航空发动机性能状态是飞行安全的重要保障。控制系统用于对发动机进行状态监控以保障运行安全，即根据发动机传感器测量的飞行参数（转速、温度、压力等）来确定运行状态并预测其状态变化趋势[1]。若传感器发生故障或将错误信息反馈给控制系统，将会造成控制系统输出异常，严重时会影响航空发动机的运行安全，所以了解航空发动机传感器及故障模式是十分必要的。
1 航空发动机传感器
航空发动机上使用的传感器可大致分为三类，分别是：转速传感器、压力传感器、温度传感器，下面就三类传感器工作原理进行简要说明。
1.1 转速传感器
在航空发动机中应用最多的转速传感器主要分为磁阻式、霍尔式以及磁电式三种类型。
磁阻型转速传感器使用磁敏电阻的物理磁阻效应将一定电流施加到半导体并将其置于垂直于电流的磁场中。此时，半导体的电阻变化，即电阻变大，电流变小。根据法拉第原理，半导体中的电荷会改变原始运动轨迹。电荷运动时间变长，相应的就增加了电荷与半导体晶格的撞击机会，电子的转移在一定程度上被限制。从宏观角度来分析，就是半导体电阻变大，当半导体宽度远远大于其长度时，电阻出现较大幅度的增大。结合这两个特点研制成了传感器元件，该类型传感器测量范围大但是易受温度变化的影响。
根据霍尔效应研发制作而成的霍尔传感器其实质也是一种磁场传感器，根据霍尔效应带动霍尔元件在磁场中运动产生霍尔电势，该型传感器是一种小型闭合传感器，具有性能稳定，能耗低，抗干扰能力强，温度范围宽的优点。霍尔转速传感器的原理是当有磁线穿过传感器霍尔元件时就会产生霍尔电势，该电势经过相应芯片的放大等处理后成为电信号供仪表使用，在进行转速测量时，只需要在旋转件合适位置粘贴一个小磁钢，把传感器放置在和磁钢一定的距离内，且对准磁钢的S极。
磁电转速传感器是航空发动机中使用较为广泛的传感器，其构造简单，精度高，该类型传感器基于磁电感应以用于测量目的。传感器的线圈产生磁力线，传感器中的齿轮的旋转切割磁力线，并且磁阻变化以产生电势。感应电位产生的电压的大小与转速有关。然而，当转速超过其测量范围时，磁路产生大的损耗，导致电位急剧下降。 该型传感器维护成本低，通过磁电感应实现测量，运行时无需电源，无机械运动，无需润滑，体积小，结构紧凑，安装方便。
在对飞机进行推力调节时，控制系统会选择一个与推力直接相关的主控参数，转速往往作为主控参数来表征推力，可见高压轴转速信号对保证飞机正常飞行非常重要[2]。
1.2压力传感器
常见的压力传感器主要包括压阻式、振筒式、硅谐振式等类型。
压阻式压力传感器因灵敏度高、线性度好、稳定性好，容易实现批量生产，易于利用标准的IC技术实现集成化等，成为目前应用最为广泛的微机械产品之一。固体受力后电阻率会发生变化，压阻式压力传感器是基于半导体材料（单晶硅）的压阻效应原理制成的传感器。当其弹性膜片受到压力作用时，膜片发生变形，和膜片紧密结合的扩散电阻受应力作用阻值发生变化，电桥失去平衡，输出响应电压。
振筒式压力传感器是一种新型的压力感应元件。它由两个同轴的一端密封的圆筒组成。一个是内振筒，一个是外保护筒，这两个筒的一端固定在公共基座上，另一端为自由端。线圈架安装在基座上，并位于圆筒的中央。线圈架上有激振线圈，它用于激励内振筒;线圈架上另有拾振线圈，它用于检测内振筒的振动频率。内振动筒和外保护筒之间的空间被抽空作为绝对压力的标准，内振动筒和线圈架之间的空间与被测气体相通。筒内气体压力的变化引起筒应力变化，从而改变了筒的振动频率。振筒式压力传感器的精度可达万分之几。
谐振技术与硅微技术结合的MEMS硅谐振压力传感器是目前世界上最高精度压力传感器的代表。硅谐振压力传感器一般会采用单晶硅传递应力的膜片真空封装的谐振器，在结构连接处无迟滞、蠕变漂移，振动不会受到流体的影响，具有良好的稳定性，重复性和很高的分辨率。 硅谐振式压力传感器的工作原理是利用硅微机械谐振器与选频放大器构成一个正反馈振荡系统[3]。
1.3 温度传感器
应用于航空发动机的温度传感器类型很多，根据不同的测温需求采取不同的测温方式。接触式测温包括电阻式测温、晶体测温、热电偶测温、示温漆以及薄膜热电偶。非接触式测温包括红外辐射测温、光纤温度测量以及光学高温计。接触式测温属于传统的测温方式，其应用时间较长因此技术已经非常的成熟，但是接触式测温受限于测温材料的发展，响应时间相对于非接触式测温也较长，并且无法避免干扰目标温度场。近年来随着红外、光纤等技术的发展，非接触式测温也逐渐的应用于航空发动机台架试验。非接触式测温具有响应时间短，测温距离不受限制、且不干扰目标温度场等特点，但是其稳定性及抗干扰能力不及接触式测温[4]。
