畢　超，郭　霞，徐昌語，楊　輝

（北京航空精密機械研究所精密制造技術(shù)航空科技重點實驗室，北京100076）

高溫電容位移傳感器的設(shè)計與實驗研究*

畢超*，郭霞，徐昌語，楊輝

（北京航空精密機械研究所精密制造技術(shù)航空科技重點實驗室，北京100076）

為了精確測量航空發(fā)動機中的軸承座與外部機匣之間的相對變形量，應(yīng)用高溫合金、氧化鋁陶瓷以及耐高溫電纜等研制了可用于高溫環(huán)境的特種電容位移傳感器。將其安裝于機匣的承力支板中，即可實現(xiàn)該相對變形量的測量。傳感器采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用驅(qū)動電纜技術(shù)減小干擾信號的影響。本文首先對所設(shè)計的傳感器進行了仿真分析，以驗證其結(jié)構(gòu)合理性，然后搭建實驗平臺完成了傳感器的標定與性能測試，并進行了高溫驗證實驗。實驗結(jié)果表明，本文所研制的高溫電容位移傳感器能夠在0～2.0 mm的范圍內(nèi)實現(xiàn)位移的精確測量，測量誤差小于0.02 mm，并且能夠在室溫～500℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，因而可以滿足使用要求。

航空發(fā)動機；電容位移傳感器；仿真；高溫驗證

EEACC：7230；7210doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.008

在航空領(lǐng)域中，發(fā)動機作為一種高度復(fù)雜且精密的熱力機械，為飛機提供持續(xù)飛行的動力，是推進系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，對于飛行的可靠性、安全性和經(jīng)濟性等都有著重要影響。具體說來，航空發(fā)動機主要由機匣、靜子以及高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子等構(gòu)成，其中，機匣作為發(fā)動機中的主要承力構(gòu)件，通常是由外部機匣、內(nèi)部的軸承座以及若干個徑向承力支板等連接而成的薄壁環(huán)形零件［1］。在發(fā)動機的試車過程中，機匣不僅要承受氣體負載和質(zhì)量慣性力，還要承受由溫差引起的熱載荷，并且受到軸承載荷及傳動附件安裝彎矩的影響，這些因素不可避免地會使機匣類零件產(chǎn)生一定程度的變形，而過大的變形將會造成機匣的異常磨損［2］。

由于轉(zhuǎn)子的重力作用和逆時針方向（由后向前看）旋轉(zhuǎn)，根據(jù)渦輪的受力情況分析，軸承座外壁會受到向右和向下的作用力，從而使軸承座與外部機匣之間產(chǎn)生相對變形，導(dǎo)致軸承座的圓心向右下方傾斜。而渦輪轉(zhuǎn)子的主軸軸承就安裝于軸承座中，軸承座的偏心將會使渦輪轉(zhuǎn)子與外部機匣之間不同軸，導(dǎo)致葉尖間隙發(fā)生變化，由此帶來的轉(zhuǎn)靜碰摩不僅會對發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大影響，甚至會造成發(fā)動機損壞，給飛行帶來極大的安全隱患。根據(jù)我國新一代戰(zhàn)機的研制需求，迫切需要提升發(fā)動機的總體性能。其中的重要措施之一就是通過減小發(fā)動機內(nèi)轉(zhuǎn)靜件之間的間隙，并在轉(zhuǎn)靜件上安裝封嚴結(jié)構(gòu)（如氧化鋯、蜂窩結(jié)構(gòu)等），以達到最小的葉尖間隙，從而充分發(fā)揮材料特性來提高發(fā)動機的推重比和結(jié)構(gòu)效率［3］。在這種情況下，一旦軸承座與外部機匣之間產(chǎn)生相對變形，就會使渦輪轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心位移，進而使轉(zhuǎn)子葉尖間隙發(fā)生變化，造成轉(zhuǎn)靜碰摩。因此，應(yīng)采取必要的測試手段，以在試車過程中對軸承座與外部機匣之間的相對變形進行精確測量，掌握其變化規(guī)律，從而對其進行有效控制，可以為我國航空發(fā)動機的試車實驗提供一項測量技術(shù)支持。

