更多更智能的傳感器即將問世

Henry Canaday

飛機(jī)的狀態(tài)健康監(jiān)控可以提高維修效率、降低維修費(fèi)用，而傳感器是狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的一部分。未來航空系統(tǒng)中可能需要更多、不同類型的飛機(jī)傳感器，傳感器也將逐步具備更少的漂移、更長的壽命和更高的精度等優(yōu)點(diǎn)

盡管近年來預(yù)測(cè)性維護(hù)和大數(shù)據(jù)的時(shí)代才剛剛開始，但新一代以及未來的飛機(jī)正在或即將通過大量的、更智能的傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)獲得大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)采集技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)、大量飛機(jī)部件甚至在一些機(jī)體結(jié)構(gòu)中都可能實(shí)現(xiàn)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)早已開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而機(jī)體結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是迄今為止最難監(jiān)控的部件，亟待新型傳感器連接、無線傳輸或直接傳輸?shù)酵ㄐ趴偩€等技術(shù)走向成熟。

埃斯特萊集團(tuán)公司（ Esterline）可以為包括發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的多種飛機(jī)部件制造傳感器，該公司認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)控環(huán)境最為復(fù)雜，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)制造商正在通過增加壓力和溫度提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率，而發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器的一個(gè)重要研發(fā)目標(biāo)是克服發(fā)動(dòng)機(jī)不斷增加的溫度和壓力，確保傳感器能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件區(qū)域可靠工作。通常的解決方案是采用獨(dú)特的新材料和昂貴的合金材料。而且計(jì)劃安裝于新型飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)還需要傳感器為全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制（ FADEC）系統(tǒng)的效率、安全性及可能的新架構(gòu)提供支持。埃斯特萊集團(tuán)公司預(yù)測(cè)，新的發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器將具備“更少的漂移、更長的壽命和更高的精度”等卓越的性能，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商也希望獲得一些“安裝即忘記（fit-andforget）”的傳感器，并將其應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)維修期。減少漂移意味著減少傳感器隨時(shí)間推移性能下降的趨勢(shì)。傳感器的可靠精度可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在最有效的條件下運(yùn)行，不必?fù)?dān)心性能退化而未被發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)前，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端區(qū)域的一些傳感器每隔5～6年更換一次。航空公司希望這一時(shí)間間隔能夠延長或傳感器終身有效，也就是傳感器裝好后可一直使用直到發(fā)動(dòng)機(jī)退役。

未來傳感器

目前，無線傳感器主要用于開發(fā)階段的測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)上，因?yàn)樵诖似陂g有許多數(shù)據(jù)點(diǎn)需要收集記錄。但未來為了減少傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的布線重量和空間，傳感器將實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，即要求無線傳感器能夠自行收集能量或利用本地電源。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)，因此傳感器制造商也在考慮如何將發(fā)動(dòng)機(jī)的這一振動(dòng)轉(zhuǎn)換為傳感器的可用功率，不過這的確是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

未來傳感器的另一大變化可能是配裝FADEC，F(xiàn)ADEC要求傳感器縮短連接線以節(jié)省空間。羅羅公司正在考慮將FADEC分成一些獨(dú)立的部件，以減少連接傳感器所需的布線數(shù)量。

埃斯特萊集團(tuán)公司預(yù)測(cè)稱，未來傳感器還將擁有新用途。例如，傳感器可以測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片以及葉尖與機(jī)匣之間的間隙，以判斷是否漏氣以及發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。出于安全考慮，傳感器可以測(cè)量渦輪葉尖的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。因?yàn)檗D(zhuǎn)速或振動(dòng)的變化可以標(biāo)識(shí)出飛機(jī)存在的安全性風(fēng)險(xiǎn)，如鳥撞或遭到其他外來物損傷。同時(shí)隨著各種多電飛機(jī)對(duì)電力的依賴性逐漸增加，未來還需要傳感器對(duì)電池進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。

