底盖2与传感器外壳1匹配安装。
为了提高振动检测的精确性和稳定性，本发明设置第一质量块4为半圆柱形。支撑棱柱为三角剪切形，具有高稳定性、高灵敏度、小尺寸等优点。第一质量块4的矩形面与支撑棱柱的棱面匹配设置。
基于上述第一质量块4和支撑棱柱形状的设置，本发明中，热电偶11设置为曲面形状，以便贴合设置在第一质量块4的曲表面上。基于此，如图4所示，热电偶11包括：Pt/Rh电极12、Pt电极13和高温补偿导线。
Pt/Rh电极12和Pt电极13均设置在第一质量块4的表面上。Pt/Rh电极12和Pt电极13均与高温补偿导线连接。高温补偿导线与处理模块连接。
进一步，常规的高温焊点采用的是金属浆料、或者高温导电胶，这些在高温环境下不稳定，且高温下会引起热膨胀系数不匹配，从而影响测试结果。为解决这一技术问题，如图5所示，本发明在第一质量块4上设置有通孔7和弯钩8。使用时，将高温补偿导线插入第一质量块4的通孔7中，然后将后面的线缠绕在第一质量块4的弯钩8上，以免导线脱落。基于本发明设置的这一机械微结构，能够代替金属浆料/高温导电胶，进而有效避免出现高温环境下热膨胀系数不匹配的问题，提高高温工作的稳定性。
进一步，传感器外壳1、支撑基座3、第一质量块4、传感器封装底盖2的材料均为耐高温金属合金材料。
进一步，为减少使用面积、减少固定安装程序，不破坏被测件的机械结构，本发明将热电偶11以薄膜形式直接沉积于第一质量块4的曲表面16上，具体的，这一曲面热电偶的制备方法包括如下步骤：
步骤一、采用等离子喷涂法将第一质量块4的曲表面16上制备一层过渡层，然后多次采用等离子喷涂法在过渡层表面喷涂热阻层。为避免热阻层在高温环境下绝缘性能差的问题，采用溶胶凝胶法在热阻层表面沉积金属氧化物绝缘层：首先在150℃下干燥5分钟，然后在450℃下干燥5分钟，最后在600℃下退火5分钟。多次重复本步骤，得到金属氧化物绝缘层，以在第一质量块4的曲表面16上形成绝缘性能。
步骤二、采用丝网印刷在曲面形成薄膜热电偶。采用丝网板进行丝网印刷：首先用无水乙醇擦拭丝网印刷板和刮刀，将合金切片与丝网板沿同一方向固定，刮板缓慢移动。印刷后，取出筛板，将第一质量块4置于125℃的管式炉中15分钟，得到干燥的Pt电极13。使用同样的方法获得干燥的Pt/Rh电极12。印刷后，将第一质量块4在1100℃下保持2h，并自然冷却至室温。
步骤三、采用高温导电胶将热电偶的第一电极14和第二电极15与耐高温导线连接。
将带有温度补偿的电荷型振动传感模块通过M5的螺栓17固定在传感器封装底盖2（如图6和图7所示）。然后将传感器封装底盖2和传感器外壳1安装，形成带有温度补偿的电荷型振动传感模块。
带有温度补偿的电荷型振动传感模块通过封装外壳25的通孔10和沉头孔9固定在表面平坦、粗糙度小于0.1mm的表面。
基于上述设置，本发明采用带有温度补偿的电荷型振动传感模块具有耐磨、耐压、抗热冲击等优点，可以实现静部件在高温环境下的振动监测。
进一步，如图8所示，温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块包括：温度/振动共面集成声表面波传感器18和封装外壳25。
如图8和图9所示，温度/振动共面集成声表面波传感器18包括：温度敏感单元20、压力敏感单元21、压电悬臂梁22、悬臂梁固定基座23和第二质量块24。
压电悬臂梁22的一端为固定端，固定端固定在悬臂梁固定基座23上。压电悬臂梁22的另一端为自由端，自由端上设置有第二质量块24。温度敏感单元20设置在固定端。压力敏感单元21设置在固定端和自由端间应力最大的位置处。封装外壳25上设置有倒F锯齿形天线19。
在本发明中，上述的封装外壳25采用全陶瓷结构。在实际应用过程中，利用陶瓷微组装工艺，在封装外壳25上表面形成两个通孔，通孔填充高温导电金属，分别作为倒F锯齿形天线19的馈电端口26和接地端口27。以及在馈电端口26和接地端口27与温度/振动共面集成声表面波传感器18的两点极端连接是利用丝网印刷技术在陶瓷封装外壳25的内壁形成连接导线，即倒F锯齿形天线19。
