充液式温度传感器线性性能影响因素分析

摘 要 充液式温度传感器是发动机燃油调节器系统重要元件之一，保证其良好的线性特性，对准确地带动连杆机构工作、防止由行速度的变化引起发动机喘振具有重要意义。本文探讨了内腔加一凸台的充液式温度传感器及其线性特性变化趋式。分析了充液环境、焊接波纹管刚度、内腔结构尺寸对充液式温度传感器线性性能影响。通过实验得出了温度传感器敏感液体充灌的最佳次数，增加膜片厚度是提高焊接波纹管刚度的最简捷方法、减少焊接波纹管内部零件凸台结构尺寸的调整手段。研究结果对同类温度传感器的研制奠定了理论及实践基础。

关键词 焊接波纹管；刚度；零件凸台；充液环境；影响因素

中图分类号TP212 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）87-0099-02

0 引言

充液式温度传感器是一种在组件的密闭内腔充满对温度敏感的液体，文献[1]阐述了敏感液体的要求与特性，文献[2]给出了液体的体膨胀系数，在感受外界温度的变化后，敏感液体的体积随之产生胀缩，通过弹性元件输出位移，控制阀门开启的大小，以调节供油量及叶片的张开角度或对通过杠杆机构最终改变喷嘴挡板活门的开度，给出燃油流量的温度补偿等。

充液式温度传感器结构简图见图1。

充液式温度传感器在我国机载传感器中，占有很重要的位置，有着高灵敏度和高精确度，在航空发动机、自动控制等领域有着广泛的应用。但在弹性敏感元件研究领域中，对充液式温度传感器[3]线性性能的影响因素却未见有系统的阐述。

某型号燃油调节器配套用焊接波纹管充液式温度传感器，其线性度是该型温度传感器重要的性能指标。其结构简图见图2，焊接波纹管内腔加一凸台。

生产实践中发现，温度传感器非线性度大，制约着产品的研制。本文主要研究不同因素对温度传感器线性性能的影响，以改善产品的性能，利于主机的装调。

1 充液量对最大输出温度位移的影响

由于产品内腔充灌的是感温液体，产品的位移是通过液体的膨胀来实现，所以充灌液体量的大小直接影响产品的位移，而充灌液体的环境温度及充灌时的真空度又是影响充灌液体量的直接因素：

1）环境充液温度太高，液体膨胀，充灌量少，输出位移小；温度太低，液体收缩，充灌量多，输出位移又大，因此必须选择合适的温度进行液体的充灌，以达到理想的位移值；

2）真空度的高低对液体充灌的影响不可忽视，真空度不够，即不能保证有足够的位移及较好的线性度，因此在保证真空度的前提下，充灌次数也应控制在4次以上。

但必须的指出的是，最大输出温度位移合格是线性计算的基础。故研究线性特性的前提条件是最大输出温度位移在合理的范围内。

2 焊接波纹管刚性对温度传感器线性影响

文献[4]阐述了焊接波纹管所用膜片的基本形式，焊接波纹管是由多个膜片组合而成，当制造膜片的材料确定后，波纹管刚度的大小主要取决于膜片的波纹形状及几何参数[5]等，影响焊接波纹管刚度的主要因素[6]，详见表1。

3 随着波纹深度的增加，

波纹管的初始刚度也增加，非线性度减小

焊接波纹管的刚性大小对温度传感器线性的影响曲线，详见图3。

从图中可以看出，增加焊接波纹管刚性，温度传感器的非线性减小。而焊接波纹管刚性增加最有效又简单的办法是增加膜片的厚度。由表1知，当膜片有效半径R/r和高厚比H/h保持不变时，波纹管的刚度与膜片厚度h的立方成正比，本文中膜片厚度的微量调整后，传感器实际非线性误差见表3。

由表3知：膜片厚度增加0.002㎜，焊接波纹管的刚度平均增加0.13kg/mm，非线性平均改善1.67%。

3 波纹管内腔凸台对线性度的影响

消除传感器提前止动，实践中凸台尺寸变化如图5。

温度传感器的线性度主要由敏感液体的固有特性决定的，一旦敏感液体确定了，它的体膨胀系数也就基本确定，传感器位移输出根据液体不可压缩性并随环境温度的影响进行膨胀及收缩通过焊接波纹管组合件来实现。由于传感器位移的输出是在焊接波纹管输出端加载的前提下实现的，因此传感器特性在低温-T℃时，由于感温液体的作用，已经产生一定量的收缩方向的位移，此时作为产品的零点位置，而在收缩方向若遇到止动（凸台高）的情况，则其收缩位置不能到位，而在（-T+T）位置点，当温度升高时，输出的起始位移产生滞后，位移减小，输出的总位移也减少，产品的线性将呈现减增的状态，如图4所示。

4 结论

为改善温度传感器的线性，满足航空发动机需求，在敏感液体不变的前提下，从如下三方面解决。

1）调整适当的充液温度，且保证传感器内腔的真空度及充液量，需充灌液体至少4个循环，使温度传感器达到最佳状态；

2）增加焊接波纹管刚度，最简单、有效的办法是微量增加波纹管的厚度；

3）波纹管内腔设有凸台，应消除产品的提前止动状态。将伸入焊接波纹管内腔底座的中心凸台尺寸减少0.2㎜，使产品在零点位置充分收缩，充分反映出固有线性特性。

参考文献

[1]编写组.航空材料手册（下册）[M].北京：国防工业出版社，1972：257.

[2]何文治，马业广，王云机.航空制造工程手册[M] .北京：航空工业出版社，1993：38.

[3]王柏生，膜片、膜盒、波纹管及其组合件制造工艺[M].太原，2012：110-112.

[4]Л.Е安德列娃主编.波纹管的计算与设计[M].翁善臣，译.北京：国防工业出版社，1982：102-103.

[5]膜片特性设计手册[M].北京.国外航空编辑部，1974：95-99.

[6]金慧根.航空制造工程手册/弹性元件工艺[M].北京：航空工业出版社，1994：373-374.

[7]刘俞铭.波纹管设计计算与生产新工艺技术[M].北京.北方工业出版社，2006：296-303.