航空氣動閥門服役相對位移監測研究

呂偉 趙子平 張璐 李星亮 盧少微

摘要：氣動閥門已應用于各種工業領域，氣動閥門出現故障將對整個系統的運行造成直接影響，因此對氣動閥門進行在線監測非常必要。目前，對于氣動閥門位移監測的相關研究較少。本文使用溶液浸漬法設計了具有大應變范圍、良好動態反應能力的CNT/TPU柔性應變傳感器，討論了傳感器的傳感機制以及工作原理并對傳感器進行了性能測試。在對氣動閥門位移監測過程中，該傳感器運行穩定。結果表明，該傳感器可以對服役過程中的氣動閥門進行實時相對位移監測。

關鍵詞：CNT；氣動閥門；相對位移；柔性傳感器；監測

中圖分類號：TB34文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.09.006

基金項目：航空科學基金（201903054001，2020Z055054002）；國家自然科學基金（11902204）；遼寧省興遼英才支持計劃（XLYC2007118）；遼寧省自然科學基金（2020-MS-236，2019JH3/30100017）；沈陽市創新人才支持計劃（RC200030，RC190004）

隨著航空航天領域的發展，飛行器技術越來越受到人們的關注[1]。飛行器通過內部精密儀器提供準確可靠的位置、速度和高度信息，用于了解和調整飛行時的狀態。因此，對于精密儀器的在線監測也是必不可少的，可以在飛行中準確地判斷精密儀器的損壞，從而及時地避免危險。目前，氣動閥門已經被廣泛使用在航空、石油、電力、化工、冶金等工業領域中，并構成了自動化系統中不可或缺的一部分。但是氣動閥門在使用過程中，由于各種因素的影響下會發生故障，一旦氣動閥門出現故障，將對整個系統的運行造成直接影響，因此對氣動閥門進行在線監測非常必要[2]。

理論上來說，氣動閥門的研究主要集中在產品設計和反饋上。Lambeck等[3]討論了精確線性化控制方法在3/3氣動比例壓力控制閥中的設計和應用。Schmitt等[4]提出了氣動過程控制閥的完全非線性模型，它可以用作開發整個過程的精確控制方案的工具，和/或便于“智能”過程控制閥中控制參數的調整。在方法定位上，氣動閥門的研究主要集中在故障分析和控制優化上。Nogami、Matsui和Karpenko[5-7]使用傳統的神經網絡和多層神經網絡技術來處理閥門傳感器信號，對閥門部件的響應波形進行分類，并做出故障判定和預測。本文的研究主要體現在對于氣動閥門的設計上以及氣動閥門相對位移的監測。

目前，可以應用的傳感器有微納米傳感器、壓電片、光纖傳感器、應變片等。Zhuang等[8]制備了PU/CNT纖維傳感器，用于監測關節運動和面部表情。柴葳等[9]在熱強度試驗中引入了一種可以同步測量溫度和應變的集成光纖傳感器。嚴中穩等[10]設計了一種仿生纖毛MEMS適量流速微傳感器，量程達100m/s、靈敏度可達0.01m/s。鮑嶠等[11]闡述了壓電-導波技術的優勢與現狀。邢博邯等[12]從理論方面對Lamb波在航空結構中小損傷檢測能力及逆行進行研究。而對于閥門位移的監測，閥門之間微小的縫隙以及大變形量，使得傳感器的性能面臨挑戰。

本文針對航空用氣動閥門的特殊結構，設計了一種低成本、易制作的柔性拉伸CNT/TPU傳感器制備方法。以熱塑性聚氨酯彈性體橡膠（TPU）纖維為基材，通過簡單的溶液浸漬法制備了具有良好導電性以及拉阻特性的CNT/ TPU柔性應變傳感器。所制備的柔性傳感器的電阻信號對所施加的機械應變反應迅速，在變形條件下表現出較好的電學性能和力學性能。該傳感器具有150%的應變范圍，良好動態的反應性能。本文將此傳感器置入航空用套閥式氣動閥門間隙中，進行兩套閥結構之間的相對位移監測，保證飛行器氣動閥門的正常服役和運行。

