基于環(huán)狀電極的電容式潤(rùn)滑油磨粒檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

何永勃，姜 坤

(中國(guó)民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院,天津 300300)

0 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生磨損顆粒，正常磨損所產(chǎn)生的磨粒直徑小于15 μm[1]。當(dāng)磨損表面超載或者速度過快時(shí)則會(huì)產(chǎn)生直徑在50～200 μm的大顆粒，這些大顆粒來(lái)自摩擦副表層疲勞剝落、劇烈的滑動(dòng)磨損和剪切磨損等，能夠直接反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的異常磨損故障信息[2]。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于潤(rùn)滑油磨粒檢測(cè)的研究較多。西安交通大學(xué)利用鐵譜分析技術(shù)研制了一種鐵譜分析儀[3、4]，通過計(jì)算遮光面積百分比、磨損指數(shù)以及分類特征大磨粒來(lái)判斷機(jī)器的磨損狀態(tài)；南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院構(gòu)建了基于顯微圖像分析的油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，識(shí)別精度達(dá)到了95 %以上[5]；加拿大Gas Tops公司生產(chǎn)的MetalSCAN在線磨粒監(jiān)測(cè)儀，具有100 %的檢測(cè)效率，能夠自動(dòng)測(cè)定油液中磨粒的數(shù)量和大小[6]。

油中磨粒特性的變化，會(huì)影響潤(rùn)滑油的介電常數(shù)，因此,應(yīng)用電容式傳感器對(duì)潤(rùn)滑油的介電常數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，從而監(jiān)測(cè)其性能，是一種常用的檢測(cè)方法。但磨粒特性變化所引起傳感器的電容變化量非常小，只有fF量級(jí)，一般的分立電路很難實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。本文采用了一種具有圓環(huán)極板的電容式傳感器，對(duì)于磨粒直徑大小和含量的變化較靈敏。測(cè)量電路采用了微電容采集芯片AD7746[7]，測(cè)量范圍和采樣頻率可調(diào)，實(shí)測(cè)分辨率可以達(dá)到0.125 fF。

1 傳感器設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潤(rùn)滑油磨粒檢測(cè)系統(tǒng)常用的電容式傳感器有平行板式[8]和圓弧極板式[9]，2種傳感器都無(wú)法保證靈敏場(chǎng)的均勻分布。本文設(shè)計(jì)了一種具有3個(gè)圓環(huán)極板的電容式傳感器，圓環(huán)極板的面積很小，因此,極板之間的靈敏場(chǎng)區(qū)域較小，從而對(duì)于磨粒特性的變化較敏感。傳感器剖面結(jié)構(gòu)如圖1。

為了減少潤(rùn)滑油中污染物對(duì)測(cè)量精度的影響，傳感器的外層管道采用不易粘附雜質(zhì)且便于清洗的有機(jī)玻璃。按照極板的安裝位置不同，電容式傳感器可以設(shè)計(jì)成內(nèi)置式和外置式。通過對(duì)2種結(jié)構(gòu)傳感器的有限元仿真可知，極板外置式傳感器內(nèi)的電位分布會(huì)在油液與管壁的交界處產(chǎn)生畸變，而內(nèi)置式的傳感器內(nèi)部電位分布則較為均勻[10]。因此,選用極板內(nèi)置式的電容傳感器。管道內(nèi)嵌入3個(gè)大小相同的銅質(zhì)圓環(huán)。管道長(zhǎng)L=60 mm，外直徑D=16 mm，內(nèi)直徑d1與圓環(huán)電極的直徑(2R)相同，d1=2R=13 mm，電極寬度a=2 mm，各個(gè)電極之間的間距相等。

電極之間的間距d是影響傳感器靈敏度的重要參數(shù)[11～13]。研究表明，電容式傳感器的靈敏度隨著d的減小而增大，而傳感器的空間分辨率則會(huì)隨之增強(qiáng)。但是電極間距的減小無(wú)疑增加了加工難度，綜上取d=5 mm。

