崔云先 胡曉勇 薛帥毅 劉 義 牟 瑜

大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院,大連,116028

0 引言

動車組運營速度的不斷提高，對列車安全技術(shù)提出了更高的要求[1]，其中列車軸溫監(jiān)測是保障列車安全運行的關(guān)鍵因素之一。如果動車組軸箱軸承異常發(fā)熱，輕則出現(xiàn)暖軸或熱軸現(xiàn)象，影響動車組的正常運行；重則造成熱切軸，嚴重影響鐵路運輸安全，甚至造成生命和財產(chǎn)損失[2]。由此，快速而準確測量高速動車組軸箱軸承的瞬態(tài)溫度，對列車安全運行有著極其重大的意義。

QIAN等[3]將低功耗的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)溫度傳感器用于基于射頻識別(RFID)的列車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)中，把集成有CMOS溫度傳感器的RFID無源標簽粘貼在軸端上，通過RFID閱讀器跟蹤讀取采集到的溫度信號，從而實現(xiàn)了軸溫的直接測量，但其溫度測量的最大值為120 ℃，溫度過高時會導(dǎo)致傳感器失效。王鐵流等[4]將陣列式紅外探測器應(yīng)用在列車軸溫探測系統(tǒng)中，相比于傳統(tǒng)的單點軸溫探測方法，其可靠性和響應(yīng)速度均有很大提升，但依然存在測溫滯后且易受環(huán)境干擾的問題，僅能對速度低于400 km/h的列車進行有效跟蹤檢測。CRH1型動車組[5]軸溫監(jiān)測系統(tǒng)中采用了美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，但由于DS18B20數(shù)字溫度傳感器的響應(yīng)時間較長，測溫范圍較窄，故在高速動車組溫度監(jiān)控中無法滿足實時測量軸承瞬態(tài)溫度的需求。CRH3型動車組[6]軸溫監(jiān)測系統(tǒng)中采用了雙通道的Pt100溫度傳感器，通過每輛車配備的模擬量輸入設(shè)備(Compact Pt100)，將傳感器每個通道隨溫度變化的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，但由于其檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且這種傳感器滯后現(xiàn)象嚴重，故不適合測量快速變化的軸溫。

本文針對高速動車組瞬態(tài)軸溫測試的需求，設(shè)計并研制了一種用于軸溫測量的可嵌入并可跟隨磨損的特種結(jié)構(gòu)薄膜傳感器。滾動軸承在運轉(zhuǎn)過程中，滾動體與外圈滾道接觸部位的溫度最高[7]，故本文將研制的薄膜傳感器嵌入在軸箱軸承的外圈內(nèi)。該傳感器與傳統(tǒng)的軸溫傳感器相比，具有熱容量小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高、結(jié)構(gòu)尺寸小且測溫端可磨損等優(yōu)點。

1 特種結(jié)構(gòu)薄膜傳感器的設(shè)計

薄膜傳感器與普通絲式熱電偶工作原理相同，即兩種不同材料的電極首尾相連構(gòu)成閉合回路，當兩接點分別處在不同溫度場中時，熱電偶回路中將產(chǎn)生熱電勢[8]。本文研制的薄膜傳感器基底材料選擇硬度小、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小、機加工性能好、致密均勻且容易涂覆的6061鋁合金，采用超精密線切割機床加工而成。

該薄膜傳感器由凸臺半圓柱和凹槽半圓柱構(gòu)成，其直徑為6 mm，長度為20 mm，如圖1所示。其中凸臺半圓柱為傳感器的主體部分，在其凸臺上表面，采用直流脈沖磁控濺射技術(shù)，通過磁控靶材及掩?？刂埔来纬练e厚度為2.6 μm的Al2O3絕緣薄膜、厚度為800 nm的NiCr/NiSi熱電極薄膜、厚度為600 nm的SiOxNy保護薄膜。NiCr/NiSi薄膜重合部位形成傳感器的熱接點(即測溫端)，熱接點面積為10×2 mm2。