然而，對于軸承座與外部機匣之間的相對變形量的測量，傳統(tǒng)測量方法的應(yīng)用受到很大限制，主要因素有兩個：首先，發(fā)動機內(nèi)的安裝空間狹小，因而要求傳感器要輕便小巧；其次，該位置處的測量環(huán)境較為惡劣，要求傳感器能夠承受500℃左右的高溫。這就使得常規(guī)的傳感器和測量方法難以應(yīng)用。因此，迫切需要研制出滿足上述使用要求的新式耐高溫位移傳感器。在眾多種類的耐高溫傳感器中，基于電容原理的傳感器具有成本低、精度高、結(jié)構(gòu)小巧、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點［4］，可以用于實現(xiàn)該相對變形量的測量。

電容位移傳感器是將被測位移轉(zhuǎn)化為電容量的傳感器件，具有優(yōu)良的性能，近年來獲得了巨大發(fā)展，一些國外企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了商品化的產(chǎn)品，獲得了廣泛應(yīng)用。德國Micro-Epsilon公司的capaNCDT系列電容式測量系統(tǒng)是行業(yè)中的佼佼者，其基于平行板電容器原理，采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，并配備獨特的主動降噪電纜，從而使系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性和抗干擾能力，可以為測量任務(wù)提供一個均勻穩(wěn)定的電場，因而適用于多種高精度測量場合。同時，國外在航空發(fā)動機內(nèi)惡劣環(huán)境中的測試問題上，也研制出了基于電容原理的特種測試技術(shù)，專門用于發(fā)動機試車過程中的健康狀態(tài)監(jiān)測、葉尖間隙測量以及轉(zhuǎn)子葉片的振動控制等。法國FOGALE Nanotech公司研制的電容式葉尖間隙測量系統(tǒng)CAPABLADE，具有很高的測量精度和響應(yīng)頻率，可以用于測量葉尖間隙，其測量范圍為0～4 mm，分辨率為1 μm，傳感器探頭耐溫可達1 400℃，系統(tǒng)頻響高達230 kHz，并具有多個通道，目前已應(yīng)用于Rolls-Royce公司的發(fā)動機葉尖間隙測量中。

在國內(nèi)，相關(guān)科研院所也已經(jīng)開展了基于電容原理的特種傳感器的研制工作，并取得了一定進展。蔣偉平等研制了一種用于葉尖間隙在線測量的高溫電容傳感器，具有耐高溫、準確性高、抗干擾能力強及連接可靠的特點，其高溫探頭的芯極和金屬外殼均采用熱膨脹系數(shù)很低的可伐合金，而絕緣部分采用氧化鋁陶瓷，并通過高溫硬質(zhì)電纜進行連接以完成信號傳輸［5］。龍成等研究了可用于葉尖間隙測量的電容位移傳感器，主要由中心電極、屏蔽層和絕緣材料等構(gòu)成，中心電極采用溫度系數(shù)較低且機械強度高的不銹鋼材料，絕緣部分由高純度的Al2O3粉末及其他配料經(jīng)過高溫燒結(jié)而成，連接電纜選用耐高溫的礦物絕緣電纜。所研制的傳感器可以用于高溫環(huán)境，在葉尖間隙為1.8 mm左右時的靈敏度可以達到 30 mV/0.025 mm，重復(fù)性誤差約為 0.05 mm［6］。李維雙等提出了基于電容法的葉尖間隙測量系統(tǒng)設(shè)計方案，并進行了驗證。硬件部分采用美國MTI公司的AS-900電容位移傳感器，其分辨率為0.002 5 mm，頻率響應(yīng)可以達到20 kHz，與其配套的高溫探頭可以在500℃高溫下正常工作［7］。

可以看出，國內(nèi)對高溫電容位移傳感器的研究基本還處于實驗室階段，多數(shù)針對葉尖間隙的測量問題，而應(yīng)用于機匣相對變形測量的研究較少。本文針對航空發(fā)動機中軸承座與外部機匣之間的相對變形的測量問題，應(yīng)用高溫合金、氧化鋁陶瓷以及高溫雙層屏蔽同軸電纜等研制了一種可用于高溫環(huán)境中的特種電容位移傳感器，將其安裝于承力支板中，即可對該相對變形量進行精確檢測。傳感器采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，以使其具有更加優(yōu)良的使用性能。本文首先應(yīng)用Ansoft Maxwell軟件對所設(shè)計的傳感器進行仿真分析，以驗證其結(jié)構(gòu)的合理性，然后搭建實驗平臺完成了傳感器的標定與性能測試，并進行了高溫驗證。

