磁電式轉(zhuǎn)速傳感器高溫絕緣性能提升研究

傅海波，彭 艷

（蘇州長風航空電子有限公司，江蘇 蘇州215151）

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)[1]，對監(jiān)控發(fā)動機運行狀態(tài)發(fā)揮著重要作用[2]。轉(zhuǎn)速傳感器利用電磁感應(yīng)原理[3-4]，將輸入的轉(zhuǎn)速頻率信號換成感應(yīng)電勢輸出，具有不需要外接供電電源、電路簡單、性能穩(wěn)定、輸出阻抗小等優(yōu)點[5-6]。

用于傳感器內(nèi)部灌封的非金屬材料是保證產(chǎn)品絕緣性能的重要組成部分。本文針對某型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器在試驗過程中發(fā)生的高溫絕緣不良故障，采用理論分析和仿真計算相結(jié)合的方法研究故障模式，定位故障原因，分析產(chǎn)品絕緣下降是否影響產(chǎn)品的使用性能，并提出提升傳感器高溫絕緣性能的改進措施，對提高傳感器可靠性具有重要意義。

1 故障定位及原因分析

1.1 故障現(xiàn)象

某型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器在進行高溫工作試驗時，250℃環(huán)境溫度下的高溫絕緣電阻超差：要求高溫絕緣電阻不小于2MΩ，傳感器兩組線圈繞組的實測值絕緣電阻分別為0.15MΩ和0.3MΩ，不滿足高溫絕緣性能要求。

1.2 故障定位

1.2.1 轉(zhuǎn)速傳感器測試端結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)速傳感器測試端由蓋（1）、線圈組合（2）、導(dǎo)磁板（3）、磁鐵（4）、外殼（5）、鐵芯（6）和導(dǎo)磁片（7）組成，通過兩組獨立的線圈繞組輸出兩組轉(zhuǎn)速信號，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器測試端結(jié)構(gòu)圖

1.2.2排故方案

針對傳感器高溫絕緣不良的故障現(xiàn)象制定分析方案和步驟，并按照排故步驟完成了以下工作：

（1）排查試驗批次傳感器的生產(chǎn)、裝配、試驗情況。

（2）驗證傳感器在230℃環(huán)境溫度下的高溫絕緣性能。

（3）測試傳感器在250℃環(huán)境下的高溫絕緣性能。

（4）進行故障原因定位及分析。

1.2.3 傳感器生產(chǎn)裝配檢驗過程排查

經(jīng)查，試驗抽取批次傳感器在裝配過程中對測試端進行了溫度應(yīng)力篩選試驗，包括5輪溫度沖擊和5輪溫度循環(huán)。溫度沖擊試驗條件為低溫－55℃±5℃、高溫250℃±5℃，高低溫轉(zhuǎn)換時間不大于5min，在最低和最高溫度點各保持30min，進行5次循環(huán)。溫度循環(huán)試驗條件為：－55℃±5℃～140℃±5℃，溫度變化速率不大于3℃/min，進行5次循環(huán)。

因此在抽取傳感器產(chǎn)品進行高溫絕緣測試時，實際已經(jīng)歷了10個循環(huán)的溫度沖擊試驗，合計經(jīng)歷了5小時250℃的高溫環(huán)境。

1.2.4 傳感器在230℃環(huán)境下的絕緣性能

將已進行溫度應(yīng)力篩選試驗的傳感器在230℃環(huán)境溫度下保溫30min，在高溫箱內(nèi)測試絕緣電阻，54件產(chǎn)品中有3件產(chǎn)品的絕緣電阻超差（低于2MΩ），其余51件絕緣電阻滿足要求。

1.2.5 傳感器在250℃環(huán)境下的絕緣性能

將未進行過溫度應(yīng)力篩選試驗的4件傳感器在250℃環(huán)境溫度下保溫30min，在高溫箱內(nèi)測試絕緣電阻，4件產(chǎn)品的絕緣電阻均超差（低于2MΩ）。

1.3 故障原因分析

根據(jù)排故工作情況可知，在230℃的高溫環(huán)境下，傳感器絕緣性能雖有下降，但仍能滿足要求，當經(jīng)歷250℃高溫環(huán)境并累積超過0.5h后，傳感器高溫絕緣性能逐漸下降且不能滿足要求。另外，傳感器在裝配過程用于內(nèi)部灌封的非金屬材料J-27H高溫環(huán)氧膠粘劑長期耐受最高溫度為232℃[7]。因此，導(dǎo)致傳感器高溫絕緣下降的原因是灌封用的非金屬材料J-27H高溫環(huán)氧膠粘劑材料在250℃高溫下絕緣性能不能滿足要求。

