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       摘 要: 利用工業(yè) CT 技術(shù)對某型航空發(fā)動機(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。
 
      關(guān)鍵詞: 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)動機(jī)正朝著高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展［1］，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)動機(jī)性能下降［2］。因此，提高傳感器的可靠性對發(fā)動機(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［3 ～ 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。
  
     
        圖 1 感溫元件結(jié)構(gòu)示意圖
 
     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。
 
  
     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
 
     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
 
     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作用發(fā)生晃動而發(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、耐久振動和沖擊試驗(yàn)。其中耐久振動按正常試驗(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
 

     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。