1　電容位移傳感器的工作原理

電容位移傳感器是將被測位移的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的一種裝置，實質(zhì)上就是一個可變參數(shù)的電容器。本文所設(shè)計的高溫電容位移傳感器基于平行板電容器原理，如圖1（a）所示，當忽略外圍的邊緣效應(yīng)時，兩個極板間的電容量C可以表示為

式中，S為兩個極板的相對覆蓋面積；d為極板間距；ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε=εrε0；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m。式（1）中的d、S和εr中的某一項或者某幾項發(fā)生變化時，就改變了電容量C的值。d和S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；εr的變化則可以反映液面高度、材料厚度等的變化［8］。在理想條件下，平行板電容器內(nèi)的電場均勻分布在兩個極板之間，而邊緣電場的存在會造成傳感器的靈敏度下降和非線性增加［9］。因此，為了克服邊緣效應(yīng)，通常在設(shè)計傳感器的測量電極時，為其增加等位環(huán)結(jié)構(gòu)。等位環(huán)與測量電極之間相互絕緣，但二者的電位相等，這樣就使得測量電極與被測物體之間的電場均勻分布，從而降低傳感器的非線性，如圖1（b）所示。

圖1　平行板電容器

在實際應(yīng)用中，傳感器與被測物體各自作為平行板電容器的一個電極，當傳感器固定時，被測物體的位移變化會引起極板間距d的變化，從而導(dǎo)致電容量C發(fā)生變化。通過一定的檢測手段精確測量出C的值，即可反求出d的變化量，從而實現(xiàn)位移的檢測?；谏鲜鲈恚疚脑谠O(shè)計高溫電容位移傳感器時，通過增加等位環(huán)和屏蔽外殼以構(gòu)成雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，以減小或消除邊緣效應(yīng)及外界電磁干擾的影響，提高測量精度和穩(wěn)定性。如圖2所示，在結(jié)構(gòu)上，傳感器主要由測量電極、等位環(huán)、屏蔽外殼以及內(nèi)、外支撐環(huán)等組成。

測量電極的直徑為7.8 mm，與被測物體之間可形成如圖1（b）所示的平行板電容器，從而將被測物體的位移轉(zhuǎn)化為電容量輸出；等位環(huán)與測量電極在同一平面上，位于測量電外側(cè)并將測量電極包圍，兩者之間的徑向間隙為0.1 mm，它與測量電極之間通過氧化鋁陶瓷和等電位屏蔽技術(shù)來實現(xiàn)電氣絕緣并保持電位相等；屏蔽外殼與等位環(huán)之間的徑向間隙為0.1 mm，主要用于保護傳感器并隔離外界電磁干擾；內(nèi)、外支撐環(huán)主要起固定和支撐作用，確保各個零件能夠可靠連接并準確定位。研究表明：這種傳感器結(jié)構(gòu)能夠極大降低邊緣效應(yīng)對測量結(jié)果的影響，結(jié)合“驅(qū)動電纜”技術(shù)，較好地解決了由電纜引入的有害分布電容的影響，特別適合于高精度的測量場合。

圖2　傳感器的機械結(jié)構(gòu)

2　傳感器的仿真分析

本文利用Ansoft Maxwell軟件對傳感器進行了建模和仿真，以驗證傳感器結(jié)構(gòu)的合理性。在Maxwell 3D模式下，首先選擇求解器類型為Electrostatic（靜態(tài)電場），在工程繪圖區(qū)創(chuàng)建傳感器的三維模型，并設(shè)置求解區(qū)域［10-11］，如圖3（a）所示。對各個部分分配材料屬性，其中，測量電極、等位環(huán)以及屏蔽外殼的材料為steel_1008，內(nèi)、外支撐環(huán)的材料為ceramic5，求解區(qū)域設(shè)置為vacuum。

圖3　傳感器的仿真模型

其次，施加激勵和邊界條件，在測量電極與等位環(huán)上施加激勵電壓+20 V，并設(shè)置屏蔽外殼與被測物體的激勵電壓為0 V［12］。再次，對整個模型進行三維網(wǎng)格劃分，效果如圖3（b）所示。最后進行軟件自動求解，經(jīng)后處理后得到的電場線矢量圖和等勢線圖分別如圖4（a）和圖4（b）所示，傳感器與被測物體之間在徑向方向上的電場強度如圖5所示。

