工業(yè)CT在航空機(jī)載傳感器可靠性提升中的應(yīng)用

徐留根， 彭春增， 全建龍， 趙 鵬

(蘇州長風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151)

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工業(yè)CT在航空機(jī)載傳感器可靠性提升中的應(yīng)用

徐留根， 彭春增， 全建龍， 趙 鵬

(蘇州長風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151)

利用工業(yè)CT技術(shù)對某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的總溫傳感器故障件進(jìn)行了檢測，從而無損、高效、準(zhǔn)確地檢測到故障點(diǎn)，并利用其提供的傳感器內(nèi)部信息對故障原因進(jìn)行了分析，采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性，表明該型傳感器的可靠性得到了顯著提高。因此，工業(yè)CT為機(jī)載傳感器的故障檢測提供了一種行之有效的新途徑、新思路，可以在其可靠性提升上推廣應(yīng)用。

工業(yè)CT； 機(jī)載傳感器； 故障檢測； 可靠性

0 引 言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)正朝著高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展]，其上愈加惡劣的工作環(huán)境不可避免地對數(shù)控系統(tǒng)中傳感器的穩(wěn)定工作產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致傳感器故障發(fā)生，進(jìn)而干擾控制系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降]。因此，提高傳感器的可靠性對發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠工作極為重要。通過對傳感器故障件的科學(xué)診斷，探索其失效機(jī)理，將有利于傳感器的迭代設(shè)計(jì)，進(jìn)而不斷提升可靠性。傳統(tǒng)的傳感器故障檢測方法存在下列局限性: 1)無損檢測時(shí)，一般采用X射線機(jī)，僅適用于對傳感器的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，非金屬部分無法清晰顯現(xiàn)。且一般只能二維成像，無法三維立體顯示。2)破壞性觀察。對故障件進(jìn)行分解以查找故障點(diǎn)，容易造成故障點(diǎn)在分解過程中被破壞而無法定位。

工業(yè)CT技術(shù)能清晰、直觀、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)被檢測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)(包括金屬及非金屬部分的三維信息可視化)、密度變化以及缺陷的性質(zhì)、位置和大小。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用7〗。工業(yè)CT的上述特點(diǎn)，使其成為傳感器故障無損、準(zhǔn)確、高效和全方位檢測行之有效的手段之一，對傳感器可靠性的提升具有重要作用。

本文針對某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的高壓壓氣機(jī)進(jìn)口總溫傳感器的故障現(xiàn)象，利用工業(yè)CT技術(shù)對其進(jìn)行了無損檢測，從而快速、準(zhǔn)確地定位到故障點(diǎn)，并利用其提供的傳感器內(nèi)部信息對故障原因進(jìn)行了分析，采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性，結(jié)果表明該傳感器的可靠性得到了顯著提高。

1 故障描述

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的高壓壓氣機(jī)進(jìn)口總溫傳感器(以下簡稱“傳感器”)，為鎧裝薄膜鉑電阻式溫度傳感器。其核心部件為感溫元件，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由不銹鋼外殼、薄膜鉑電阻、轉(zhuǎn)接導(dǎo)線、墊塊等組成，其中薄膜鉑電阻的引線與轉(zhuǎn)接導(dǎo)線采用火焰硬釬焊連接。

傳感器的故障為在使用過程中，出現(xiàn)輸出跳變。根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以推斷傳感器內(nèi)部存在接觸不良現(xiàn)象。但受制于前期的故障檢測手段，始終未能準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)，無法對傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝上的改進(jìn)，嚴(yán)重影響了傳感器的可靠性提升。

圖1 感溫元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of temperature-sensing element

2 CT故障定位

2.1 檢測設(shè)備與試驗(yàn)條件

傳感器故障件檢測設(shè)備采用的是通用電氣公司(GE)生產(chǎn)的X射線高分辨率微焦點(diǎn)工業(yè)CT系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備180 kV微焦點(diǎn)定向式X射線管，細(xì)節(jié)分辨能力可達(dá)1 μm；高對比度的14位數(shù)字平板式探測器，分辨率(像素大小) 200 μm×200 μm。系統(tǒng)可以獲得各種大小試件的高精度3D信息。

