采用柱形極板的電容式油液檢測傳感器

史皓天，張洪朋，曾 霖，孫廣濤

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026)

0 引言

對機(jī)械設(shè)備而言，液壓系統(tǒng)是保證其安全運(yùn)行和工作效率的重要組成部分，需要保持正常的工作狀態(tài)。液壓油作為液壓系統(tǒng)中的能量傳遞介質(zhì)、磨擦副潤滑劑和冷卻劑，其性能直接影響到液壓系統(tǒng)能否正常工作。資料顯示，70%～80%的液壓系統(tǒng)故障是由于液壓油的污染造成的[1-2]。

液壓油中的污染物主要為固體顆粒、水分和氣泡[3]。其中水分會加速液壓油氧化和添加劑降解，并會使油液乳化，降低其潤滑性能，腐蝕液壓元器件[4]?？諝鈺T發(fā)氣穴、氣蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲，同時還會引起油溫升高，加速氧化[5]。液壓油中的污染物尺寸和濃度包含機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)的重要信息，因此對液壓油檢測對于設(shè)備的故障診斷具有重要意義[6]。

現(xiàn)有的液壓油污染物快速檢測方法[7]主要包括光學(xué)法、聲學(xué)法、電感法和電容法。光學(xué)檢測法[8]具有檢測靈敏度高、速度快的特點(diǎn)，但其無法檢測油液中的氣泡。聲學(xué)檢測法[9-11]檢測精度較低，易受背景噪聲和油溫波動的干擾，并且超聲波會將顆粒物分成更小的顆粒，造成油液的二次污染。電感法[12-13]可以區(qū)分鐵磁性顆粒和非鐵磁性顆粒，但其檢測精度有限，無法檢測非金屬顆粒。電容法[14-15]檢測精度高，可以區(qū)分檢測液壓油中的氣泡。隨著微流控技術(shù)在油液檢測中的應(yīng)用[16-19]，有效縮短了油液中顆粒物與傳感器檢測元件的距離，從而極大地提高了檢測精度。

本文將柱形極板電容器應(yīng)用于微流控油液檢測中，設(shè)計(jì)了一種可用來對液壓油中的水滴和氣泡進(jìn)行區(qū)分的檢測裝置。水和空氣通過該檢測芯片的檢測區(qū)域時，會改變兩電極間介質(zhì)的介電常數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)電容脈沖信號，脈沖信號的方向表征了污染物的類型，脈沖信號的幅值說明了污染物的尺寸大小，脈沖個數(shù)即為污染物的數(shù)量，繼而可實(shí)現(xiàn)對液壓油中所含水和氣泡兩類污染物的檢測。

1 傳感器設(shè)計(jì)及理論分析

1.1 電容式傳感器設(shè)計(jì)

電容式傳感器設(shè)計(jì)如圖1所示。該傳感器主要包括檢測流道、玻璃基片、PDMS基體和檢測區(qū)域。流道中心由一直徑300 μm的鋁棒填充，形成外徑800 μm、內(nèi)徑300 μm的環(huán)狀通道，并在基體上設(shè)有油液入口和出口；檢測區(qū)域是由一銅環(huán)和填充在流道內(nèi)的鋁棒組成的柱形極板電容器。

圖1 電容式傳感器設(shè)計(jì)

1.2 檢測原理

電容式傳感器的等效電路如圖2所示。RP為并聯(lián)損耗電阻，RS為串聯(lián)損耗電阻，L為電容器及其外部引線電感[20]。忽略RP和RS，電容傳感器在檢測時的等效電容變化量ΔCe為

(1)

式中：ΔC為電容變化量；ω為外部激勵電壓的角頻率。

圖2 電容式傳感器的等效電路圖

圖3為使用芯片檢測區(qū)域的電容器示意圖。該圓柱極板電容器的極板高度h為70 μm、內(nèi)極板半徑r為150 μm、外極板半徑R為400 μm、兩極板之間的距離d為250 μm，且R=r+d。根據(jù)圓柱極板電容器的計(jì)算公式，忽略邊緣效應(yīng)影響時，其電容值C為

(2)

由式(2)可知，電容值不僅與h、r和R等柱形電容器的幾何參數(shù)有關(guān)，還取決于兩電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)ε。

圖3 檢測區(qū)域電容器

當(dāng)顆粒物流經(jīng)電容傳感器檢測區(qū)域時，會排擠出等體積的液壓油，從而導(dǎo)致兩電極間介質(zhì)的介電常數(shù)的變化，為此引入了復(fù)介電常數(shù)[21-22]：

(3)

式中：σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率；j2=-1。

根據(jù)麥克斯韋方程組，檢測區(qū)域內(nèi)液壓油混合物的復(fù)介電常數(shù)為

(4)