圖4　仿真結(jié)果

圖5　徑向電場強度曲線

從圖4和圖5中可以看出，增加等位環(huán)和屏蔽外殼等結(jié)構(gòu)后，發(fā)散的邊緣電場被轉(zhuǎn)移到了等位環(huán)與屏蔽外殼之間。這就使得測量電極內(nèi)部和外圍的電場都非常均勻，而且電場強度恒定，電力線平直，等勢線間距相等，從而提高了傳感器的線性度和穩(wěn)定性，仿真結(jié)果充分說明了傳感器結(jié)構(gòu)的合理性。

3　傳感器的制備

本文所設(shè)計的傳感器主要包括機械部分（如圖6所示）和電路部分。由于將在試車過程中應(yīng)用于發(fā)動機內(nèi)的高溫環(huán)境，因而要求所有零件必須滿足高溫下的使用要求，包括測量電極、等位環(huán)、屏蔽外殼以及內(nèi)、外支撐環(huán)和信號傳輸線等。信號處理電路將接收到的電容信號轉(zhuǎn)化為與之相對應(yīng)的電壓信號，并輸出到信號采集系統(tǒng)中，以進行后續(xù)處理。

圖6　高溫電容位移傳感器

3.1機械部分

為了保證傳感器在高溫環(huán)境中具有良好的使用性能，需要選擇能夠應(yīng)用于高溫環(huán)境的金屬材料和絕緣材料。一方面，所選擇的材料在高溫環(huán)境下的變形要小，以免影響測量精度；另一方面，所選擇的材料要在高溫下保持良好的電氣性能，特別是絕緣材料，其在高溫下的絕緣性能是傳感器能否適用于高溫環(huán)境的關(guān)鍵因素。因此，本文選用了4J32B合金和99氧化鋁陶瓷，并應(yīng)用雙層屏蔽的高溫同軸電纜作為電容信號的引出線。

傳感器的測量電極、等位環(huán)以及屏蔽外殼由4J32B合金制成。4J32B合金是在低膨脹合金4J32的基礎(chǔ)上研制出來的一種線膨脹系數(shù)更低的合金材料，其密度為8.1 g/cm3，彈性模量為140 GPa，泊松比為0.3，線膨脹系數(shù)≤0.5×10-6/℃。由于其具有很低的線膨脹系數(shù)，因而主要應(yīng)用于要求尺寸穩(wěn)定的各種儀器、儀表零件等。

同時，傳感器的內(nèi)、外支撐環(huán)采用高純度的99氧化鋁陶瓷制成，這種陶瓷材料的主要特點是硬度高，具有良好的耐磨性、耐腐蝕性和耐高溫性能，可在1 600℃的高溫下長期使用，且電氣絕緣性能良好，在高頻下的絕緣性能尤為突出。實驗表明，99氧化鋁陶瓷在常溫下的耐電壓強度為8 000 V/m，在1 200℃時的耐電壓強度為6 000 V/m。

3.2電路部分

微小的電容信號難以直接測量，因而將其轉(zhuǎn)換為電量就成為整個信號處理電路的關(guān)鍵。經(jīng)過比較，選用德國 AMG公司的電容/電壓轉(zhuǎn)換集成電路CAV424，其基本功能是測量傳感器的電容與另一個參考電容之間的差值并將其轉(zhuǎn)換成差分的直流電壓信號進行輸出［13］。CAV424是模擬電路，具有較高的頻響，測量精度僅由信噪比決定，其電路原理框圖如圖7所示。由參考振蕩器驅(qū)動兩個結(jié)構(gòu)對稱的積分器進行積分，使它們在時間和相位上同步，這兩個積分器的振幅由外接參考電容和待測電容來決定。振幅的差值即可反映出參考電容和待測電容的差值，該差值再通過后面的兩級有源濾波器濾波為直流電壓信號，最后把該直流電壓信號輸送到可調(diào)放大器，由外接電阻調(diào)整輸出電壓的零點和滿度，即可實現(xiàn)電容信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換［14］。該芯片可以作為微處理器（單片機）的前置級，也可直接用作電容信號的處理電路。

