耐高温转速传感器设计

姜 晶， 张 宪， 李宝生， 牛 薇

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

航空发动机多采用涡轮泵燃料供给系统，它是一种高温、高速旋转的机械装置[1]。通过监测、控制涡轮泵的转速来控制燃料注入的时机、注入量的多少，最终达到控制飞行器速度的目的[2]。它的工作状态始终处在高温和振动的恶劣环境中，不同于一般的旋转机械，对测量其旋转特性的传感器提出了极高的要求[3]。因此,对用于监测发动机转速的传感器就必须能够耐受承受恶劣的工作环境，若发动机转速异常，将会引起灾难性的后果[4]。本文设计了一种基于电涡流原理耐高温的转速传感器，对高温敏感测量端进行了仿真设计和热应力计算，通过软硬件设计消除了高温区带来阻抗变化的干扰，并通过了传感器的高温试验，同时对试验数据进行了分析。

1 传感器测量敏感端设计

转速传感器是通过敏感端与测量端面之间的相对位置变化实现对旋转体速度的测量[5]。针对转速传感器高温工作环境的实际需求，敏感元件采用高温陶瓷烧结工艺制备成三维螺旋敏感结构。敏感端的基柱选用99氧化铝陶瓷，外壳采用可伐合金，既保证了探头的机械强度又提高了耐高温特性；陶瓷探头内部选用低电阻率、高熔点的高纯度银丝作为探头敏感材料，保证了探头在工作温度范围内具有低阻值、强信号及长期稳定特性。三维螺旋电感金属导体由两部分组成，一是陶瓷骨架，二是填充在陶瓷骨架中的金属导体。敏感元件整体结构如图1所示。

图1 敏感元件结构

2 敏感探头热应力分析

由于敏感探头是由金属和非金属组成的，它们之间的热膨胀系数不同，导致热应力的产生。产品的核心元件采用陶瓷基底，其热膨胀系数为7.5×10-6/℃，为减小热应力，陶瓷固件周围均采用与陶瓷件热膨胀系数相近的可伐合金，其热膨胀系数为6.8×10-6/℃。核心部件立体模型的热应力分布云图如图2所示，根据分布云图可知，应力最大点发生在陶瓷挡板与可伐合金之间，陶瓷挡板热应力最大热应力为131 MPa，小于其许用应力(290 MPa)。

图2 热应力分布云

3 传感器的电路设计

3.1 总体设计

根据传感器实际使用需求，电路需要采集转子转动的速度，将频率信号转换成电压信号。其系统的硬件电路如图3所示。

图3 硬件电路

3.2 激励电路设计

正弦激励电路采用富兰克林振荡电路，它采用LC振荡原理，可以提供稳定性高的振荡电路，其电路设计简单，相位旋转量小，容易产生振荡。其原理图如图4所示。

图4 富兰克林振荡电路电路原理图

3.3 滤波电源设计

供电部分采用隔离电源，将传感器内部工作电路电源与外部供电电路电源隔离，并在隔离电源前增加了滤波器，滤波器的额定电压和线间耐电压主要由差模电容的额定电压决定，线间最大工作电压为5 V，差模电容额定工作电压应该大于5 V，同时采用漆包圆绕组线绕制在陶瓷基板上，这样共模电感器可将电感在工作中产生的热量通过陶瓷基板传导耗散。此设计既保护传感器和外部电源系统，同时也杜绝了供电线和地线上带来的干扰。电源隔离部分原理如图5所示。

图5 电源隔离部分

3.4 电路仿真计算

利用multisim对激励电路进行仿真，仿真原理如图6所示，对激励电路施加正弦波后，通过更改电感值来观察输出波形的变化，来体现涡流能量反射的影响。在同一频率的正弦波激励下，当电感的变化量由上到下依次由1.6 μH减小到0.5 μH，其峰峰值是逐渐降低的，当电感值越大时，感应信号的能量也越大，因此,敏感探头的电感值对传感器的灵敏度是至关重要的。

图6 激励电路

由于敏感端的金属线圈特性可知，随着温度的增加其等效阻抗也在增大，这样会增加检测电路负担，因此需要通过变阻抗设计，削弱电阻变化对其影响。本设计通过采用自适应载波检波电路对衰减后的信号进行传输、去噪、信号提取，实现百倍载波与信号信噪比高动态信号识别提取，其传输信号如图7所示。

图7 传输信号

4 试验结果与分析

本试验采用550 ℃的转速测量箱作为实验设备，将陶瓷金属一体化探头作为转速测量敏感元件，在0～550 ℃的范围内，设立10个验证点，对比从低温到高位金属线圈的金属线圈等效电阻随温度变化情况，电阻变化趋势如图8所示。从实验的结果可知，升温过程中的阻抗变化率满足设计要求。

图8 等效电阻随温度变化的关系曲线

将满足设计要求的敏感测量探头安装至距离被测齿轮1 mm处，测试温度550 ℃，在0～10 000 r/min的范围内，每隔1 000 r/min建立一个验证点，其测试数据如表1所示。

通过实验测试数据可知，输出值和理论值的精度可以控制在1 %以内，与国外同类产品指标相当，满足高温转速实际测量需求。

5 结 论

本设计符合在高温状态下对转速测量的精度需求，可以替代磁电式转速传感器在高温测量转速时，由于芯体消磁带来的测量精度降低的实际问题。根据此工艺设计的传感器可在高温状态下长期稳定工作的特点，且抗干扰能力强，响应速度快，可靠性高等特点，提高高温传感器的测量水平，打破国外先进国家在高端传感器方面对我国的技术封锁。

表1 测试数据