某航空用压力传感器可靠性研究

0   引言

随着我国综合实力的提升，我国的航空制造技术在近年来取得了很大的进步。但是在当前的国际环境中，其他国家的航空制造技术也在突飞猛进的发展，给我国航空业的发展带来了很多的压力。在目前形势下，国内许多领域的发展对航空业提出了更高的要求, 故航空制造业需要加强自身技术水平的提升和制造能力的提升，适应国内、国外发展的需要。

压力传感器的可靠性（Mean time between failure，平均故障间隔时间）是指在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，可靠性是对压力传感器投入使用时无故障工作能力的度量，通常用失效率来表示。^[1]压力传感器是对压力进行测量，并把压力通过一定的规律转换成电信号，从而压力传感器就成为测量这一信号的重要元器件，被广泛地应用在航空制造业压力传感器的可靠性直接关系着航空系统性能和质量，影响着工作效率以及经济效益，甚至会带来严重的人身安全问题，故航空用压力传感器的可靠性研究是十分重要的，提高航空用压力传感器的可靠性也迫在眉睫。

1   压力传感器概述

1.1 主要组成（见图1、图2）

压力传感器是由压力接口、压力敏感元件以及信号输出三部分组成，压力接口为金属部件，压力敏感元件主要由压力敏感电桥、烧结管壳、填充陶瓷、金属膜片、焊环五部分组成，信号输出部分由引出信号输出线和PCB电路板组成。

图1 压力传感器组成图

表压压力传感器主要由压力敏感器件（芯体）、转换元件（信号处理电路）、压力接口及封装（机械结构及接插件）3 部分组成。

压力敏感器件是传感器的核心功能元件，由硅基力敏敏感芯片、金属隔离膜片、保护液体，金属部件等组成。

转换元件（信号处理电路）包括补偿电路、放大电路、滤波电路等组成。硅基力敏敏感芯片把测量压力信号转换成电压信号（mV 级），再经过补偿和放大，使传感器输出调整到规定的标准规范信号0.5 ～ 5 V。

1.2 防水透气材料的原理

一般的防水透气材料由高分子防水透气薄膜和阻燃布复合而成。高分子防水透气薄膜内有微小的孔隙，孔的直径为零点几到几十μm。雨水水珠直径的平均值如表1所示。从表1 中看出，高分子防水薄膜的孔隙直径比水滴直径小很多，甚至不到水滴直径的千分之一，所以在常温状态下，水以液态形式存在时，是不可能通过防水透气材料进入传感器内部的，而空气分子的直径比防水透气材料的孔隙直径小很多，可以透过，基于此该种材料就能达到防水透气的目的。

1.3 防水透气材料的选择

防水透气材料主要分为以下四大类：高密织物、层压织物、涂层织物和膨化织物。

本文探讨的传感器用防水透气材料是由聚四氟乙烯薄膜膨化拉伸扩展而成的，被拉伸的聚四氟乙烯膜在三维方向均形成了网状结构。优异拉伸技术能够使微孔直径保持在0.3 ～ 1.2 μm，远远小于水珠直径，阻水性能优异，最小轻雾也不能通过；同时微孔直径又远大于气体分子；所以该种材料具备防水功能的同时，也能允许气体分子轻松通过；材料使用温度范围为（-55 ～ 200）℃，可满足大部分压力传感器的工作温度要求。

1.4 防水透气材料在表压传感器上的应用

1.4.1 传感器通气结构设计

传感器的结构设计针对表压传感器的密封防护和防水性的要求，综合各方面考虑在传感器外壳上端设计了安装防水透气组件的通气孔，以此来实现整个传感器的通气和防水功能。图3 为传感器通气结构示意图。

与防水透气组件对接的螺纹接口处使用密封圈密封，从而保证传感器与外界环境的连通，通过组件可以隔绝水分进入传感器内部，达到透气防水的目的。为了保证防水和防振动的效果，在螺纹处涂抹少量螺纹保护胶。

