基于薄膜傳感器的傳動錐齒輪柔性測試技術

摘 要： 通過分析濺射氣壓對PdCr 薄膜電阻溫度系數的影響以及退火條件對Pt 薄膜電阻率的影響，采用掩模板方法實現應變薄膜與熱電阻薄膜圖形化處理，并利用高溫銀漿燒結實現引線與敏感層薄膜的穩定連接，建立由Ni 基合金基帶、Y2O3 過渡層、AlON-Al2O3 復合絕緣層、PdCr 應變敏感層/Pt 熱電阻敏感層、Al2O3 防護層組成的薄膜傳感器設計方法。將薄膜應變傳感器、薄膜熱電阻傳感器同時柔性安裝于傳動錐齒輪進行試驗測試。結果表明，在外部應力較高時薄膜應變傳感器線性度為0.243%；薄膜熱電阻傳感器ΔR/ΔT 斜率為0.452 9，線性度較好。

關鍵詞： 過渡層與復合絕緣層制備; 敏感層制備及圖形化; 引線連接; 柔性安裝

中圖分類號： TB9 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）03–0170–07

0 引 言

直升機作為一種特殊類型的飛行器，旋轉部件和運動部件是其升力及動力的主要來源。由于直升機發動機至旋翼系統僅有一條負荷通道，動力傳動鏈是不能冗余備份的關鍵部件，因此該通道上任何一個部件出現故障都會對飛行安全構成嚴重威脅[1]。然而，由于材料缺陷、制造誤差、運行環境等因素及疲勞、老化等效應，動力傳動鏈中廣泛應用的傳動齒輪極易出現不同軸、偏心、局部異常等問題，成為直升機發生災難事故的重要原因之一[2]。

傳動齒輪狀態監測一般采用振動信號。如南昌航空大學徐英帥通過對直升機傳動系統的振動信號分析進行故障診斷[3]；國防科技大學沈國際對振動信號處理技術開展了深入的研究，為直升機齒輪箱故障早期檢測提供了有效的技術手段[4]；中國民航大學李耀華提取齒輪箱振動信號的小波包熵作為神經網絡特征輸入向量，提高了傳動齒輪診斷精度[5]。

然而，振動信號難以識別高階模態故障，僅采用振動信號無法進一步提高故障診斷準確度[6]。因此，需要同步獲取傳動齒輪本體的應力、溫度狀態信息，以增加故障診斷數據的熵[7]。如西北工業大學付晨曦通過對傳動齒輪振動、應變信號綜合分析，精確評估了直升機齒輪分扭傳動主減速器的動態特性和均載特性[8]；國防科技大學程哲基于應變應力表征機件斷裂程度，確定傳動齒輪臨界裂紋尺寸，提高了齒輪故障預測精度[9]；國防科學技術大學林澤錦開展失去潤滑條件下直升機傳動齒輪溫度場分析研究，提出了提高傳動齒輪抗失效能力的技術途徑[10]。

目前，可用于機械部件應變、溫度測量的傳感器主要有應變片、熱電偶。如湖南大學龍繼國采用電阻法測試齒輪應力，通過在齒根被測點位置及應變片上涂抹專用膠水進行安裝固定[11]；哈爾濱工業大學何曉輝利用箔式電阻應變片實現齒根彎曲應力測量，該應變片由基底、敏感柵、覆蓋層和引線等部分組成，并通過粘貼劑粘貼到齒輪表面[12]。然而，傳統的應變片、熱電偶普遍存在難以安裝、易引入誤差的缺點，尤其不適用于小尺寸的傳動錐齒輪（本項目中嚙合齒輪模數為4.233 mm）測試測量。

因此，本文提出一種基于薄膜傳感器的傳動錐齒輪柔性測試技術。如圖1 所示，通過在Ni 基合金基帶上先后沉積過渡層、絕緣層、敏感層和防護層薄膜，分別制成薄膜應變傳感器、薄膜熱電阻傳感器，并實現與被測部件的柔性安裝。