1柔性應變傳感器制備與設計

1.1傳感器制備

如圖1所示，將0.1mm具有高彈性的TPU纖維浸潤到已經制備好的碳納米管懸浮液中，然后將已經濕潤的TPU纖維取出，進行烘干，時間為10min，確保碳納米管能夠附著在TPU纖維中。將這一步驟重復多次，最后從烘箱中取出，即為本研究中最終制備的傳感器。

針對某氣動閥門的特有形式，傳感器的設計長度為50mm，通過0.1mm的導線與傳感器兩端相連，使用膠黏技術將導線與傳感器固定在一起，使用PI膜進行封裝。使用膠黏技術將封裝好的傳感器固定在金屬閥門上，如圖2所示。

1.2傳感器性能測試

圖3顯示了CNT/TPU傳感器的相對電阻與應變的關系。傳感器的最大應變范圍是150%，相對位移最大測量范圍是67mm。此時的相對電阻為100。可將整個拉伸過程分為4個階段。其中第一階段以及最后階段擬合系數均為0.96，靈敏度表示為0.61和1.05。第二階段和第三階段擬合系數為0.72和0.66，靈敏度系數分別為0.74、0.39。這表明，在傳感器的拉伸開始和結束過程中線性度良好。

圖4為傳感器在恒定11%應變下的電阻變化率和時間的關系。在恒定應變期間，電阻變化率持續的降低。在下降階段，電阻變化率會發生一個階躍再降低，這時的下降速率大于恒定應變時的電阻變化下降速率。在上升階段，傳感器的響應時間為200ms，下降階段為500ms。

1.3傳感器的表征和工作機理

圖5為傳感器形貌的掃描電鏡圖片，其中，圖5（a）～圖5（b）為原始的CNT/TPU傳感器形貌，圖5（d）～圖5（f）為拉伸之后的CNT/TPU傳感器形貌。多壁碳納米管附著在纖維上連接在一起，形成連續不斷的碳納米管網絡，如圖5（a）所示。經過不斷的浸潤之后，碳納米管從TPU纖維外部形成了三維碳納米管網絡，也存在TPU纖維內部。圖5（b）和圖5（c）為碳納米管網絡的詳細形貌，可以看出無論在圖5（b）還是圖5（c）中，碳納米管都連接在一起。拉伸之后的CNT/ TPU傳感器如圖5（d）～圖5（f）所示。從圖5（d）中可以看出，最初已經形成的碳納米管網絡已經被破壞，部分可能已經恢復，而部分位置無法恢復，形成裂痕，部分錯位。圖5（e）和圖5（f）中可以更明顯地觀察到上述現象。

具有一維量子特性的圓柱形碳納米管具有高的長徑比，具有徑向納米級和軸向微米級的性質，其高比表面積使相鄰的多壁碳納米管之間形成典型的團簇和纏繞，形成多向導電網絡。當碳納米管懸浮液不斷浸漬到TPU纖維中，會形成隨機分散的碳納米管網絡。

如圖6所示，導電網絡最初是由相鄰的碳納米管在靜態下形成的，無論是碳納米管的重疊結構，還是由緊密排列的碳納米管激發的隧道效應，導電網絡的布局都與原始的碳納米管一起識別，提供穩定的電信號響應。隨后，當施加拉伸應力時，碳納米管原始的導電網絡結構被破壞，碳納米管將相應伸長，而緊密排列的碳納米管也將產生距離。在這種情況下，原有的隧穿電阻會增加，同時也會產生新的隧穿電阻，此時總電阻增大。

2氣動閥門的位移監測

氣動閥門的位移監測如圖7～圖9所示。圖中，ΔR/R0為電阻變化率。

圖7為連續的階梯位移測試，每個位移保持的時間為10s，之后繼續提高相對位移。當閥門內外沒有發生相對位移時，傳感器的電阻變化率為0并且保持不變。當套筒內外發生5mm的相對位移時，相對電阻變化率開始上升，當到達5mm時，秒表開始計時。這段時間內電阻變化率下降，這是由于碳納米管在纖維中縱橫交錯，隨機分布，當相對位移恒定，網絡內部的碳納米管開始重排，管之間的距離開始縮小，所以在電阻中占據主要地位的隧穿電阻下降，電阻變化率也開始減小。在此時間段內，碳納米管的重新排列起到了一定的作用。同時，還有許多碳納米管發生拉伸損壞，碳納米管的總數量增加，碳納米管的長度減小，一定程度上減小了隧穿電阻。將相對位移提高到10mm，此階段的電阻變化率仍然保持下降的趨勢，但并沒有下降到5mm時的電阻變化率，說明此時的碳納米管又發生了一次重新排列，有新的碳納米管發生了損壞。最后，將相對位移提高到15mm，由于提高金屬閥門相對位移時，發生了短暫的卡頓，施加的外載荷突然增大，導致了電阻變化率的劇烈變化以及中間的抖動。當氣動閥門相對位移縮小到0時，傳感器的電阻變化率并沒有恢復到零點，是因為氣動閥門之間的微小空隙會使傳感器出現彎曲，從而無法恢復到原來的狀態，所以電阻無法恢復到初始點。