圖7　CAV424芯片的電路原理框圖

基于CAV424，本文設(shè)計了電容信號處理電路，如圖8所示，能夠?qū)鞲衅髁砍谭秶鷥?nèi)的被測位移轉(zhuǎn)化為0～5 V的電壓輸出。傳感器通過耐高溫的雙層屏蔽同軸電纜將電容信號輸入處理電路，其中，電纜芯線與測量電極連接，內(nèi)屏蔽層與等位環(huán)連接，外屏蔽層與屏蔽外殼連接。在電路中，采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)以減小或消除寄生電容等干擾信號的影響，電纜的內(nèi)屏蔽層與芯線之間通過放大倍數(shù)為1的同相放大器實現(xiàn)電位相等，從而使內(nèi)屏蔽層上有隨著傳感器輸出信號變化而變化的電壓，進而消除內(nèi)屏蔽層與芯線之間的干擾電容［15］。另外，電纜的外屏蔽層接入大地（或傳感器地），以防止外界電磁場的干擾。

圖8　電容信號處理電路

4　性能驗證試驗

CAV424芯片能夠?qū)㈦娙萘康淖兓D(zhuǎn)化為直流電壓的變化并進行輸出，因而需要通過標定來確定傳感器的輸出電壓與被測位移之間的對應(yīng)關(guān)系，以獲得其輸入-輸出函數(shù)。因此，本文基于三維手動平移臺等搭建了電容位移傳感器的性能測試平臺，如圖9所示。該性能測試平臺主要由底座、傳感器夾具、三維手動平移臺、剛性支架以及電感測頭等組成。在實驗過程中，將所研制的電容位移傳感器通過夾具固定在底座上，同時將被測物體固定在三維手動平移臺的工作臺面上。

圖9　傳感器性能測試平臺

4.1穩(wěn)定性測試

根據(jù)軸承座與外部機匣之間的相對變形量的測量需求，要求所研制的高溫電容位移傳感器的量程范圍為0～2.0 mm，并且具有較高的穩(wěn)定性和測量精度。因此，本文首先在性能測試平臺上對傳感器的穩(wěn)定性進行測試。在實驗過程中，將整個系統(tǒng)放置在恒溫恒濕的環(huán)境中，在傳感器的量程范圍內(nèi)選取若干個測量位置，每隔30 s記錄一次信號處理電路板的輸出電壓，連續(xù)記錄2 h，共采集到240個數(shù)據(jù)點，以測試傳感器輸出信號的穩(wěn)定性，如圖10所示為其中某個位置處采集到的電壓數(shù)據(jù)。

圖10　穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)

從圖10中可以看出，在2 h的時間范圍內(nèi)，電容信號處理電路板的輸出電壓始終處于2.415～2.440 V（0.119～0.116 mm）的范圍內(nèi)，并且呈現(xiàn)為隨機變化的特征，沒有發(fā)生明顯的漂移。同理，在傳感器的量程范圍內(nèi)選取其他位置進行穩(wěn)定性測試，實驗結(jié)果表明本文所研制的特種電容位移傳感器的穩(wěn)定性能良好。

4.2輸入-輸出特性標定

調(diào)節(jié)三維平移臺的手柄，使被測物體沿著電容位移傳感器的軸線方向移動，同時采集被測物體的位移量與傳感器的輸出電壓，以進行傳感器輸入-輸出特性的標定。被測物體的位移大小通過高精度的電感測頭進行測量，電感測頭選用英國Solartron Metrology公司的DP/10/S型電感位移傳感器。以信號處理電路的輸出電壓為縱軸，以傳感器的輸入位移為橫軸，所得實驗數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11　傳感器的輸入-輸出實驗數(shù)據(jù)

從圖11中可以看出，所研制的高溫電容傳感器在常溫時的輸入位移與輸出電壓基本呈反比例關(guān)系，與理論分析相符。設(shè)位移為y，電壓為x，則傳感器的輸入-輸出函數(shù)可以表示為y=f（x）。但實際上，用最簡單的反比例函數(shù)來擬合y=f（x）時，殘差很大，無法達到計算的精度要求。因此，本文選用如下的反比例函數(shù)形式來對傳感器的輸入-輸出函數(shù)y=f（x）進行最小二乘擬合。

式（2）中的函數(shù)為非線性函數(shù)，為了求取其中的未知參數(shù)a、b和c的最小二乘解，應(yīng)用非線性最小二乘法進行擬合，所得結(jié)果如下

擬合函數(shù)的相關(guān)度為99.98%，均方根誤差為0.007 7 mm。計算各個數(shù)據(jù)點處的位移測量誤差，如圖12所示。

圖12　位移測量誤差

從圖12可以看出，在傳感器的0～2.0 mm的量程范圍內(nèi)，每個數(shù)據(jù)采集點處的位移測量誤差的絕對值均小于0.02 mm，能夠滿足發(fā)動機內(nèi)軸承座與外部機匣之間的相對變形量的檢測需求。