式中Φ為體積分?jǐn)?shù)。

(5)

式中：Vp為顆粒體積；Vd為檢測區(qū)域體積。

(6)

將式(5)、式(6)代入式(4)中可得油液混合物的復(fù)介電常數(shù)為

(7)

則圓柱極板電容器電容的變化量ΔC為

(8)

將式(8)代入式(1)中，即可得電容傳感器在檢測時的等效電容變化量ΔCe。

(9)

由式(7)、式(9)可知，當(dāng)芯片和激勵電壓確定后，顆粒體積Vp越大時，油液混合物的復(fù)介電常數(shù)就越大，電容變化值也就越大，從而電容變化量的大小表征了顆粒物的尺寸。

當(dāng)水顆粒通過檢測區(qū)域時，由于其介電常數(shù)為80，大于液壓油的介電常數(shù)(約為2.6)，使輸出的電容值增大，產(chǎn)生正向的脈沖信號。當(dāng)氣泡通過檢測區(qū)域時，由于空氣的介電常數(shù)約為1，小于液壓油的介電常數(shù)，使輸出的電容值減小，產(chǎn)生負(fù)向的脈沖信號。通過對脈沖信號方向的判斷，可以實(shí)現(xiàn)對水顆粒和氣泡的區(qū)分檢測。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 電容式傳感器制作

實(shí)驗(yàn)所用微流控芯片采用模塑法加工制得，傳感器的制作過程如圖4所示。

圖4 電容式檢測芯片制作過程

首先將厚度70 μm、內(nèi)徑800 μm的銅環(huán)套在直徑800 μm的銅棒上，并將銅環(huán)的出線端焊接在玻璃基片上；然后配制15 g的PDMS膠，抽真空后將其澆筑在玻璃基片上，并放入干燥箱中烘烤固化1 h；接著將固化好的PDMS膠中的銅棒抽出，并用打孔器在芯片上鉆出油液入口和出口；最后向流道正中心插入直徑300 μm的鋁線并用橡膠管固定，形成一環(huán)狀檢測流道。至此，傳感器制作完成。

2.2 檢測系統(tǒng)的搭建

圖5 檢測系統(tǒng)

微量注射泵用來驅(qū)動液壓油，使其定速通過檢測芯片；電容式檢測芯片用來檢測油液中的顆粒物；顯微鏡可實(shí)時觀察芯片的檢測狀況；阻抗分析儀既能為芯片施加激勵，又能夠測取信號，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)；LabVIEW 軟件可顯示和保存采集到的信號，經(jīng)MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)對所檢測到的顆粒物的統(tǒng)計(jì)。

2.3 油液樣品制備

本實(shí)驗(yàn)中，采用電子天平、振動器、超聲波振蕩器等設(shè)備來制備實(shí)驗(yàn)所需液壓油樣品。

為制取含200～220 μm氣泡的油液，可直接將990 μL液壓油裝入容量為1 mL的塑料管中密封(此時管中已含有10 μL的空氣)，并將塑料管置于振動器中振動1 min，再用超聲波振蕩器振蕩2.5 min即可。與上述方法類似，將5 μL的空氣和995 μL的液壓油密封在塑料管中，在振動器上振動1.5 min，再用超聲波振蕩器振蕩5 min，就能產(chǎn)生110～130 μm的氣泡。

為制備實(shí)驗(yàn)所需50～60 μm的水滴，首先將5 μL蒸餾水和995 μL液壓油裝入容量為1 mL的塑料密封管中，將密封管放置在振動器上振動3 min后用超聲波振蕩器振蕩6 min即可。在制備含鐵顆粒的液壓油樣品時，可使用電子天平稱取5 mg粒徑為20 μm左右的鐵顆粒，將其混入100 mL液壓油中，并充分振蕩，防止鐵顆粒沉淀在塑料管底部。

3 結(jié)果分析

3.1 激勵電壓幅值對電容檢測的影響

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，激勵電壓幅值對檢測分辨率有一定的影響。為此對于含有粒徑200～220 μm氣泡的液壓油樣品，保證其他參數(shù)一致，微量注射泵驅(qū)動流量設(shè)為300 μL / min，激勵電壓頻率保持0.3 MHz,激勵電壓幅值設(shè)定區(qū)間為0.5～2 V(阻抗分析儀可施加的激勵電壓幅值最高為2 V)，激勵電壓激勵頻率每增加0.5 V進(jìn)行一次測量實(shí)驗(yàn)。分別摘取電壓幅值為1 V和2 V時的檢測信號片段，如圖6所示。并且對各種情況下檢測信號的本底噪聲、平均信號幅值以及信噪比進(jìn)行了計(jì)算統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

