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          1. 傳感應用
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            現代軍事裝備對壓力傳感器的要求與應用現狀

            2014-5-13

            傳感器作為軍事電子裝備的“感官”,是決定軍事電子裝備水平的關鍵部件之一?;鸺l動機、航空發動機、重型燃氣輪機、燃煤燃氣鍋爐等動力設備的主要部件處在高溫惡劣環境,燃燒室溫度甚至超過2000℃。利用高溫傳感器可對噴嘴燃燒室、壓氣機、葉片等關鍵部位的壓力、溫度等參量進行實時監測,提高燃燒性能和推進效率,并對部件健康狀態進行評估。液體火箭發動機的推力室主要由推進劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等裝置組成。當噴嘴處的壓力足夠高時,就會形成噴嘴阻流和超音速射流,大部分的熱能就可轉換成動能,對噴嘴處壓力的實時監測有助于優化發動機燃燒室收縮比設計,可提高火箭發動機的推進效率。燃燒室點火延遲數毫秒都會導致過量液體進入,引起災難性后果,通過燃燒室壓力監測可精確控制點火時間,避免燃燒室“硬啟動”。燃燒室的間歇性燃燒、振蕩燃燒會導致燃燒室隔熱邊界層變薄、運載器受損等后果。獲取燃燒室內部、推進劑噴嘴處的實時壓力,評估壓力的低頻振動,估算室壓響應時間,對減少間歇燃燒、振蕩燃燒,提高燃料的燃燒率,增強火箭的安全性具有重要意義。重型燃氣輪機是發電機組、大型船艦的動力來源,其結構復雜、參數多,工況多變。隨著G、H級燃氣輪機的普及,對燃氣輪機的穩定性要求也越來越高。對渦輪、壓氣機、燃燒室、軸承的溫度、壓力、振動等參量的監控,可降低燃氣輪機的故障率,減少15%~20%的維護成本。另外,監測初氣溫度及燃燒室的壓力,對提高煤氣轉化效率,減少CO2、CO、SO2、NO、等氣體的排放具有重要意義-習。高溫壓力傳感器在航天、航空、國防建設、能源開發等領域有著廣闊的應用需求。常溫MEMS壓力傳感器主要以硅(Si)基壓力傳感器為主,在100℃工作溫度范圍內,商業化的Si壓力傳感器工藝成熟、體積小、性能好,但是當其在超過120℃環境使用時,內部PN結會出現漏電,傳感器性能下降甚至失效。另外,Si材料在大于500℃時還會發生塑性變形,不能滿足高溫環境下壓力測量的需求。為此,國內外學者將目光投向其他材料,研究耐高溫材料制備高溫傳感器的可行性。

            以美國為例,1982~1990年間,用于軍事的溫度﹑壓力等五種主要傳感器,年平均增長率達到12.9%,1995年用于太空與軍事的傳感器用量約占傳感器市場總額的15%,產值12.5億美元,其中壓力傳感器的用量僅次于溫度傳感器。1992年美國國防部將傳感器列入《美國國防核心技術計劃》11項核心技術領域中的“探測器”和“電子器件”兩項中,在核心計劃中的進度與力度明顯高于其它10個(包括計算機)領域。

            高溫環境下的壓力測量已成為國防軍工、工業控制領域必須突破和掌握的基礎關鍵技術之一。被稱為“第三代傳感器”的薄膜壓力傳感器,自80年代推出以來,以其優良的技術性能和耐惡劣環境能力引起世界各國的重視,在軍事裝備中得到廣泛使用。如美國用于阿波羅飛船、Viking火星探測器(CEC公司產1000-02型),俄羅斯用于聯盟號飛船和暴風雪-能源號航天飛機(奔薩研究所產BT-212型),法國用于阿迪亞娜Ⅳ號和Ⅴ號運載火箭(Fagor公司產27 N型)。僅Viking火星探測器就使用了傳感器8000只,其中薄膜壓力傳感器300余只。

            近年來,新材料的發現,MEMS工藝加工、封裝工藝和傳感器結構設計上的突破,促進了高溫壓力傳感器的研究工作。國外在高溫壓力傳感器的研究方面已取得了較大進展,形成了多種類型的產品。相比國外,國內高溫壓力傳感器的研究起步較晚,雖然十二五期間在基于SiC的高溫壓力傳感器的研究方面取得了一定進展,但要實現傳感器真正意義上的工程化、產業化還需投入更多的精力。針對歐美對我國實施技術封鎖的實際情況,以及國內高溫壓力傳感器的發展現狀,隨著我國大型運載火箭﹑固體火箭﹑智能飛機﹑衛星﹑空間往返載人航天器以及新型海上與水下武器任務的提出,對軍用傳感器不論在需求品種和數量上都有較大的增加,我國要完成傳感器的工程化、產業化,形成系列產品,提升技術整體水平與國際競爭力,為重型火箭發動機、航空發動機、高超發動機等先進動力設備的研制提供技術支撐。

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