基于此，本发明提供的温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块设计及其制备方法相比于现有技术，体积大大缩小，能更方便的在复杂狭小的环境中进行动部件的无线监测，且便于批量生产。此外，倒F锯齿形天线19与温度/振动共面集成声表面波传感器18通过溅射耐高温金属层进行连接，解决高温焊点不稳定和高温导线互扰问题，可使该模块在高温环境中保持良好的稳定性。
基于上述描述，本发明采用的温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：首先将压电基片5在丙酮溶剂、乙醇溶液中进行超声清洗。然后匀胶（负性光刻胶）、光刻和显影，然后用强酸在压电基片5刻蚀出悬臂梁结构。
步骤二：在刻蚀好的压电悬臂梁22表面进行清洗，在表面沉积高温金属层，匀胶（正性光刻胶），光刻，显影，离子束刻蚀（IBE）使用轰击性粒子对没有光刻胶覆盖区域进行轰击、刻蚀，从而得到想要的温度/振动共面集成声表面波传感器18。
步骤三：采用丝网印刷在封装外壳25的上表面制备倒F锯齿形天线19。具体制备方式同曲面热电偶11制备方法中的步骤三。
相比于现有技术，经上述设置，能够大大缩小温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块的体积，便于在复杂狭小的环境中进行动部件的无线监测，且便于批量生产。此外，天线与传感器通过溅射耐高温金属层进行连接，解决高温焊点不稳定和高温导线互扰问题，可使温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块在高温环境中保持良好的稳定性。
上述提到的带有温度补偿的电荷型振动传感模块和温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块中，温度会同时影响温度、振动传感器，而且传感器的温漂会大于传感器在量程范围内振动引起的变化。因此，在实际温度、振动复合环境应用中，需要对上述两个传感器进行算法上的温度补偿解耦，以保证获取变温度环境下精确的振动信号。
基于此，本发明中处理模块植入的全量程温-振复合参数补偿解耦方法的执行步骤包括：
基于传感模块的输出变化量和检测得到的振动量确定传感模块在温度T下的灵敏度。传感模块为带有温度补偿的电荷型振动传感模块或温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块。
确定传感模块只受温度影响时的相对变化量以及传感模块受温度和振动双重影响时的变化输出量。
基于传感模块只受温度影响时的相对变化量、传感模块受温度和振动双重影响时的变化输出量、灵敏度和实时监测得到的振动量确定传感模块的输出量。
具体的，分析热-振影响特性曲线，建立可适用于上述两种传感模块的高温环境下共性的热-振耦合测量模型与解耦算法为：
温度系数为：（△k/△T）/k。其中，k为与生物学过程有关的反应速度常数，T为温度，△k为与生物学过程有关的反应速度常数变化量，△T为温度变化量。
传感模块在某一温度下的灵敏度可表示为：
。
其中，为在温度为T振动为v时传感模块输出变化量。
当传感模块只受温度影响时，传感模块相对变化可以表示如下公式所示。
（1）
式中，表示常温无振动时传感模块的参考振动量，表示常温无振动时传感模块的参考振动变化量。当传感模块受温度振动双重影响时的相对传感器输出量变化可以表示为：
（2）
式中，为在温度为T振动为v时传感模块的输出量。
传感模块只受振动影响时的传感器输出量变化可以由公式（2）减去公式（1）得到，表示为：
（3）
公式（1）和公式（2）中，根据温度系数(Δk/ΔT)k相同变换量得到传感器输出量为C：
（4）
因此，传感模块受到的补偿解耦后的振动量为：
。
基于上述描述，全量程温-振复合参数补偿解耦方法应用与上述提供的温度与力学参数实时原位同测的装置的技术路线如图10所示。
上述提到的温度补偿解耦方法适用于温度对器件的影响为单调性。本方法具有灵活适用性，可使传感器能在复杂环境下的使用。
此外，本发明上述提供的带有温度补偿的电荷型振动传感模块、温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块以及全量程温-振复合参数补偿解耦方法均可作为独立部分进行使用。