(a)凸臺半圓柱

(b)凹槽半圓柱圖1 凸臺半圓柱和凹槽半圓柱結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of convex half cylindrical and concave half cylinder

該薄膜傳感器的NiCr/NiSi熱電極薄膜分別與NiCr/NiSi補償導(dǎo)線用常溫快干導(dǎo)電銀膠一一對應(yīng)粘接，并在導(dǎo)電銀膠表面涂覆硅橡膠，以起到保護導(dǎo)電銀膠、增強連接可靠性的作用。將制備好的凸臺半圓柱和凹槽半圓柱利用凸臺定位進行裝配，然后擰緊平端緊定螺釘，以起到緊固補償導(dǎo)線增強抗拉能力的作用。裝配完成后的薄膜傳感器其測溫端可加工成與被測對象表面形狀相匹配的任意形狀并可跟隨配合磨損。

2 薄膜傳感器中薄膜的制備

2.1 Al2O3絕緣薄膜的制備

薄膜熱電偶與鋁合金基底間的絕緣電阻必須高于國家標準熱電偶要求的絕緣電阻(106Ω)[9]，否則會由于熱電勢損耗而造成測量誤差，甚至導(dǎo)致無法正常測量。常用的絕緣薄膜有Al2O3薄膜、SiO2薄膜、HfO2薄膜等，由于Al2O3薄膜與鋁合金基底材料相近，可起到過渡合金底膜的作用[10]，且具有良好的絕緣性、抗?jié)裥?、耐高頻性和穩(wěn)定性，故選擇Al2O3薄膜作為薄膜傳感器的絕緣薄膜。

分別采用直流脈沖磁控濺射工藝和直流脈沖磁控濺射加射頻偏壓工藝制備Al2O3絕緣薄膜。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)：相同條件下，加射頻偏壓沉積的速率更快，所制備的Al2O3薄膜致密性、結(jié)合力及絕緣性均優(yōu)于未加偏壓[11]。選擇JZFZJ-50S高真空多功能復(fù)合鍍膜機，采用直流脈沖磁控濺射加射頻偏壓制備Al2O3絕緣薄膜。在濺射Al2O3絕緣薄膜之前，需先將凸臺半圓柱的凸臺上表面研磨、拋光至鏡面，然后置于超聲清洗機內(nèi)依次用丙酮、酒精和去離子水分別清洗兩次，用N2氣烘干后固定在自制的半圓柱夾具上，然后放入真空室內(nèi)。在濺射Al2O3薄膜前先將擋板關(guān)閉，對靶材進行預(yù)濺射清洗，以清洗掉靶表面的氧化物及雜質(zhì)。將RSG500射頻電源調(diào)至60 V，打開擋板，開始進行Al2O3薄膜的濺射。Al2O3絕緣薄膜濺射沉積工藝參數(shù)如表1所示。

表1 Al2O3絕緣薄膜濺射沉積工藝參數(shù)

注：sccm表示標準狀態(tài)亳升每分

采用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡(SEM)測試所制備的Al2O3薄膜表面形貌，如圖2所示。從圖2中可以看出,所制備的Al2O3薄膜具有致密均勻、連續(xù)性好且沒有明顯缺陷等特點。用Dektak 6M型膜厚測量儀測得膜厚為2.6 μm，用ZC36高阻計測得絕緣電阻為3.2×109Ω，滿足熱電偶的絕緣要求。