目前最广泛应用于航空发动机的温度传感器主要是铂电阻式温度传感器和K型热电偶温度传感器。
铂热电阻温度传感器主要用来测量中低温（如燃烧室前的温度），其主要是利用铂金属丝电阻随温度的变化而变化的特性来测量温度，由于铂材料的特殊性能使得其可以制作精密的测温器件。
K型热电偶温度传感器是运用量最大的温度传感器（如燃烧室后的温度），其使用两种不同的导体或者半导体首尾相连组成一个回路，如果在设定的两节点处温度存在差异，那么回路中就会产生电流，即存在电势差也被成为热电势，根据电势的不同就可以测量温度的变化。
2 传感器故障诊断方法
在航空发动机传感器故障诊断的研究中，有基于残差的方法和故障重构的方法。
在基于残差法的传感器故障诊断中，利用传感器实际输出值与来自数学模型的输出信号进行比较，其差值形成残差信号。如果传感器没有发生故障，其残差值理论上应该为零，由于噪声等干扰的存在残差值应该在零附近小范围波动。当传感器发生故障时其残差值在零附近出现较大范围波动。这时用残差法进行故障诊断时需要设定阈值来避免因噪声干扰或其他因素造成的误报，如果残差值超过了设定的阈值，则传感器发生故障，通过残差信号可以诊断出故障而且可以判定故障时间。
在基于故障重构的传感器故障诊断中，需要首先设计一个观测器，比如滑模观测器，首先重构出传感器可能出现的随机故障，利用这些重构的故障与所设定的门限值进行对比，来判定故障的存在。
在使用残差法对传感器进行故障诊断时，有很多优势，首先残差法在传感器故障诊断中易于理解，其次，在建模方面，随着智能算法的不断发展，神经网络可以用来快速建立相应的模型。而滑模观测器的建立相对较难，需要理解大量的矩阵关系式，必须将这些矩阵关系式转化为相应的程序，实现观测器的建模。最后，当使用残差法诊断出传感器的故障信号后，利用模型输出的预测信号可以代替故障信号供发动机控制系统使用，而故障重构则没有这个能力[5]。
3传感器故障模式
传感器的故障原因多种多样，不同类型的传感器由于其安放位置的不同和自身结构差异就会产生不同形式的故障。
对于转速传感器可能的原因包括：1.导线短路、断路和导线连接不牢固；2.转速传感器原件故障；3.信号发生齿轮可能安装不正确等。
对于压力传感器可能的原因包括：1.皮托管受潮或者受到污染物侵蚀；2.强气流导致的皮托管内部破裂；3.强振动引起的接头内部开路；4.过度腐蚀导致的电镀材料破损等。
对于温度传感器可能的原因包括：1.摩擦或者腐蚀引起的导线绝缘层破损；2.导线绝缘层破损引起的局部短路或断路；3.外界污染物堵塞探头导致接触不良等。
下表中以转速为例详细列举了某型航空发动机转速传感器的故障部件和故障模式供读者参考[6]。
总结
本文对发动机中常用的各类传感器进行了介绍，简述并对比了航空发动机传感器故障诊断中的残差法和故障重构法的优劣。最后分析了发动机转速、压力和温度传感器可能出现故障的原因，并详细列举了某型航空发动机转速传感器发生故障的部件和故障形式。为读者了解航空发动机传感器提供了一定帮助。
参考文献
[1] VIDOSAVLJEVIC A,TOSIC V.Modeling of turn around process using Petri nets[C]//Proc.of the World Conference of Air Transport Research Society,Porto,Portugal,2010:1-13.
[2] 杨晓军，赵洪利，王伟. 民用航空发动机控制系统[M]. 天津：中国民航大学出版社，2016，31-34.
[3] 杨坤，孙晓楠. 航空发动机压力传感器故障影响仿真分析[J].中国民航大学学报，2020，38(5)：17-20
[4] 向智大. 航空发动机温度传感器故障分析[D].中国民航大学，2018.
[5] 王月. 基于孪生神经网络的航空发动机故障诊断方法 [D].哈尔滨工业大学，2021.
[6] 张正. 基于神经网络的发动机传感器故障诊断与重构[D]. 中国民航大学，2019.
作者简介：
车啸龙（1988.03），男，满族，黑龙江省哈尔滨市，硕士研究生学历，职称：工程师，研究方向：产品诊断维护技术。
李姣（1990.01），女，汉族，湖南省邵阳市，硕士研究生学历，职称：工程师，研究方向：发动机电缆设计与试验研究。
娄超（1989.06)，男，汉族，辽宁省锦州市，大学本科学历，工程师，研究方向：产品诊断维护技术。
