深耕民用航空领域,西人马解决传感器及材料难题

09 09月 2021

2021-09-09 14:51

航空发动机的制造难度堪比光刻机,被称为“工业皇冠上的明珠”,目前只有少数几个国家能自主研发航空发动机。

航空发动机在运转过程中的自动监测和自动控制非常重要,能够保证航空器在高空、恶劣的环境中正常运转。航空发动机中各式各样的传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器能够为航空发动机提供敏感参数,这些参数在飞机和发动机的自动控制、自动寻的、导航、性能实验中有着非常重要的作用。传感器能够感受到被测量信息,并能将检测到的信息按一定规律转换成电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

虽然航空传感器的种类与大多数工业领域用到的传感器类型基本相同,但因为传感器的性能和可靠性受工作条件的影响较大,而航空发动机的工作条件十分恶劣和复杂,因此航空传感器的技术和工艺要求要远远高于其他领域的传感器。

航空传感器一般需要在极高温或极低温的环境下工作,最高温度可达650℃,最低温度低至-196℃,同时还要有耐恶劣环境的良好性能,比如良好的空气压力特性、表面保护、密封和绝缘强度、抗振强度和耐冲击性能,在安装时还需要采取一定的减振和隔振措施。

航空传感器和一般工业类传感器的种类大致相同,也就是实现原理基本一致。而实现航空级标准的难度主要在于产品的工艺及品质,例如检测发动机振动的加速度传感器,需要在-40℃到600℃的不同温度环境下工作,因此会有常温、中温、高温、超高温等温度选择,这对芯片和传感器的制造工艺、封装工艺、封装材质的要求非常高。而目前国内能够满足航空要求的传感器厂家还比较少。

西人马是一家IDM芯片及传感器公司,由民用航空传感器产品起家,拥有滑油传感器、加速度传感器、压力传感器等先进的航空传感器产品,性能优异、品质可靠,可广泛应用于发动机控制(ECU或FADEC)、发动机健康管理(EHMS)、飞机控制系统、飞机故障预测与健康管理(PHMS)、直升机及无人机健康状态监控系统(HUMS)以及各类航空发动机及整机地面试验。目前西人马已经为国内外多家民用航空器厂商提供传感器产品,在业内积累了良好的口碑和声誉。

西人马滑油品质传感器

滑油传感器是一种通过监测滑油品质判断轴承磨损程度的传感器,根据电磁感应原理及光学散射原理,能够精准检测颗粒物大小,通过监测轴承脱落的铁屑的流量判断滑油品质,从而得知轴承的磨损程度,及时进行维护更换。

西人马的滑油品质传感器可直接安装在主滑油管路内,即时检测油质中的铁磁性及非铁磁性颗粒。产品采用全密封设计,能够耐受200℃高温测量环境。可在33mm的流通口径下,检测直径小于100μm的金属颗粒,能够便捷接入油路,有较高的精度和分辨率。

西人马加速度传感器

加速度传感器是航空领域中应用较多的一类传感器,加速度传感器与陀螺仪一同使用组成惯性导航系统,能够测量敏感飞行器的加速度。航空加速度传感器的量程可以达到几千g,并且能够测量单轴、双轴和三轴方向的加速度。然后通过加速度数据的一次积分和二次积分可得到飞行器的速度和位移,再经过计算可得到飞行器的飞行距离、角度和航向。

西人马在航空加速度传感器方面有深厚的技术积淀,目前已形成丰富的产品线。西人马的加速度传感器可以应用在惯性测量单元、飞机导航系统、飞行控制系统、包括颤振测试在内的飞行期间结构测试、健康系统测试、稳定性测试、地面振动测试(风洞测试)模态测试、发动机控制系统、制导系统等。

不同飞行器以及不同系统对加速度传感器有不同的要求,加速度传感器往往有非常多的种类。加速度传感器主要依据量程(灵敏度)、频响范围、使用温度、使用环境工况进行选型。为了匹配客户的多样化需求,西人马研发出多种类型的加速度传感器,包括压电式和电容式在内的60余款加速度传感器产品。

压电式加速度传感器

西人马的压电式加速度传感器为客户提供了常温、中温、高温、超高温的温度选择,极低频、低频、高频的频率选择,以及单轴、双轴、三轴的轴数选择,现有50余款性能和参数的不同组合产品,能够满足客户的大部分需求,对一些行业的特殊需求还可进行快速定制、快速量产。西人马压电式加速度传感器具有优异的频响特性,可测更宽的频率范围;极佳的信噪比有利于捕捉细微的信号;出色的结构设计和稳定的工艺,超长的平均故障间隔时间(MTBF);双层屏蔽,具备极佳的抗干扰性能。