圖2 Al2O3薄膜的SEM圖Fig.2 SEM image of Al2O3 thin film

2.2 NiCr/NiSi熱電極薄膜的制備

制備NiCr/NiSi熱電極薄膜時，需要設(shè)計兩個形狀不同的掩模，每個掩模去除部分的形狀即為對應(yīng)熱電極薄膜的形狀，兩掩模重合部位形成傳感器的熱接點。由于本文設(shè)計的薄膜傳感器其測溫端在測量過程中跟隨被測對象配合磨損，故要求熱接點長度比普通熱電偶溫度傳感器長，尺寸設(shè)計為10 mm×2 mm。濺射時由于掩模壁阻攔射線，會形成陰影，導(dǎo)致NiCr/NiSi薄膜沉積不連續(xù)，形狀不規(guī)則，因此掩模厚度控制在0.5 mm以內(nèi)[12]。鍍制NiCr/NiSi熱電極薄膜的凸臺基體幾何尺寸為：長20 mm、寬4mm。根據(jù)上述基底尺寸、掩模尺寸和熱接點尺寸的要求，設(shè)計的掩模尺寸結(jié)構(gòu)如圖3所示，加工完成的掩模實物如圖4所示。為了便于后續(xù)NiCr/NiSi熱電極薄膜與NiCr/NiSi補償導(dǎo)線的粘接和緊固，需特別在熱電極薄膜底部留有面積較大的連接區(qū)域。

(a)NiCr掩模

(b)NiSi掩模圖3 NiCr/NiSi掩模尺寸結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure size diagram of the NiCr/NiSi masking

圖4 NiCr/NiSi掩模實物圖Fig.4 The image of the NiCr/NiSi masking

NiCr/NiSi薄膜熱電極與Al2O3絕緣薄膜的制備工藝過程基本相同。不同之處在于：將靶材換成NiCr/NiSi靶，并在濺射了Al2O3絕緣薄膜的凸臺半圓柱上安裝NiCr/NiSi掩模。NiCr/NiSi薄膜熱電極濺射沉積工藝參數(shù)如表2所示。

2.3 SiOxNy保護薄膜的制備

常用的保護薄膜有Al2O3薄膜、Si3N4薄膜和SiO2薄膜，它們均屬于硬質(zhì)薄膜。由于這些硬質(zhì)薄膜與熱接點薄膜之間的熱膨脹系數(shù)差異較大，故過快的溫升或溫降均可能使熱接點被撕扯破壞。SiOxNy中，Si-O-Si橋鍵的柔性可降低SiOxNy薄膜的內(nèi)應(yīng)力，Si-N-Si橋鍵的剛性可提高SiOxNy的致密性，因此，SiOxNy薄膜對熱接點可起到很好的保護作用[13]。SiOxNy保護薄膜與Al2O3絕緣薄膜的制備工藝過程基本相同。不同之處在于：將靶材換成Si靶，并將NiCr/NiSi熱電極引腳用鋁箔紙包裹嚴實，只讓熱接點裸露出來。SiOxNy保護薄膜濺射沉積工藝參數(shù)如表3所示。制備完成后的凸臺半圓柱如圖5所示。

表2 NiCr/NiSi薄膜熱電極濺射沉積工藝參數(shù)

表3 SiOxNy保護膜薄膜濺射沉積工藝參數(shù)

圖5 凸臺半圓柱實物圖Fig.5 The image of the convex half cylindrical

3 薄膜傳感器的靜動態(tài)特性標定

所制備的薄膜傳感器選用標準K型熱電偶靶材。由于尺寸效應(yīng)和成分離析使得其與普通絲式K型熱電偶熱電特性不同，故需對所研制的薄膜傳感器進行靜動態(tài)特性標定。

3.1 薄膜傳感器的靜態(tài)標定

薄膜傳感器的靜態(tài)標定系統(tǒng)由FLUKE-9144多功能干式計量爐、普朗克6190A熱電偶電子冰點器、AD620精密放大器、NI PXI-6071E數(shù)據(jù)采集卡以及上位機等組成，靜態(tài)標定系統(tǒng)框圖見圖6。

圖6 薄膜傳感器自動標定系統(tǒng)框圖Fig.6 Structure of thin-film sensor automatic calibrating system

