非分散红外传感器系统在航空液压油降解监测中的应用研究

作者及发表信息

本项研究由德国两支研究团队共同完成：
- 主要作者：Torsten Bley, Jörg Steffensky, Horst Mannebach（来自Hydac Electronic GmbH公司）
- 通讯作者：Andreas Helwig, Gerhard Müller（来自Airbus Group Innovations公司）
研究论文发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》期刊，出版时间为2016年，卷号224，页码539-546。

学术背景与研究意义

研究领域：
本研究属于航空液压系统状态监测技术领域，聚焦于磷酸酯类航空液压油的降解机理与实时监测方法开发。

研究动机：
商用飞机液压系统（如襟翼、起落架等安全关键部件）依赖磷酸酯类阻燃液压油。然而这类油液具有吸湿性（hygroscopic），在飞行过程中可能吸收水分并引发热降解（thermal degradation），产生酸性化合物和醇类。传统监测依赖每年一次的实验室采样分析（如C-check），成本高且时效性差。

科学问题：
如何实现液压油中水分含量（water content）、总酸值（total acid number, TAN）和酸清除剂储备（acid scavenger reserve, ASR）的实时、原位监测，以优化维护策略？

研究方法与流程

1. 人工加速降解实验

• 样本制备：选取5种商用航空液压油（如Skydrol LD4、Hyjet 4A+等），在密闭容器中添加去离子水（含量970–5400 ppm），于150–180°C下加热数小时模拟长期降解。
  
• 参数标定：通过卡尔费休滴定法（Karl-Fischer titration）测定水分含量，通过氢氧化钾滴定法测定TAN值。
  
• 创新点：通过阿伦尼乌斯定律（Arrhenius law）验证高温不会引入非自然反应路径。

2. 红外光谱特征分析

• 实验设备：使用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR, Bruker Vertex 80V）分析样本，光学路径长度固定为100 μm。
  
• 光谱解卷积：识别三个关键吸收峰：
  
  • 水分吸收峰（3559±31 cm⁻¹，O-H键振动）
    
  • 醇类吸收峰（3333±30 cm⁻¹，反映水解生成的丁醇/苯酚）
    
  • 磷酸酯吸收峰（2632±62 cm⁻¹，反映酸性磷酸酯化合物）
    
• 归一化处理：以3750 cm⁻¹处的透射率为基准，消除界面反射干扰。

3. NDIR传感器系统开发

• 硬件设计：
  
  • 微流控比色皿：采用硅-LTCC-硅（low temperature cofired ceramics）三层结构，耐压400 bar，流体通道宽度300 μm。
    
  • MEMS红外发射器：集成纳米结构高发射率膜，提升辐射强度。
    
  • 四通道热电堆阵列：覆盖上述三个特征波长窗口，交叉干扰仅0.09%。
    
• 机械优化：通过有限元模拟（FEM）验证密封结构可靠性，确保在极端工况下的稳定性。
  

4. 实地验证

• 实验室测试：对比传感器输出与传统滴定法结果，验证线性相关性（如水分含量与3559 cm⁻¹吸收强度的R²>0.95）。
  
• 空中客车测试台：在模拟完整飞行剖面（flight profile）的液压试验台上验证传感器耐久性。
  

主要研究结果

1. 水分监测：
   3559 cm⁻¹窗口的吸收强度与水分含量呈线性关系（图6a），且不受油液品牌影响，验证了NDIR技术的普适性。

2. 酸降解动态：

• 醇类信号先导性：TAN<0.5 mg KOH/g时，醇类吸收峰（3333 cm⁻¹）已显著上升（图6b），表明早期水解反应。
  
• 磷酸酯信号滞后：TAN>0.5 mg KOH/g时，磷酸酯吸收峰（2632 cm⁻¹）才快速上升（图6c），反映酸清除剂耗尽后酸性化合物积累。
  

1. 酸清除剂储备（ASR）预测：
   通过比较醇类与磷酸酯吸收强度的比值（图6d），可预判ASR耗尽临界点（阈值约0.2），为维护决策提供至少数周的预警窗口。

2. 传感器性能：
   在150 μm光程下，传感器输出与FTIR光谱数据一致（图10），且通过空客液压试验台的振动、压力、温度循环测试。

研究结论与价值

科学价值：
- 首次阐明磷酸酯液压油降解过程中醇类与酸性化合物的光谱特征时序差异，提出ASR的动态监测理论。
- 开发的多通道NDIR传感器解决了传统实验室分析的滞后性问题。

应用价值：
- 实现液压油状态的实时原位监测，支持按需维护（condition-based maintenance），降低50%以上维护成本。
- 空客公司已计划将本系统纳入新型飞机维护方案，避免因TAN突增导致的非计划停飞。

研究亮点

1. 方法创新：

   • 结合人工加速降解与高分辨率FTIR解析，建立降解标志物的光学指纹图谱。
     
   • MEMS传感器集成硅-LTCC微流控技术，耐受航空液压系统极端环境。
     

2. 理论突破：
   提出“醇类/磷酸酯吸收比”作为ASR耗尽预警指标，填补了该领域技术空白。

3. 工程意义：
   传感器设计通过400 bar压力测试，为航空工业提供了首款可工程化的液压油在线监测方案。

其他价值

本研究受德国联邦教育研究部（BMBF）NAMIFLU项目（编号16SV5357）支持，相关MEMS技术已获专利（未列出号），硬件细节可参考Micro-Hybrid公司技术文档。