2 高溫絕緣性能下降對輸出特性的影響

建立傳感器等效測試電路，如圖2所示。其中，Winding為線圈繞組，R內(nèi)為線圈內(nèi)阻（即線圈電阻110Ω），R負為傳感器外接負載（阻值為1KΩ），R絕為傳感器的絕緣電阻，與線圈內(nèi)阻并聯(lián)。U為傳感器線圈繞組利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，U測為外接負載兩端的電動勢，即為傳感器的電磁輸出特性。

圖2 等效測試電路

根據(jù)等效測試電路，可推導(dǎo)得U測表達式如式1[8]。

根據(jù)公式1可知：（1）當絕緣電阻R絕遠大于線圈內(nèi)阻R內(nèi)（110Ω）時，絕緣電阻對外接負載兩端測得的輸出電壓幅值U測影響極?。唬?）外接負載兩端的電壓U測隨絕緣電阻R絕的減小而降低；（3）當絕緣電阻低到與線圈內(nèi)阻R內(nèi)相當時（110Ω），U測約為U/2，此時傳感器的輸出電壓幅值降低較多，對后續(xù)信號處理有影響。

利用電路仿真軟件Multisim模擬傳感器線圈繞組與外殼間絕緣不良對輸出電壓U測幅值和波形的影響，仿真結(jié)果如圖3所示。圖3（a）為絕緣電阻無窮時輸出電壓幅值和波形仿真結(jié)果，圖3（b）為絕緣電阻0.15MΩ時輸出電壓幅值和波形仿真結(jié)果。兩組不同絕緣電阻下傳感器線圈繞組輸出電壓U測的有效值均為1.66V，波形一致，未發(fā)生無畸變，且線圈與外殼之間無電流產(chǎn)生。因此，當傳感器絕緣下降到0.15MΩ時不影響產(chǎn)品的電磁輸出性能。

圖3 絕緣電阻對輸出電壓和波形的影響仿真

3 傳感器高溫絕緣性能提升方法

3.1 改進方案

根據(jù)本文第2節(jié)分析可知，轉(zhuǎn)速傳感器高溫絕緣性能下降的主要原因為用于產(chǎn)品內(nèi)部灌封的環(huán)氧膠粘劑J-27H的高溫耐受溫度為232℃，在250℃環(huán)境下累計超過0.5h后絕緣性能逐漸下降。因此考慮更換非金屬灌封材料，使用耐溫達250℃的硅橡膠GP551，以提高傳感器的高溫絕緣性能。按上述方案裝配5件試驗產(chǎn)品，并進行試驗驗證。

3.2 試驗驗證

對改進后的5件試驗產(chǎn)品進行溫度沖擊試驗。試驗時將傳感器放入-55℃±5℃的低溫箱中保溫30min，再放入+250℃±5℃的高溫箱中保溫30min，高低溫轉(zhuǎn)換時間不大于5min，共進行五次高低溫循環(huán)。最后一次循環(huán)試驗中，分別檢測高低溫絕緣電阻，應(yīng)不低于2MΩ。試驗結(jié)果為5件試驗產(chǎn)品高溫絕緣性能均合格。

對改進后的5件試驗產(chǎn)品進行溫度－振動綜合試驗，以驗證其機械強度和可靠性。試驗方法為：振動試驗條件參照GJB 150.16A-2009軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分、振動試驗中第7章的要求，振動試驗譜按圖4所示，振動方向為沿三個正交軸向，振動時間為每軸向

圖4 振動試驗譜

7.2小時。振動過程中按0.5h低溫（-55℃）和0.5h高溫（250℃）進行溫度控制。試驗時5件試驗產(chǎn)品未見異常，絕緣電阻測試合格。試驗結(jié)束后試驗產(chǎn)品的機械、結(jié)構(gòu)部件無松動、破裂、斷裂等現(xiàn)象。

通過上述溫度沖擊和溫度－振動綜合試驗，驗證了通過更改傳感器內(nèi)部非金屬灌封材料能夠提升其高溫絕緣性能，且不會影響產(chǎn)品的機械結(jié)構(gòu)強度和可靠性。

4 結(jié)論

本文對磁電式轉(zhuǎn)速傳感器高溫絕緣性能不良進行了故障分析，原因定位為用于傳感器內(nèi)部灌封的非金屬材料J-27H高溫環(huán)氧膠粘劑在250℃的環(huán)境溫度下累計超過一定使用時間后，高溫絕緣性能逐漸下降所致。根據(jù)電路分析可知傳感器高溫絕緣下降不影響電磁輸出特性，現(xiàn)有傳感器產(chǎn)品可繼續(xù)使用。另外，本文提出了提升傳感器高溫絕緣性能的改進方案，更改灌封材料為硅橡膠GP551。該改進方案經(jīng)過溫度沖擊試驗和溫度-振動綜合試驗驗證其可行有效，且對產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)強度和可靠性不存在不利影響。