圖1 電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 性能分析

當(dāng)磨粒處于傳感器的不同位置時(shí)，傳感器輸出的電容值不同。記極板1,2間的電容值為C1，極板2,3間的電容值為C2。為簡(jiǎn)化起見，只分析單個(gè)磨粒沿傳感器軸線方向運(yùn)動(dòng)對(duì)于電容輸出的影響。

當(dāng)磨粒位于極板1的左側(cè)時(shí)，可以近似為C1=C2；當(dāng)磨粒處在極板1和極板2之間時(shí)，C1>C2；當(dāng)磨粒處于極板2中間位置時(shí)，C1=C2；當(dāng)磨粒處在極板2和極板3之間時(shí)，C1

實(shí)際測(cè)量中，由于各種干擾的存在，很難獲得C1,C2的精確測(cè)量值。如果將3個(gè)極板接成差分模式，直接測(cè)量C1和C2的差值ΔC，則可以有效減小干擾對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響。

以圓筒的中心軸線為x軸，以極板1的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，磨粒沿軸線方向自左向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，ΔC與磨粒位置的關(guān)系如圖2。由圖2可知，電容變化值與磨粒位置呈現(xiàn)類似正弦曲線的關(guān)系，管道內(nèi)磨粒變化所帶來(lái)的電容變化量?jī)H在fF量級(jí)，所以,傳感器和檢測(cè)電路應(yīng)有較高的精度和測(cè)量靈敏度。

圖2 磨粒位置與電容變化值關(guān)系曲線

1.3 測(cè)量原理

理解電容式傳感器的原理對(duì)于傳感器的優(yōu)化具有重要意義。為簡(jiǎn)化起見，本文以平板電容器為分析對(duì)象，論述極板間的電介質(zhì)對(duì)于傳感器電容特性的影響。

忽略邊緣效應(yīng)，當(dāng)極板間為真空時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度可以表述為

(1)

式中ρ0為電荷密度，ε0為真空介電常數(shù)。令極板面積為A，極板間電壓為U,則極板間電容值為

(2)

極板間充滿電介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)被極化，極化電荷密度為ρp，可表示為

ρp=ε0αE0,

(3)

式中α為電介質(zhì)的電荷極化率。此時(shí)的電容值可以表示為

(4)

1+α稱為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr。

比較式(2)、式(4)可知，極板間含有電介質(zhì)時(shí)，極板間的電容值Cp與C0的關(guān)系如下

Cp=(1+α)C0=εrC0.

(5)

可以依據(jù)環(huán)狀電極的結(jié)構(gòu)建立其空間檢測(cè)特性模型[14]。以兩相近圓環(huán)中心連線為z軸，與兩圓環(huán)平面平行的中心平面作xy平面，建立極坐標(biāo)ρ(r,θ,z)。近似擬合出的電容檢測(cè)特性為

(6)

其中，k為常數(shù)，d為兩圓環(huán)之間的距離，φ(r)為徑向分布函數(shù)。

由式(6)知，傳感器安裝后，空間某點(diǎn)介電常數(shù)變化引起的電容變化值ΔC只與潤(rùn)滑油的相對(duì)介電常數(shù)εr呈線性關(guān)系，因此,可以利用此傳感器檢測(cè)具有不同磨粒特性的潤(rùn)滑油。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

微電容測(cè)量部分采用AD7746芯片。AD7746是一種采用了Σ-Δ技術(shù)的電容/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片(CDC)，既可用于電容測(cè)量，又可作為普通的A/D使用。它具有4 fF精確度；測(cè)得24位數(shù)據(jù)中，有效分辨率可達(dá)21位；線性度為0.01 %；可測(cè)電容范圍為±4 pF，并且通過設(shè)置CAPDAC寄存器可以擴(kuò)展測(cè)量范圍。為了保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度，AD7746需要較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，采樣頻率較低，只有幾十赫茲，所以,適合測(cè)量潤(rùn)滑油流速較慢的情況。