(a)激勵電壓幅值為1 V

(b)激勵電壓幅值為2 V圖6 200～220 μm氣泡檢測輸出信號

激勵電壓幅值/V本底噪聲/10-16F平均幅值/10-15F信噪比0.59.7614.381.272.901.53.151.083.4322.460.923.74

由圖6和表1可知，隨著激勵電壓幅值由0.5 V遞增至2 V，所測得的信號本底噪聲呈降低態(tài)勢；激勵電壓幅值為0.5 V時并無明顯信號幅值，而激勵電壓從1 V至2 V變化時，信號平均幅值逐漸降低；激勵電壓幅值為2 V時所得信號的信噪比最大，相比1 V時的信噪比增幅量達(dá)28.97%，考慮到信號幅值會隨顆粒物尺寸的減小而降低，因此具有更高的信噪比有助于提高檢測精度，故實(shí)驗(yàn)激勵電壓幅值選用2 V較合理。

3.2 水顆粒和氣泡的區(qū)分檢測

將阻抗分析儀的激勵電壓設(shè)置為2 V，頻率設(shè)為0.3 MHz，并將微量注射泵的流量設(shè)為300 μL/ min，分別對含有50～60 μm水顆粒的液壓油樣品和含有110～130 μm氣泡的液壓油樣品進(jìn)行了檢測，并摘取部分檢測信號片段，如圖7、圖8所示。

圖8 110～130 μm氣泡檢測輸出信號

從圖7、圖8可以看出，水滴和氣泡引起傳感器電容變化的方向是相反的，這與檢測原理一致，從而可以實(shí)現(xiàn)對水滴和氣泡的區(qū)分檢測。同時通過電容檢測結(jié)果可以看出，雖然水滴的粒徑比氣泡的粒徑小，但其產(chǎn)生的脈沖信號幅值卻大于氣泡所得脈沖幅值，這是由于水與液壓油介電常數(shù)的差值為77.4，而空氣和油液的介電常數(shù)差值僅為1.6，從而使得電容檢測對水滴更靈敏。

?劉玉東:《社區(qū)概念在中國語境下的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵》，《江西師范大學(xué)學(xué)報》(哲學(xué)社會科學(xué)版)2011年第3期。

實(shí)驗(yàn)中，由于顆粒物通過檢測區(qū)域時，其徑向分布位置是不同的(同一顆粒位于兩極板邊緣時電容變化量最大，位于兩極板中央時電容變化量較小[23])，同時考慮到顆粒物的粒徑也在一定范圍內(nèi)變化，因而導(dǎo)致產(chǎn)生的脈沖幅值會在一定范圍內(nèi)有所波動。

實(shí)際情況下，液壓油中含有少量機(jī)械內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的金屬磨損顆粒，正常磨損時，油液中的金屬顆粒物的尺寸通常是10～20 μm[13]，為此選用了含有粒徑20 μm鐵顆粒的液壓油樣品來研究油液中微小金屬顆粒對檢測結(jié)果的影響。仍將阻抗分析儀的激勵電壓設(shè)置為2 V，頻率為0.3 MHz，微量注射泵的流量設(shè)為300 μL/ min。摘取部分鐵顆粒的檢測信號片段如圖9所示。

圖9 20 μm鐵顆粒檢測輸出信號

該信號圖中并無脈沖信號的出現(xiàn)，這是因?yàn)楫?dāng)粒徑20 μm的鐵顆粒通過檢測區(qū)域時，由于其體積太小，因而對極板間介質(zhì)介電常數(shù)的改變量極其微小，所產(chǎn)生的電容增加值被噪聲所覆蓋，即可認(rèn)為液壓油中含有的微量金屬顆粒對水滴和氣泡的區(qū)分檢測并無明顯影響。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種電容式液壓油傳感器，該傳感器將鋁棒固定在檢測流道中心，從而和流道旁的銅環(huán)組成了一柱形極板電容器。通過搭建檢測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了激勵電壓幅值對電容檢測的影響，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)電壓幅值從0.5 V遞增至2 V，所測得的信號幅值以及信號本底噪聲都逐漸降低,然而激勵電壓幅值為2 V時具有更高的信噪比，因而選用2 V的激勵電壓幅值可以提高傳感器檢測精度。該電容式傳感器實(shí)現(xiàn)了對液壓油中50 μm水滴和110 μm氣泡的區(qū)分檢測及計(jì)數(shù)，且其對于水滴檢測更靈敏，這是由水滴和氣泡兩者的介電常數(shù)差異造成的。本文提出的電容式油液檢測傳感器基于微流控技術(shù)，具有體積小、檢測精度高的優(yōu)點(diǎn)，對液壓油液中水分和空氣快速檢測提供了技術(shù)支持，從而達(dá)到液壓系統(tǒng)的故障預(yù)防和延長液壓設(shè)備工作壽命的目的。