在适应过程中，可以将全量程温-振复合参数补偿解耦方法转换为计算机程序植入到存储器中。这一存储器中的计算机程序通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机、服务器或者网络设备等）执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种温度与力学参数实时原位同测的装置，其特征在于，包括：带有温度补偿的电荷型振动传感模块、温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块和处理模块；
所述带有温度补偿的电荷型振动传感模块和所述温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块均与所述处理模块连接；
所述处理模块中植入有全量程温-振复合参数补偿解耦方法。
2.根据权利要求1所述的温度与力学参数实时原位同测的装置，其特征在于，所述带有温度补偿的电荷型振动传感模块包括：带有温度补偿的电荷型振动传感器和多个热电偶；
所述热电偶设置在所述带有温度补偿的电荷型振动传感器上；所述带有温度补偿的电荷型振动传感器与所述处理模块连接；
所述带有温度补偿的电荷型振动传感器包括：支撑基座、多个第一质量块和多个压电基片；
所述支撑基座包括支撑棱柱和底座；所述支撑棱柱与所述底座为一体化设置；
多个所述第一质量块分别设置在所述支撑棱柱的棱面上；
所述热电偶设置在所述第一质量块上；
所述第一质量块上设置有凹槽；所述凹槽中设置有预紧环；所述预紧环将所述压电基片固定在所述第一质量块和所述支撑棱柱的棱面之间。
3.根据权利要求2所述的温度与力学参数实时原位同测的装置，其特征在于，所述第一质量块为半圆柱形；所述支撑棱柱为三角剪切形；所述第一质量块的矩形面与所述支撑棱柱的棱面匹配设置。
4.根据权利要求2所述的温度与力学参数实时原位同测的装置，其特征在于，所述带有温度补偿的电荷型振动传感器还包括：传感器外壳和传感器封装底盖；
所述底座固定设置在所述传感器封装底盖上；所述传感器封装底盖与所述传感器外壳匹配安装。
5.根据权利要求2所述的温度与力学参数实时原位同测的装置，其特征在于，所述热电偶包括：Pt/Rh电极、Pt电极和高温补偿导线；
所述Pt/Rh电极和Pt电极均设置在所述第一质量块的表面上；所述Pt/Rh电极和Pt电极均与所述高温补偿导线连接；所述高温补偿导线与所述处理模块连接；
所述第一质量块上设置有通孔和弯钩；
所述高温补偿导线穿过所述通孔后缠绕在所述弯钩上。
6.根据权利要求2所述的温度与力学参数实时原位同测的装置，其特征在于，所述温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块包括：温度/振动共面集成声表面波传感器和封装外壳；
温度/振动共面集成声表面波传感器包括：温度敏感单元、压力敏感单元、压电悬臂梁、悬臂梁固定基座和第二质量块；
所述压电悬臂梁的一端为固定端，所述固定端固定在所述悬臂梁固定基座上；所述压电悬臂梁的另一端为自由端，所述自由端上设置有所述第二质量块；所述温度敏感单元设置在所述固定端；所述压力敏感单元设置在所述固定端和所述自由端间应力最大的位置处；所述封装外壳上设置有倒F锯齿形天线。
7.根据权利要求1所述的温度与力学参数实时原位同测的装置，其特征在于，所述全量程温-振复合参数补偿解耦方法的执行步骤包括：
基于传感模块的输出变化量和检测得到的振动量确定传感模块在温度T下的灵敏度；所述传感模块为带有温度补偿的电荷型振动传感模块或温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块；
确定传感模块只受温度影响时的相对变化量以及传感模块受温度和振动双重影响时的变化输出量；
基于传感模块只受温度影响时的相对变化量、传感模块受温度和振动双重影响时的变化输出量、所述灵敏度和实时监测得到的振动量确定传感模块的输出量。
8.一种如权利要求1-5任意一项所述的带有温度补偿的电荷型振动传感模块。
9.一种如权利要求6所述的温度/振动共面集成的无线声表面波传感模块。
10.一种如权利要求7所述的全量程温-振复合参数补偿解耦方法。
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