試驗(yàn)時(shí)，利用微焦點(diǎn)錐束CT對傳感器故障件進(jìn)行檢測。為獲得高分辨率CT圖像，微焦點(diǎn)X射線源采用了低功率以獲得更小的焦點(diǎn)尺寸，調(diào)節(jié)射線源至故障件的距離以實(shí)現(xiàn)高比例放大成像。故障件斷層掃描間距為0.05 mm，通過計(jì)算機(jī)斷層掃描后，利用CT數(shù)據(jù)采集和圖像重建軟件得到故障件特定的截面圖像。

2.2 檢測結(jié)果與分析

工業(yè)CT是基于不同密度的物質(zhì)對X射線的衰減系數(shù)不同，從而在重構(gòu)圖像中顯示不同的灰度差異，進(jìn)而分辨不同的物質(zhì)。因此，傳感器內(nèi)部的金屬部分(如鉑電阻引線、導(dǎo)線)、非金屬部分(如熱縮套管、膠黏劑)及空腔能很好的區(qū)分開來。

圖2是傳感器故障件的感溫元件部位在某一深度處的CT縱向二維切片圖像。從圖中可以明顯地看到鉑電阻引線與轉(zhuǎn)接導(dǎo)線的焊點(diǎn)，以及在焊點(diǎn)根部的多股轉(zhuǎn)接導(dǎo)線上出現(xiàn)了一個(gè)斷點(diǎn)。由于未對故障件進(jìn)行任何破壞性的觀察，因此可以確定該斷點(diǎn)是在工作過程中形成的。并且從圖中可以看出多股轉(zhuǎn)接導(dǎo)線呈松散狀態(tài)。

圖2 感溫元件CT縱向切片圖Fig 2 CT image of longitudinal section of temperature-sensing element

圖3是傳感器故障件的感溫元件部位在上述斷點(diǎn)附近的CT橫向二維切片圖像。從圖中可以看出轉(zhuǎn)接導(dǎo)線在感溫元件內(nèi)的分布以及其周邊的灌膠狀況。該圖同樣顯示出轉(zhuǎn)接導(dǎo)線比較松散，部分小股線束已經(jīng)斷裂。此外，圖像中明顯有多處面積較大、顏色較深的部分(例如圖中用白線圈出的區(qū)域)，說明轉(zhuǎn)接導(dǎo)線周邊的灌膠不充分，有氣泡、空腔存在。

圖3 感溫元件CT橫向切片圖Fig 3 CT image of cross section of temperature-sensing element

通過對圖2和圖3的上述分析可知，傳感器的故障點(diǎn)位于薄膜鉑電阻引線與轉(zhuǎn)接導(dǎo)線焊接點(diǎn)的根部，為轉(zhuǎn)接導(dǎo)線斷裂。通過進(jìn)一步試驗(yàn)排除了鉑電阻引線與轉(zhuǎn)接導(dǎo)線的火焰硬釬焊對導(dǎo)線強(qiáng)度的影響。因此，可以確定感溫元件內(nèi)的膠黏劑灌封不充分是導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂的主要原因。在灌膠不充分的情況下，導(dǎo)線處于懸空狀態(tài)，在使用過程中受振動(dòng)作用發(fā)生晃動(dòng)而發(fā)生疲勞斷裂，導(dǎo)致接觸不良，從而造成傳感器輸出跳變。值得一提的是感溫元件為手動(dòng)灌膠，在生產(chǎn)過程中，來回推拉導(dǎo)線，造成多股導(dǎo)線松散，也是其發(fā)生斷裂的不利因素之一。

3 改進(jìn)措施

針對上述故障原因，為避免感溫元件內(nèi)手動(dòng)灌膠造成灌膠不充分，一致性差、多股導(dǎo)線松散等缺陷，對感溫元件內(nèi)的灌膠工藝進(jìn)行了改進(jìn)。設(shè)計(jì)了自動(dòng)灌膠系統(tǒng)，并明確灌膠壓力和灌膠時(shí)間等工藝參數(shù)。該系統(tǒng)主要由精密點(diǎn)膠機(jī)和灌膠夾具兩部分組成，可以實(shí)現(xiàn)快速拆裝、控制打壓壓力，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)可以保證感溫元件灌膠的一致性。

