几十年来，航空航天和发电行业都投入了相当大的努力来开发高温电子设备，这在很大程度上是由于对涡轮机系统故障的早期检测允许在灾难性故障事件发生之前修复或更换部件。除了通过帮助避免灾难性故障而节省成本外，恶劣环境下的电子设备还可以实现从基于计划的维护到基于条件的维护的转换。
这可以限制涡轮机不必要的维护停机时间，允许增加陆地发电涡轮机的发电收入，并增加航空航天系统的任务可用性。为极端环境设计的电子系统还允许在涡轮系统中进行主动发动机控制，从而使系统更高效，既能进一步节约成本，又能减少低效率燃烧对环境的影响。
地面发电涡轮机是高度复杂和技术先进的机器，需要大规模传感器系统来控制和维护涡轮机和支撑部件。几十年来，内部涡轮机内部的高温感测。然而，测量温度，应变和涡轮机叶片的其他信息仍然是一个非常具有挑战性的任务，并且电流传感器技术仅允许基本的刀片监测。在旋转涡轮机组件上执行精确测量需要极其复杂的，复杂的和重型数据检索系统和接线线束，其仅仅在测试实验室中才能证明。陆地发电涡轮叶片上的恶劣条件可包括非常高的温度和离心载荷。电流先进的涡轮机的入口温度超过1,000°C（1,832°F）。刀片感测需要传感器通过滑环从刀片上被路由，这需要钻头和盘，并导致部件寿命的显着降低。因此，这种系统不适合现场部署，并且仅用于测试。然而，苛刻的环境无线遥测系统可以用作滑环方法的替代方案。
宽带隙半导体，如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，可以在超过500°C(932°F)的温度下工作，因此可以在温度明显较低的涡轮叶片底部使用。热电偶和应变片传感器可以从叶片上的任何地方连接到叶片底座上的电子设备上，在那里传感器信号被采集并编码到射频载波信号上。然后这个载体被传输穿过转子和定子之间的间隙，并被电缆从涡轮机进入控制室。图1显示了根据“用于测量高温环境应变的无线遥测电子电路”构建的高温Colpitts振荡器的原理图。
图1
这是一个电压控制振荡器，它产生射频(RF)载波并将传感器信息调制到载波上进行无线传输。除了消除与滑环方法相关的惩罚外，基于宽频带隙半导体的无线遥测系统还将提供被测参数的高信噪比(SNR)，因为信号的条件设置非常接近传感器本身。
图2说明了为无线温度和应变监测而开发的智能涡轮叶片(STB)的概念，如在“恶劣环境的开发和测试，工业燃气涡轮机的无线传感器系统”和“高温SiC无线遥测系统”文章中所建立的。STB由一个叶片组成，通过共形热喷涂工艺将热电偶或动态应变片热喷涂到叶片的热障涂层(TBC)上，使传感器可以位于叶片上的任何位置。在图2中，它位于叶尖。与传感器的连接从叶片尖端的连接处一直到叶片底部进行热喷涂，在那里它通过电连接到恶劣环境下的无线遥测电子系统。SiC结栅场效应晶体管(jfet)被用来放大低电平传感器输出，以及对遥测系统的局部温度进行编码。输出被发送到一个基于gan的电压控制振荡器，该振荡器将信息信号的频率调制到无线载波上，并从旋转的叶片传输信息。
图2
航空涡轮也为传感器的运行提供了难以置信的恶劣条件，它们驱动的航空系统也有自己独特的运行挑战。包括涡轮部件的温度和振动在内的参数可以用于预测健康维护(PHM)系统，其中，通过将温度和振动特征与已知的基线性能进行比较，可以确定涡轮机故障的发生。保守的预防性维修计划在飞机上绝大多数时间都能创造一个安全的操作环境;然而，根据“用于涡轮发动机PHM轴承监测系统的高温自供电自主无线传感器”，预防性维护和更换计划是基于统计模型和运行历史。
这些型号基于组件寿命的最低公共指控器，其推动运营成本，或忽略由未检测到的材料或制造缺陷导致的统计转位，这降低了操作安全性。目前，商业运营商必须花费至少10个劳动时间来维持每一小时飞行时间的飞行时间，由“航空公司的MRO策略”成立，而军用飞机可能需要高达80个人的维护每小时的飞行时间，根据“B-2轰炸机：成本和运营问题”。因此，航空航天市场的当前趋势正在推动诊断和预后系统的整合，以降低长期所有权的成本。图3描绘了专为航空航天汽轮机轴承PHM设计的恶劣环境无线遥测系统。该系统利用SiC和GaN半导体从压电加速度计获取振动信息，以及来自热电偶的温度信息。然后将信息无线地发送到低温接收器，其可以解码信息并将其与基线振动和温度水平进行比较以确定轴承故障是否迫在眉睫。在未来的航空航天系统中，该组件健康信息将直接与全局的数字发动机控制器（FADEC）接口，实现更安全和更高的性能发动机操作。
由于发电和航空涡轮的早期故障检测使得在灾难性故障事件发生之前很久就可以解决部件问题，因此大量资源被用于开发先进的早期检测技术解决方案。目前的旋转部件解决方案要求用滑环的方式将传感器从涡轮机中连接出来。这些解决方案包括沉重而复杂的线束，以及为适应滑环而进行的涡轮改造，因此主要只能在实验室环境中证明是有用的。因此，高温电子设备，可以承受这些涡轮机内的恶劣操作条件，提供了一个令人兴奋的替代滑环方法。先进的高温电子设备可以在涡轮机内测量温度、振动和应变等参数，然后将这些信息无线传输到涡轮机外。特别是宽带隙SiC和GaN半导体，可以在超过500°C的温度下有效工作，并已被用于地面发电和航空涡轮状态监测的无线遥测系统。经过设计，这些SiC和gan支持的恶劣环境遥测系统将降低地面发电系统的运营成本，提高效率，并使航空航天系统更安全、性能更高。这些系统目前正在采用恶劣环境下的无线遥测系统，由于SiC和GaN能够提供的显著的系统级效益，该系统最终将成为规范。
了下:航空航天+防御，滑环+旋转接头