图2 传感器结构设计

1.4.2 防水透气组件设计

防水透气组件选择金属材料，通过螺纹连接方式安装到传感器的合适位置，同时应考虑工作温度、环境湿度、防水要求和冲击、振动等环境适应性要求。

防水透气组件内部为通孔设计，使得组件与外界环境相通，将聚四氟乙烯膨化材料填充在组件内部，四周压紧，防止水分从聚四氟乙烯膨化材料与组件安装面进入，组件采用螺纹机械接口，可以设计成M3/M4 等直径较小螺纹，为后续组件安装预留足够安装空间，组件如下图所示。

图3 防水透气组件结构设计

2 实验验证

2.1 透气实验

表压传感器是通过感受测试介质和大气压力差值输出差分的信号。若传感器透气性不好，使传感器内外存在明显压差，将导致传感器在不同的海拔高度下测试输出有明显差异。

通过低气压试验箱进行透气性试验，在海平面和海拔7 620m 高度下分别进行传感器性能测试，测试结果及对比结果见表1。结果表明从海平面到海拔7 620m传感器输出信号变化较小。说明在从海平面到高海拔过程中，传感器内部气体的大气压力也随着海拔高度的升高而发生改变，只有当传感器内部气体压力与外界环境气体压力相等时，才能使得传感器的表压输出信号不发生改变。实验证明海拔高度升高过程，传感器内部气体可自由出入传感器，因此可证明材料透气性良好。

2.2 防水实验

能否隔绝雨水冲击是该类型传感器的重要指标，因此采用IP67 淋雨试验验证其防水性能。

将表压传感器放入喷淋试验箱，然后以450 L/H 喷水量进行喷淋试验，0.5 h 后取出传感器进行测试。试验后，测试传感器性能，结果与喷淋实验前输出数据基本吻合。用绝缘电阻测试仪测试传感器的绝缘电阻为890 MΩ，绝缘性能良好。根据以上测试结果，说明在喷淋过程中和喷淋之后，水未进入传感器，因此可证明材料的防水性能良好。

3 传感器可靠性设计

传感器的可靠性设计是传感器性能的关键指标。选择合适的防水透气组件所要做的并不单单是从防水透气阀的目录中选择一个产品，而是需要综合考虑产品的材料、尺寸、膜的开孔率、厚度、孔径等多种因素。因此应根据具体的传感器要求（如最大透气量、防护等级、工作温度、外壳的尺寸等）进行设计制造。

传感器的防护等级（IP67）表示防水透气组件必须能够承受对水进行防护的量，而周围环境的恶劣程度也会影响防水透气组件在传感器外壳上安装的位置和方法。

在防水透气组件的设计过程中，往往只关注组件的防水性、透气性以及环境适应性，忽略了实际工作条件下传感器的自然凝露带来的问题。如果在传感器设计上没有考虑到防凝露的措施或所采取的措施不当，就会导致传感器内部有水汽凝结在电路板上，导致电路漏电增加或短路，严重时甚至会导致电路烧毁；凝露还可能造成传感器的绝缘性能下降、漏电增大，甚至会出现飞弧和击穿等现象，造成整个系统的损伤。

经过理论分析及大量试验结果表明：安装防水透气组件的压力传感器，内部湿度会跟随外部迅速变化，在凝露情况不可避免的情况下，防水透气组件会迅速排出凝露，将凝露的量控制在比较小的范围不影响传感器性能；而不安装防水透气组件的压力传感器由于凝露的长期累积并不外排会导致电路短路，对压力传感器的可靠性带来巨大风险。

4 结束语

本文通过对防水透气材料的研究，选择聚四氟乙烯膨化材料作为表压传感器防水透气材料；进一步设计防水透气组件，并充分考虑了传感器可靠性设计、现场应用的模拟等；经过试验和实际现场验证，可满足通气式表压压力传感器防水、透气、可靠性提升等工作要求。

参考文献：

[1] 徐开先,钱正洪,等.传感器实用技术[M].北京:国防工业出版社,2020:248-262.

[2] 方昆凡.工程材料手册非金属材料卷[M].北京:北京出版社,2000.

[3] 李艳梅,陈勤,颜志红,等.压力传感器通用规范[M].北京"总装备部军标出版发行部,2002.

[4] 钟锡华,周岳明.大学物理力学[M].北京:北京大学出版社,2010.

[5] 张建可.防水透气材料在航天器上的应用研究[J].中国空间科学技术,2009(1):68-71.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年11月期）