根據(jù)中國標準化動車組軸溫監(jiān)測系統(tǒng)[14]中的規(guī)定:當軸溫的絕對溫度大于140℃時，軸溫監(jiān)測裝置發(fā)生熱軸報警信號，即140℃為發(fā)生熱軸的臨界溫度。為保證薄膜傳感器在正常運行過程中有較高的測量精度，同時在出現(xiàn)熱軸的情況下依然能夠正常測量軸溫，結(jié)合FLUKE計量爐(爐溫范圍為30～660 ℃，最多設(shè)置8個溫度預(yù)設(shè)點)自身使用條件的限制，本實驗將標定的溫度范圍設(shè)定為30～400 ℃，并分為兩個溫度區(qū)間進行標定，即30～150 ℃內(nèi)每隔20 ℃標定一個點，150～400 ℃內(nèi)每隔50 ℃標定一個點。將所制備的薄膜傳感器置于FLUKE計量爐的恒溫插塊中，并用高溫玻璃棉把傳感器四周填充嚴實，使其與外界絕熱。采用最小二乘法用Origin 9對標定的數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到薄膜傳感器輸出熱電勢E與熱端溫度θ之間的關(guān)系式:E=0.037 84θ-0.041 mV。由關(guān)系式可知，薄膜傳感器的塞貝克系數(shù)(即靈敏度)S為37.84 μV/℃。薄膜傳感器靜態(tài)標定曲線如圖7所示。由圖7可以清楚看出，所研制的薄膜傳感器線性度良好。經(jīng)誤差計算，在測溫范圍內(nèi)，非線性擬合誤差小于0.7%。

3.2 薄膜傳感器的動態(tài)標定

圖7 薄膜傳感器靜態(tài)標定曲線Fig.7 The static calibration curve of thin-film sensor

為了保證所研制的薄膜傳感器能夠準確測量軸承的瞬態(tài)溫度，就必須要求有足夠小的時間常數(shù)τ，因此，需要對研制的薄膜傳感器進行動態(tài)特性標定，以測定其時間常數(shù)τ。常用的熱電偶動態(tài)特性標定方法主要有階躍響應(yīng)法、斜坡響應(yīng)法和脈沖響應(yīng)法[15]三種。本文采用簡單而有效的階躍響應(yīng)法，通過迅速投擲法來獲得溫度階躍信號[16]，對薄膜傳感器進行動態(tài)特性標定，動態(tài)標定系統(tǒng)框圖見圖8。

圖8 薄膜傳感器動態(tài)特性標定系統(tǒng)框圖Fig.8 Scheme of measuring system for dynamic characteristics of thin-film sensor

標定時，室溫為30 ℃，F(xiàn)LUKE計量爐恒定為80 ℃，AD620放大器放大倍數(shù)為1 500，NI采集卡采樣頻率為10 kHz。實驗時，將室溫下的薄膜傳感器迅速擲入計量爐的恒溫插塊中以獲得一個溫度階躍，并用LabVIEW編制的動態(tài)標定軟件對采集的數(shù)據(jù)進行顯示和存儲，通過數(shù)據(jù)處理即可得到圖9所示的薄膜傳感器階躍響應(yīng)波形曲線。根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)或圖9所示曲線可以計算出薄膜傳感器達到穩(wěn)態(tài)值的63.2%時所需的時間，即時間常數(shù)τ=53.72 ms。

圖9 薄膜傳感器階躍響應(yīng)標定曲線Fig.9 Step response calibration curve of the thin-film sensor

4 磨損實驗

4.1 實驗系統(tǒng)

為保證薄膜傳感器產(chǎn)生的熱電勢不損失，采用絕緣膠帶對傳感器與臺虎鉗之間進行絕緣處理。通過補償導(dǎo)線將傳感器冷端引入至冰點器，然后用銅導(dǎo)線將熱電勢信號引出，并與廈門宇電自動化科技有限公司(簡稱“宇電”)的K型熱電偶接線端連接，再從宇電的COMM端(COMM端安裝了S4通信接口模塊，用于宇電與RS485通信)通過USB-RS485轉(zhuǎn)換器與電腦USB串口連接。實驗系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 實驗系統(tǒng)Fig.10 Experimental system

4.2 實驗過程

目前開行的高速列車的運行速度劃分為三個等級:第一速度級，運行速度為200～250 km/h；第二速度級，運行速度為250～300 km/h；第三速度級，運行速度為300 km/h以上[17]。為了使實驗過程更接近實際，本實驗選取列車運行速度為400 km/h，車輪直徑為860 mm。經(jīng)計算，對應(yīng)車輪轉(zhuǎn)速為2 469 r/min,為了便于調(diào)速，實驗時取轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。本文選用SAESHIN打磨機(無級變速，最高轉(zhuǎn)速為35 000 r/min)打磨薄膜傳感器測溫端端面，模擬動車組啟動、勻速運行及制動三個運行過程，并用LabVIEW開發(fā)的軟件對采集的數(shù)據(jù)進行診斷分析、顯示及存儲。