高温压电式加速度传感器

由于航空应用场景中的工作环境恶劣,加速度传感器需要适应极低温及超高温的大范围温度环境。为满足航空应用场景的要求,西人马开发了一系列高温压电式加速度传感器,采⽤⾃主研发的高可靠性高温压电陶瓷为核⼼敏感元件,依据航空标准设计,具有优异的频响特性,可测更宽的频率范围;全温区高绝缘阻抗,低温漂;结构设计出色、工艺稳定,能在-55～482℃环境下⻓时间测量,超长MTBF。

微型压电式加速度传感器

另外,针对航空领域对小尺寸物体测量、进行各种模态实验的需求,西人马还有相应的微型压电式加速度传感器,可大大减少对测量物体的影响,如高端轴承、机翼、旋翼。西人马的超微压电式加速度传感器是⼀款基于MEMS加工工艺和精密制造技术、采用环形剪切结构的压电传感器,具有优异的频响特性,可测更宽的频率范围;尺寸小、质量轻、可靠性高、抗振动冲击力强;可作为电子元器件集成于电路中,还可表贴、内嵌于被检测部件,损伤小,具有极强的兼容性。

电容式加速度传感器

除了压电式传感器,西人马还可为客户提供多种类型的电容式加速度传感器,不同尺寸、不同外形、不同性能也能较好地匹配到各种应用场景中。西人马电容加速度传感器,基于MEMC VC技术,可以实现零频率响应;低功耗、体积小;高温稳定,耐冲击能力强;拥有优异的信噪比以及更宽的频率测量范围。

温振一体传感器

加速度传感器同时还可以测量物体的振动。飞行器各个部件会产生振动,影响使用寿命。振动传感器可进行振动加速度的检测,检测到的振动加速度信号进行一次二次积分可得到振动速度和位移,通过监测设备的振动状态来改进设计或排除故障。振动传感器分为磁电式振动加速度传感器和压电式振动加速度传感器。

温振一体传感器能够同时监测振动和温度量,是一种通过集成振动传感芯片和温度传感器芯片、按应用需求进行封装和信号输出的一种复合型传感器变送器。

温振一体传感器的关键指标:1、线性度:传感器在受到不同的g值振动时其输出的线性度,该数值越小越好;2、横向灵敏度:横向灵敏度决定了传感器在受非主轴方向振动或者冲击时受干扰的程度,该数值越小越好,按照国家标准应<5%;3、谐振频率:振动测量的使用上限频率取决于幅频曲线中的谐振频率;4、频响特性:振动测量的频率上限需要稍高于被测结构的振动频率;5、温度测量精度:测温精度数值越小越好;6、温度测量响应时间。

温振一体传感器的核心是内置压电传感器内部的电荷转换芯片。西人马的温振一体传感器采用自主研发的芯片,能够保证线性度、横向灵敏度、谐振频率、频响特性和温度测量精度等关键指标的优异特性。目前,西人马温振一体传感器已在国内达到一流水准。

西人马压力传感器

压力传感器也是航空领域常用的传感器类型之一,能够在实际飞行中、飞行试验、发动机测试试验、结构强度试验、风洞试验以及设备制造生产过程中得到应用。由于压力测试中被测压力种类多、涉及范围广、测点多、要求测量精度高,如机翼弯曲压力、机舱压力、发动机压力等,因此对压力传感器也有较高的要求。

西人马研发的压力传感器分为压电式及压阻式,体积小,采用全封闭封装。具有卓越的静、动态性能,灵敏度高,可监测微小压力变化,并已取得CE认证。

西人马航空连接器及材料

为满足航空传感器在高温等恶劣环境工况中的使用要求,西人马同时研发了一系列连接器及材料,包括高温压电陶瓷、高频压电陶瓷、低噪声线缆、高温铠装线缆和高温连接器等。西人马的压电陶瓷通过稀土元素掺杂与结构设计优化能够达到优异的电性能参数,可广泛应用于压电类加速度传感器、压力传感器、换能器、压电马达等领域,覆盖-55～482 ℃等多个温度区间。同时,西人马创造性地提出多层陶瓷复合温漂补偿的方式,大大改善了高温压电加速度传感器在高温环境下的温漂问题,能够适应航空场景中的极端环境。

作为器件与器件、组件与组件、系统与系统之间进行电气连接和信号传递的桥梁,线缆和连接器是构成一个完整电气系统的基础元件。西人马线缆和连接器主要包括高温铠装线缆、低噪声线缆,高温连接器等,具有低噪声、气密性良好、高温绝缘性能优异等特点。其中,采用自主开发的FTG系列封接玻璃粉体烧结的高温连接器,650 ℃高温绝缘性仍能达到MΩ级别,气密性达到10∧(-10)Pa*m³/s水平,可应用于高温、高压、特殊极端环境的航空航天领域,性能达到了国际领先水平。同时西人马的线缆和连接器能够完美匹配西人马已有的传感器,接头种类多;低电容,低阻抗;精密包装,抗干扰信号;低噪声处理,可长距离输送信号。