航空气动阀门服役相对位移监测研究

　　摘要：气动阀门已应用于各种工业领域，气动阀门出现故障将对整个系统的运行造成直接影响，因此对气动阀门进行在线监测非常必要。目前，对于气动阀门位移监测的相关研究较少。本文使用溶液浸渍法设计了具有大应变范围、良好动态反应能力的CNT/TPU柔性应变传感器，讨论了传感器的传感机制以及工作原理并对传感器进行了性能测试。在对气动阀门位移监测过程中，该传感器运行稳定。结果表明，该传感器可以对服役过程中的气动阀门进行实时相对位移监测。

　　关键词：CNT;气动阀门;相对位移;柔性传感器;监测

　　随着航空航天领域的发展，飞行器技术越来越受到人们的关注[1]。飞行器通过内部精密仪器提供准确可靠的位置、速度和高度信息，用于了解和调整飞行时的状态。因此，对于精密仪器的在线监测也是必不可少的，可以在飞行中准确地判断精密仪器的损坏，从而及时地避免危险。目前，气动阀门已经被广泛使用在航空、石油、电力、化工、冶金等工业领域中，并构成了自动化系统中不可或缺的一部分。但是气动阀门在使用过程中，由于各种因素的影响下会发生故障，一旦气动阀门出现故障，将对整个系统的运行造成直接影响，因此对气动阀门进行在线监测非常必要[2]。

　　理论上来说，气动阀门的研究主要集中在产品设计和反馈上。Lambeck等[3]讨论了精确线性化控制方法在3/3气动比例压力控制阀中的设计和应用。Schmitt等[4]提出了气动过程控制阀的完全非线性模型，它可以用作开发整个过程的精确控制方案的工具，和/或便于“智能”过程控制阀中控制参数的调整。在方法定位上，气动阀门的研究主要集中在故障分析和控制优化上。Nogami、Matsui和Karpenko[5-7]使用传统的神经网络和多层神经网络技术来处理阀门传感器信号，对阀门部件的响应波形进行分类，并做出故障判定和预测。本文的研究主要体现在对于气动阀门的设计上以及气动阀门相对位移的监测。

　　目前，可以应用的传感器有微纳米传感器、压电片、光纤传感器、应变片等。Zhuang等[8]制备了PU/CNT纤维传感器，用于监测关节运动和面部表情。柴葳等[9]在热强度试验中引入了一种可以同步测量温度和应变的集成光纤传感器。严中稳等[10]设计了一种仿生纤毛MEMS适量流速微传感器，量程达100m/s、灵敏度可达0.01m/s。鲍峤等[11]阐述了压电-导波技术的优势与现状。邢博邯等[12]从理论方面对Lamb波在航空结构中小损伤检测能力及逆行进行研究。而对于阀门位移的监测，阀门之间微小的缝隙以及大变形量，使得传感器的性能面临挑战。

　　本文针对航空用气动阀门的特殊结构，设计了一种低成本、易制作的柔性拉伸CNT/TPU传感器制备方法。以热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)纤维为基材，通过简单的溶液浸渍法制备了具有良好导电性以及拉阻特性的CNT/ TPU柔性应变传感器。所制备的柔性传感器的电阻信号对所施加的机械应变反应迅速，在变形条件下表现出较好的电学性能和力学性能。该传感器具有150%的应变范围，良好动态的反应性能。本文将此传感器置入航空用套阀式气动阀门间隙中，进行两套阀结构之间的相对位移监测，保证飞行器气动阀门的正常服役和运行。

　　1柔性应变传感器制备与设计

　　1.1传感器制备

　　如图1所示，将0.1mm具有高弹性的TPU纤维浸润到已经制备好的碳纳米管悬浮液中，然后将已经湿润的TPU纤维取出，进行烘干，时间为10min，确保碳纳米管能够附著在TPU纤维中。将这一步骤重复多次，最后从烘箱中取出，即为本研究中最终制备的传感器。

　　针对某气动阀门的特有形式，传感器的设计长度为50mm，通过0.1mm的导线与传感器两端相连，使用胶黏技术将导线与传感器固定在一起，使用PI膜进行封装。使用胶黏技术将封装好的传感器固定在金属阀门上，如图2所示。

　　1.2传感器性能测试

　　图3显示了CNT/TPU传感器的相对电阻与应变的关系。传感器的最大应变范围是150%，相对位移最大测量范围是67mm。此时的相对电阻为100。可将整个拉伸过程分为4个阶段。其中第一阶段以及最后阶段拟合系数均为0.96，灵敏度表示为0.61和1.05。第二阶段和第三阶段拟合系数为0.72和0.66，灵敏度系数分别为0.74、0.39。这表明，在传感器的拉伸开始和结束过程中线性度良好。

　　图4为传感器在恒定11%应变下的电阻变化率和时间的关系。在恒定应变期间，电阻变化率持续的降低。在下降阶段，电阻变化率会发生一个阶跃再降低，这时的下降速率大于恒定应变时的电阻变化下降速率。在上升阶段，传感器的响应时间为200ms，下降阶段为500ms。

　　1.3传感器的表征和工作机理

　　图5为传感器形貌的扫描电镜图片，其中，图5(a)～图5(b)为原始的CNT/TPU传感器形貌，图5(d)～图5(f)为拉伸之后的CNT/TPU传感器形貌。多壁碳纳米管附着在纤维上连接在一起，形成连续不断的碳纳米管网络，如图5(a)所示。经过不断的浸润之后，碳纳米管从TPU纤维外部形成了三维碳纳米管网络，也存在TPU纤维内部。图5(b)和图5(c)为碳纳米管网络的详细形貌，可以看出无论在图5(b)还是图5(c)中，碳纳米管都连接在一起。拉伸之后的CNT/ TPU传感器如图5(d)～图5(f)所示。从图5(d)中可以看出，最初已经形成的碳纳米管网络已经被破坏，部分可能已经恢复，而部分位置无法恢复，形成裂痕，部分错位。图5(e)和图5(f)中可以更明显地观察到上述现象。

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文章名称： 航空气动阀门服役相对位移监测研究

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