无线MEMS传感系统在燃气轮机等恶劣环境下的应用

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252014V01．35No．82081·2090ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxbbuaa．edu．cahkxb@buaa．edu．ca无线MEMS传感系统在燃气轮机等恶劣环境下的应用尤政*，王伟忠，陈硕，阮勇清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室微纳制造、器件与系统协同创新中心，北京100084摘要：燃气轮机是应用于航空、能源、海陆交通等诸多领域的重大核心装备之一。对燃气轮机工作过程中各项环境参数(如温度、压力等)的实时监测，可进一步完善和优化燃气轮机结构、提

2、高效率、减少排放和降低维护费用。新近发展起来的基于微机电系统(MEMS)技术的传感系统在高温、高压等恶劣环境下具有无可比拟的应用优势，特别是在恶劣工作条件下以燃气轮机为代表的大型机电设备的各项环境参数监测中，应用潜力巨大。本文对燃气轮机等恶劣环境下的传感技术、无线信号传输技术及SiC无线MEMS传感系统实现方案进行了综合介绍、评述和讨论，并对无线MEMS传感系统在燃气轮机等恶劣环境下的应用进行了展望。关键词：燃气轮机；无线MEMS传感系统；实时监测；恶劣环境；高温；高压中图分类号：V241．7；U464．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)08—2081—10现代能源装备制

3、造业的迅速发展使其装备朝着大型化、复杂化和极端化的方向发展，这直接导致了以燃气轮机为代表的大型机电设备工况监测环境的要求进一步提高。目前，新一代燃气轮机初温已达1427℃[I，而传统的硅基传感系统无法直接长期在500～1000℃的极端工作环境下工作，对燃气轮机的温度、压力等工况进行实时监测。因此，无法对燃气轮机等大型能源设备的使用效率的提高与故障诊断提供足够的信息支持，严重影响了其使用效率的提高与故障诊断。Pisano团队的有关研究表明：一台200MW的大型燃气轮机若提高2％的效率，则每年可多生产35GW·h的能量，可节省350万美元(每kW·h计0．1美元)Eel。而且燃气轮机在运行过程中一

4、旦发生故障就会造成很大损失，甚至发生严重事故。因此迫切需要对燃气轮机工况(温度、压力等)进行实时监测，通过分析当前环境条件下的监测数据，判断和预测燃气轮机中部件性能以及其对整体机组性能的影响。作为对机组进行故障预测、排查、设备维护和改进、提高效率等的重要依据。同时，温度、压力等的实时监测还可为燃气轮机内部温度场和压力场数学模型的建立和仿真提供实测数据口“，进而验证理论模型的正确性，进一步优化燃气轮机结构。微机电系统(MicroElectroMechanicalSys—tem，MEMS)技术是微／纳米技术的一个重要方面，它主要研究惯性、信息、能源和生化等器件与微系统。MEMS技术具有一般意义上的

5、微型化、低成本、集成化和低功耗等特点。随着MEMS技术的发展，基于碳化硅(SiC)、氮化铝(A1N)等材收稿日期：2014—03—21；退修El期：2014—04—08；录用日期：2014一04·25；网络出版时间：2014—05—0708：58网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／doi／10．7527／S1000·689320140084html基金项目：清华大学自主科研计划(20131089351)*通讯作者Tel：010-62774799E-mail：yz—dpi@mailtsinghuaedu．cn飘用格武lYouZ，WangWZ，ChenS．etalApplication

6、sofwirelessMEMSsensingsystemingasturbineandharshenvironmen《Jj．Acta—AeronauticaetAstronauticaSinica，2014，35(8)：2081-2090龙度．王带，搴．朦页．等无线MEMS传感系纺在燃气鞋祝等恶劣环境下的应用!J]．航空学报，2014，35(8)：2081-2090．航空学报Aug．252014V01．35No．8料的高温性能且在恶劣环境下工作的各种MEMS传感系统的出现，为燃气轮机等大型能源设备运行工况的实时监测提供了可能，并成为国内外MEMS传感系统研究热点之一。但是目前研究主要集中在实验

7、室阶段，离实际应用还有一段距离，尚无真正意义上的产品。1恶劣环境下的传感技术所谓恶劣环境并没有一个统一的确切定义，一般是个相对概念。换言之，任何强烈影响传感系统的设计、运行和性能的环境均可称之为恶劣环境。本文所指极端恶劣的环境条件包括：①温度接近8001800℃；②酸碱环境(4