4 可靠性提升驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性，判斷傳感器在改進(jìn)灌膠工藝后，其可靠性是否得到大幅提升，不同操作人員利用自動(dòng)灌膠系統(tǒng)分批制備了20只感溫元件，并將其裝配成完整產(chǎn)品。最后對上述20只產(chǎn)品進(jìn)行了溫度沖擊、耐久振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)。其中耐久振動(dòng)按正常試驗(yàn)時(shí)間的2倍進(jìn)行，并同時(shí)施加溫度應(yīng)力。振動(dòng)試驗(yàn)全程監(jiān)控傳感器輸出電阻，未出現(xiàn)跳變現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)束后，檢查試驗(yàn)件外觀并測試性能，未出現(xiàn)異常，均滿足使用要求。同時(shí)利用工業(yè)CT(檢測設(shè)備與試驗(yàn)條件同上)對試驗(yàn)件進(jìn)行了無損檢測。圖4是試驗(yàn)后感溫元件內(nèi)鉑電阻引線與轉(zhuǎn)接導(dǎo)線的CT三維圖像。從中可以清晰、直觀地看到兩者完好無損，導(dǎo)線呈自然松弛狀態(tài)。

目前，改進(jìn)灌膠工藝后的傳感器已大量生產(chǎn)并裝配發(fā)動(dòng)機(jī)使用，傳感器在外場的故障率顯著下降。由此可見，改進(jìn)措施是合理有效的，傳感器的可靠性有了顯著提升。

圖4 試驗(yàn)后鉑電阻引線與轉(zhuǎn)接導(dǎo)線的CT三維圖像Fig 4 3D CT image of platinum resistance leads and connecting wires after testing

將工業(yè)CT技術(shù)全面推廣應(yīng)用至其他各型航空機(jī)載傳感器，實(shí)現(xiàn)對故障件故障點(diǎn)及產(chǎn)品出廠前狀態(tài)的無損檢測，取得了理想效果。以外場返回故障件的檢測為例，據(jù)公司質(zhì)量信息管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，在使用工業(yè)CT技術(shù)后故障件故障點(diǎn)的準(zhǔn)確檢測率有了顯著提高，具體見表1。通過對故障件故障點(diǎn)的高準(zhǔn)確率定位，充分暴露產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝缺陷，為后續(xù)產(chǎn)品的改進(jìn)提供依據(jù)，從而不斷提高產(chǎn)品的可靠性。

表1 故障點(diǎn)檢測情況統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié) 論

本文利用工業(yè)CT對航空機(jī)載傳感器故障件進(jìn)行了無損檢測。結(jié)果表明:通過工業(yè)CT技術(shù)可以高效、準(zhǔn)確地確定故障點(diǎn)，并獲得清晰、直觀的傳感器內(nèi)部二維、三維信息。從而為傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)和方向，因而在傳感器的可靠性提升上有重要的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。

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Applications of industrial CT in reliability improvement of airborne sensors

XU Liu-gen， PENG Chun-zeng， QUAN Jian-long， ZHAO Peng

(Suzhou Changfeng Avionics Corporation Limited，Suzhou 215151，China)

Industrial CT technology is used to detect faults of total temperature sensor in a certain type of digital aeroengine control systems,and the fault point is non-destructively,efficiently and accurately detected.The reason causes fault are analyzed according to internal information of sensor provided by CT,and corresponding improvement measures are taken.Effectiveness of the improved measure is verified by environmental test,which shows that reliability of sensor is improved significantly.So the industrial CT provides an effective new way for fault detection of airborne sensors,which can be used in promotion of its reliability.

industrial CT； airborne sensors； fault detection； reliability

2016—01—04

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0158—03

TP 212.1

A

1000—9787(2016)10—0158—03

徐留根(1982-)，男，江蘇丹陽人，高級工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)研究與應(yīng)用。