圖8為每次相對位移進行了三次連續變化，相對位移的變化為5mm、10mm、15mm。當相對位移為5mm時，有一個最高波峰，以及兩個相對低的但是相等的波峰。5mm中最高的波峰是由于第一次拉動氣動閥門，氣動閥門與傳感器過盈配合，無空隙或者說空隙較小，從而采用較大載荷，將相對位移拉出超過了5mm。此后兩次相對5mm的位移，峰值幾乎相等。當相對位移為10mm時，第二次波峰最高，第一次和第三次峰值相當，考慮為外加載荷的拉伸或者氣動閥門間隙與傳感器之間的擠壓，造成了相對電阻變化率的不穩定性。當相對位移提升為15mm時，第一次的拉伸曲線有一段下降，是閥門上部的底端，與傳感器形成了過盈配合，使得位移保持了短暫時間，碳納米管導電網絡重排，使得電阻變化率減小，之后位移到達了15mm，電阻變化率達到波峰。之后的第2～4次，與第一次的相對電阻升降趨勢不同，當第一次相對位移產生之后，在下降時，氣動閥門以及傳感器的結構內部形成擠壓，使傳感器彎曲，無法恢復到最初始的狀態，使得傳感器的電阻變化率無法回歸零點。

圖9為相對位移為5mm的重復性試驗，每次都是上升到5mm繼而下降。5次電阻的波峰值從左到右分別為0.77756、0.91367、0.74851、0.77953、1.02218，5次電阻變化率的波峰平均值為0.84829，可以看到除了第5次遠高于平均值，其余4次距離平均值相差不大，5次相對差值的絕對值為0.07073、0.06538、0.09978、0.06876、0.17389，而具有較大位移變化時，電阻變化率的量級均發生在1往上的較大變化，因此可以認為是伸長位移的誤差導致波峰的參差不齊而非傳感器測試。對于重復性試驗，每次上升之前都會有一些微小的波折，是由于航空用氣動閥門的特殊結構導致的，縫隙和傳感器之間產生了過盈配合。5次的相對位移規律性良好。

3結論

通過對航空用氣動閥門的位移監測的測試，根據監測結果得出以下結論：

（1）監測結果表明，用溶液浸漬法制備的CNT/TPU傳感器，具有良好的電學和力學性能，在一定程度上能夠置入航空用氣動閥門的微小縫隙中，能夠快速、準確地反應氣動閥門的相對位移變化。

（2）由于航空用氣動閥門的特殊結構以及傳感器結構在發生微小相對位移時，傳感器可以重復使用并且保持高靈敏度，特別是在位移超過了7mm時，靈敏度會提高。當達到最大相對位移時，氣動閥門上部即將脫離，傳感器容易發生損壞。

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Relative Displacement Monitoring of an Aviation Pneumatic Valve in Service

Lyu Wei1，Zhao Ziping1，Zhang Lu1，Li Xingliang2，Lu Shaowei1

1. Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China

2. AVIC Beijing Precision Engineering Institute Aircraft Industry，Beijing 100076，China

Abstract： Pneumatic valves are currently used in various industrial fields， but there are still few studies on displacement monitoring of pneumatic valves. In order to understand the relative displacement change of an aviation pneumatic valve in service， this paper adopts， the solution immersion method to design a CNT/TPU flexible strain sensor with a large strain range and good dynamic response capability.The sensing mechanism and working principle of the sensor are discussed. In the process of monitoring the displacement of the pneumatic valve， the sensor operates stably. The results show that the sensor can perform real-time relative displacement monitoring of the pneumatic valve during service.

Key Words： CNT； pneumatic valve； relative displacement； flexible sensor； monitoring