4.3高溫驗證

為了驗證傳感器在高溫環(huán)境下的適用性，本文應(yīng)用高溫箱式電阻爐作為實驗設(shè)備，來模擬發(fā)動機內(nèi)的高溫環(huán)境。將傳感器與被測物體放置在爐膛內(nèi)，關(guān)閉爐門，調(diào)整電阻爐的溫度設(shè)定值，使其從室溫逐漸上升到500℃，并在500℃保溫一段時間。在這個過程中，每隔30 s采集一次傳感器的輸出電壓，共采集到240個數(shù)據(jù)點，以驗證傳感器在室溫～500℃的溫度范圍內(nèi)能否正常工作，所采集到的數(shù)據(jù)如圖13所示。

圖13　高溫環(huán)境中的輸出電壓曲線

從圖13可以看出，傳感器在環(huán)境溫度從室溫逐漸上升到500℃的過程中，該位置處的輸出電壓始終處于2.108～2.144 V（0.153～0.149 mm）的范圍內(nèi)，沒有發(fā)生明顯的漂移，對于這些變化可以通過后期的溫度補償?shù)靡韵?，從而使傳感器在高溫環(huán)境中保持較高的測量精度。實驗表明，本文所設(shè)計的高溫電容位移傳感器能夠在高溫環(huán)境中穩(wěn)定工作。

5　結(jié)論

本文應(yīng)用4J32B合金、99氧化鋁陶瓷以及高溫雙層屏蔽同軸電纜等研制了可以用于高溫環(huán)境下的電容位移傳感器，并應(yīng)用集成電路芯片CAV424設(shè)計了電容信號處理電路，以用于航空發(fā)動機內(nèi)軸承座與外部機匣之間的相對變形的測量。該傳感器通過等位環(huán)、屏蔽外殼等構(gòu)成雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。通過應(yīng)用Ansoft Maxwell軟件對傳感器進行仿真，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，并搭建了實驗平臺完成了傳感器的標定與性能測試，本文所研制的高溫電容位移傳感器能夠在0～2.0 mm的范圍內(nèi)對被測位移實現(xiàn)精確測量，測量誤差小于0.02 mm，并且能夠在室溫～500℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，具有一定的應(yīng)用潛力。

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畢超（1987-），男，河北廊坊人，2010年于河北工業(yè)大學獲得學士學位，2013年于天津大學獲得碩士學位，現(xiàn)為北京航空精密機械研究所精密制造技術(shù)航空科技重點實驗室的機械工程師，主要從事精密測試技術(shù)及儀器等方面的研究工作，773721278@qq.com；

郭霞（1979-），女，北京人，2002年于北京聯(lián)合大學機械工程學院獲得學士學位，現(xiàn)為北京航空精密機械研究所精密制造技術(shù)航空科技重點實驗室的高級工程師，主要從事三坐標測量機與測量設(shè)備等方面的研究工作，82650765@qq.com。

Study on Design and Experimentation of Capacitance Displacement Sensor Used in High-Temperature Environment*

BI Chao*，GUO Xia，XU Changyu，YANG Hui
（Aviation Key Laboratory on Science and Technology of Precision Manufacturing Technology，Beijing Precision Engineering Institute for Aircraft Industry，Beijing 10076，China）

For the purpose of measuring the relative deformation between the bearing chock and the outer casing in an aero engine accurately，a capacitance displacement sensor used in high temperature environment is developed，which is principally made up of high-temperature alloy，alumina ceramics and special cable etc.Therefore，the measurement of this relative deformation can be achieved by installing the sensor in the supported slab of the casing.Based on the double shielded structure of the sensor and the driving cable technology，the interference signal may decrease greatly.In the paper，the simulation analysis of the sensor is executed to verify the rationality of the structure firstly.And then，an experimental platform is established to execute calibration and performance testing of the sensor，as well as the verification at high temperature.As the experiments show，the capacitance displacement sensor used in high temperature environment can realize accurate measurement in the range from 0 to 2.0 mm，whose measuring error is smaller than 0.02 mm.Also，the sensor can work stably from room temperature to 500℃，which meets the application requirements.

aero engine；capacitance displacement sensor；simulation；high-temperature verification

TP212

A

1004-1699（2016）10-1509-07

項目來源：國家科技重大專項項目（2013ZX04001071）

2016-04-11修改日期：2016-06-10