4.3 實驗結(jié)果

分別對磨損2,4,6 mm后的薄膜傳感器進行靜動態(tài)特性測試，其塞貝克系數(shù)和時間常數(shù)如表4所示。由表4可以看出，薄膜傳感器的塞貝克系數(shù)和時間常數(shù)受熱接點長度的影響均不大，塞貝克系數(shù)最大靈敏度變化率為0.16%，最大時間常數(shù)變化率為1.3%。該實驗結(jié)論與文獻[12,18]的模擬薄膜熱電偶磨損實驗結(jié)論一致。

本次磨損實驗?zāi)p最大長度為6 mm。將磨損6 mm后的薄膜傳感器打開，發(fā)現(xiàn)其熱接點表面依然完好無損，無起皮、脫落等現(xiàn)象，磨損6 mm后的薄膜傳感器測溫端端面及熱接點如圖11所示。將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并用Origin 9繪制薄膜傳感器測溫端磨損2,4,6 mm后的溫度曲線，如圖12所示。

表4 磨損后的塞貝克系數(shù)和時間常數(shù)Tab.4 The Seebeck coefficient and the time constant after wearing

圖11 磨損6 mm后的測溫端端面及熱接點Fig.11 The face of temperature measuring end and thermo-junction after wearing 6 mm

圖12 薄膜傳感器磨損后的溫度曲線圖Fig.12 The temperature curve of thin-film sensor after wearing

從圖12可以看出，薄膜傳感器在磨損2,4,6 mm后的溫度曲線變化連續(xù)平穩(wěn)，未出現(xiàn)溫度跳變且變化趨勢保持一致。在啟動過程中，打磨機轉(zhuǎn)速從0～2 500 r/min逐漸遞增，溫度曲線隨轉(zhuǎn)速增大而迅速平穩(wěn)上升至85 ℃左右，此溫度與文獻[19]用有限元仿真及熱網(wǎng)絡(luò)法得出的最高溫度(分別為84.5 ℃、83.6 ℃)相近；在勻速運行過程中，打磨機轉(zhuǎn)速保持在2 500 r/min，但由于受摩擦、振動及受力變化等干擾因素的影響，溫度曲線在85 ℃附近上下波動；在正常制動過程中，打磨機轉(zhuǎn)速從2 500 r/min逐漸減速至零，溫度曲線緩慢平滑下降至室溫。

5 結(jié)論

(1)成功研制了一種用于測量高速動車組軸溫的特種結(jié)構(gòu)薄膜傳感器，提出了Al2O3絕緣薄膜、NiCr/NiSi熱電極薄膜和SiOxNy保護薄膜的制備方法。用SEM觀察Al2O3絕緣薄膜的表面形貌，發(fā)現(xiàn)其表面致密均勻且連續(xù)性好，絕緣電阻達3.2×109Ω，滿足熱電偶的絕緣要求。

(2)利用自行開發(fā)的動靜態(tài)標定系統(tǒng)，對研制的特種結(jié)構(gòu)薄膜傳感器進行標定。結(jié)果表明：薄膜傳感器的線性度好、靈敏度高、響應(yīng)速度快，其靈敏度為37.84 μV/℃，非線性擬合誤差小于0.7%，動態(tài)響應(yīng)時間為53.72 ms。

(3)當熱接點磨損2，4，6 mm后，薄膜傳感器的靈敏度和動態(tài)響應(yīng)時間變化均很小，最大變化率分別為0.16%和1.3%。實驗結(jié)果表明：當熱接點厚度很小時，其溫度測量特性受熱接點長度變化的影響很小，即薄膜傳感器的測溫端部分磨損后不影響其測溫性能。

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