測(cè)量系統(tǒng)由電容式傳感器、MSP430單片機(jī)、微電容檢測(cè)芯片AD7746、LCD、串行接口等組成。單片機(jī)控制AD7746采集傳感器的輸出信號(hào)，處理后由液晶顯示或者通過串行接口送到上位機(jī)分析。

圖3 單片機(jī)與AD7746連接簡(jiǎn)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制AD7746和串口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)發(fā)出命令字對(duì)AD7746進(jìn)行設(shè)置。隨后AD7746工作，當(dāng)RDY腳輸出低電平時(shí)，即可讀取數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由液晶顯示或者發(fā)送到上位機(jī)。

根據(jù)測(cè)量原理，當(dāng)傳感器管道中沒有油液時(shí)，AD7746的輸出ΔC為零。但實(shí)際測(cè)量中，由于傳感器制作的原因?qū)е翪1和C2的不對(duì)稱，或者C1,C2的連接線的長(zhǎng)度不相等原因，都可能導(dǎo)致ΔC不為零，即存在耦合電容。在測(cè)量時(shí)，可以利用AD7746的CAPDAC寄存器補(bǔ)償耦合電容。具體方法為：電容式傳感器無(wú)油液流過時(shí)，獲得系統(tǒng)的輸出電容值，設(shè)置寄存器CAPDAC使此時(shí)的輸出為零。輸出數(shù)據(jù)和輸入電容的關(guān)系可以近似為

DATA≈[C1-CAPDAC(+)]-[C2-CAPDAC(-)].

(7)

電容式傳感器是敏感性傳感器，輸出會(huì)有一定的漂移。圖4為不同時(shí)間系統(tǒng)的輸出采樣值?？梢园l(fā)現(xiàn)，剛上電時(shí)，電容值會(huì)有一定程度的上升，60 s以后趨于穩(wěn)定。因此，應(yīng)該在上電60 s之后讀取數(shù)據(jù)，讓系統(tǒng)經(jīng)過一定時(shí)間的預(yù)熱，以得到可靠的結(jié)果。

圖4 傳感器輸出與時(shí)間的關(guān)系曲線

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

首先選用標(biāo)稱值為2.2 pF的貼片電容器作為被測(cè)電容驗(yàn)證系統(tǒng)性能。貼片電容器接在EXCA與CIN1+之間。AD7746的設(shè)定如下：測(cè)量范圍為0～8.192 pF，采樣輸出頻率45.5 Hz，激勵(lì)方波電壓2.5 V，頻率32 kHz(CAPDACA控制字為0x9e)。

測(cè)量結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)的高16位穩(wěn)定，由此得出,系統(tǒng)分辨率為8.192 pF/(216-1)=0.125 fF。

實(shí)際測(cè)量含不同大小磨粒的潤(rùn)滑油。測(cè)量時(shí)，依次向油中加入直徑為0.1～1 mm的鐵質(zhì)顆粒，取高16位數(shù)據(jù)作測(cè)量值。圖5是顆粒位于極板1,2的中間位置時(shí)，其直徑與電容變化值ΔC的關(guān)系曲線。

由曲線知,加入顆粒后，ΔC變化明顯，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的分辨率0.125 fF，且與顆粒直徑呈現(xiàn)正向的線性關(guān)系；顆粒直徑小于0.6 mm時(shí)，曲線較平滑，電容變化值與顆粒直徑對(duì)應(yīng)性好，表明此時(shí)系統(tǒng)的靈敏度較高。

圖5 電容變化值與顆粒直徑關(guān)系曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的圓環(huán)狀極板電容式傳感器靈敏度高，能夠檢測(cè)電容值的微小變化?；谖㈦娙輽z測(cè)芯片AD7746設(shè)計(jì)的磨粒檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了電路，滿足了精度要求。采樣頻率為45.5 Hz時(shí)，數(shù)據(jù)高16位穩(wěn)定，分辨率為0.125 fF。應(yīng)用電容式傳感器實(shí)測(cè)時(shí)，能夠分辨不同直徑的磨粒，靈敏度較高，方便用于在線測(cè)量，有很高的實(shí)用價(jià)值。

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