知名的傳感器制造商美捷特集團(tuán)（Meggitt）指出，未來航空系統(tǒng)中可能需要更多、不同類型的飛機(jī)傳感器。如隨著傳感器中應(yīng)用的光學(xué)和聲表面波傳感等新技術(shù)的增多，傳感器將能夠檢測(cè)到許多新的參數(shù)。同時(shí)，未來電動(dòng)飛機(jī)也將需要新型傳感器來監(jiān)控各種電機(jī)的性能。也就是說，未來的傳感器系統(tǒng)將包括傳統(tǒng)傳感器、智能傳感器、無線傳感器以及新的傳感技術(shù)。

目前，Meggitt正在與空客公司、德事隆公司合作開發(fā)無線輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可支持50米（164英尺）距離范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，使機(jī)械師不必在起落架周圍爬行檢查輪胎壓力。

柯蒂斯懷特（Curtiss-Wright）生產(chǎn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)和臨界狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器。目前，該公司正在開發(fā)更多用于安全、效率、環(huán)境和健康監(jiān)控的傳感器。最近，Curtiss-Wright推出了一套縫翼檢測(cè)傳感器，放置在單個(gè)縫翼上以提高精度。傳感器通常與本地控制系統(tǒng)或數(shù)據(jù)集線器連接，然后與通信總線連接。在許多情況下，傳感器最終可以直接與總線連接。Curtiss-Wright預(yù)計(jì)未來無線傳感器將非常具有吸引力，特別是在試飛測(cè)試設(shè)備和非關(guān)鍵應(yīng)用中。

機(jī)體傳感器

健康監(jiān)控的目標(biāo)一直是監(jiān)測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)，不僅包括飛行中的機(jī)體結(jié)構(gòu)，還包括地面的。例如，Structural Monitoring Systems公司的比較真空監(jiān)測(cè)（CVM）法可以在停場(chǎng)時(shí)測(cè)試飛機(jī)結(jié)構(gòu)的健康狀況，取代了耗時(shí)的目視檢查。

CVM是通過在特氟綸膠帶上帶黏性的一面蝕刻出通道，并在通道中裝上彈性傳感器的思路檢測(cè)機(jī)體結(jié)構(gòu)的。在檢查過程中，將傳感器中的通路抽成真空。如果被檢測(cè)表明存在裂紋，通道則會(huì)漏氣，設(shè)備將檢測(cè)到漏氣便可確定裂紋位置。CVM已被應(yīng)用于鋁結(jié)構(gòu)，目前正在復(fù)合材料上進(jìn)行測(cè)試。只要機(jī)械師將膠帶黏在某個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面，CVM都可以用于其監(jiān)測(cè)，而且可改裝適用，并且已被批準(zhǔn)用于檢查波音737翼盒段的健康狀況。一家美國航空公司已經(jīng)在其7架波音737飛機(jī)上安裝了CVM膠帶，且完成了120次檢查。其他幾家航空公司也正在對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。CVM已經(jīng)被波音公司接受，被列為是一種可選的合規(guī)方法。因?yàn)椴捎肅VM膠帶可以在避免破壞地板或取出座位進(jìn)行翼盒檢查。CVM可以加快檢查速度，在重檢期間可為每架飛機(jī)節(jié)省15萬美元的費(fèi)用。

目前，Structural Monitoring Systems公司只為適航指令和服務(wù)公告所要求的檢查提供CVM。從長遠(yuǎn)來看，該公司希望將CVM技術(shù)能夠部署到飛機(jī)的常規(guī)檢查中，并且最終被用于機(jī)上結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。Structural Monitoring Systems公司認(rèn)為未來機(jī)體OEM可能會(huì)學(xué)會(huì)通過表面裂紋情況判斷結(jié)構(gòu)完整性，并會(huì)選擇每500個(gè)飛行循環(huán)進(jìn)行一次CVM測(cè)試，以確保部件的安全性。

CVM可以檢測(cè)表面裂紋并測(cè)量其長度。但目前只有渦流檢測(cè)可以檢測(cè)到表面以下的裂紋。一些OEM認(rèn)為，下一步可以考慮在新飛機(jī)的生產(chǎn)線上就安裝CVM，這樣更有利于做好飛機(jī)健康監(jiān)控。

（李璇，編譯自AW&ST 2018-7-10）