基于介電常數(shù)的油液質(zhì)量檢測儀

余堅鏗，吳杰長

(海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

0 引言

機械設(shè)備長期運行會加劇各個零部件之間的磨損，而潤滑油可以很好減緩磨損現(xiàn)象，因此潤滑油的優(yōu)劣直接影響著設(shè)備的使用壽命[1]。通常情況下，大部分機械設(shè)備故障是由于固體顆粒對潤滑油造成污染引起的，因此對潤滑油的實時監(jiān)測與降低機械設(shè)備故障率有著直接的關(guān)系。設(shè)計了一種基于介電常數(shù)的潤滑油質(zhì)量檢測儀，利用電容傳感器檢測潤滑油中的介電常數(shù)，通過電容傳感器輸出的電容值來反映潤滑油中介電常數(shù)的變化，從而可以有效判斷出潤滑油的優(yōu)劣，從側(cè)面反映出設(shè)備運行的狀態(tài)[2]。

1 介電常數(shù)檢測原理

通常情況下，潤滑油中小于4 μm的顆粒屬于正常磨損產(chǎn)生的，而大于14 μm的顆粒則是由不正常磨損產(chǎn)生的[3]。這些由磨損產(chǎn)生的顆粒會懸浮在潤滑油中，此時潤滑油的介電常數(shù)會隨著懸浮顆粒的增多而增大。介電常數(shù)的變化與電容傳感器電容值的變化成正比，因此可以通過檢測電容傳感器電容值的變化來間接地測量潤滑油的質(zhì)量[4]。測量原理如圖1(a)所示。

當(dāng)潤滑油純凈時，在里面加入一顆微粒。取微粒上下表面對應(yīng)的面積ΔS，可得其電容值為

(1)

圖1(b)為潤滑油中加入微粒后的等效電路圖，當(dāng)加入金屬微粒后，微粒內(nèi)部場強為零，可以表示為電容器串聯(lián)模型。此時電容值為

(2)

圖1 系統(tǒng)檢測原理

由式(1)、式(2)可得加入金屬微粒后電容傳感器所測電容值的變化量為

(3)

式中：ε為介電常數(shù)；Δd為金屬顆粒的高度；ΔS為金屬顆粒上下表面積；d1、d2為金屬顆粒距離電容傳感器上下極板的距離；V1為金屬顆粒的體積。

由式(2)可得，當(dāng)潤滑油被污染時，其介電常數(shù)也隨之增大，相應(yīng)的電容傳感器檢測到的電容值就會增大，并且電容傳感器電容值的變化與磨損金屬顆粒的體積成正比。

2 電容傳感器的設(shè)計

為了便于將傳感器接入到油路中，設(shè)計了圓柱形的電容傳感器，該傳感器采用兩電極的設(shè)計方案，即圓柱形電容傳感器的外壁作為檢測電極，實芯圓柱為激勵電極[5]。當(dāng)潤滑油從圓柱形傳感器中流過時，傳感器電容值的變化就反映了油液中介電常數(shù)的變化，即可反映出油液中磨損雜質(zhì)的多少，以此來判斷油液的質(zhì)量。圓柱形電容傳感器原理圖如圖2所示。

圖2 圓柱形電容傳感器

由式(3)可得，圓柱形電容傳感器的理論電容值為

(4)

式中：L為圓柱形電容傳感器的長度；R為實芯銅柱距離外壁的距離，L遠遠大于R；r為實芯銅柱距離內(nèi)壁的距離;ε0為真空中的介電常數(shù)；ε為潤滑油中的相對介電常數(shù)。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于介電常數(shù)的油液質(zhì)量檢測儀檢測的精確性依賴于電容傳感器采集到電容值的準(zhǔn)確性。因此弱電容信號的采集是油液質(zhì)量檢測儀中的難點和關(guān)鍵技術(shù)。常用微弱電容檢測電路有[6]：有源差分法、高壓交流雙邊激勵法、磁感應(yīng)法、直流充/放電法、交流法，其中后兩種方法最常見，技術(shù)也最為成熟。直流充/放電法是基于電荷轉(zhuǎn)移原理的電容測量法，雖然具有一定的抗雜散電容能力，但是其零點漂移很難根除，并且檢測精度只有0.3 fF。而交流法則不會出現(xiàn)直流充/放電法零點漂移等問題，其檢測精度達到了0.04 fF，因此系統(tǒng)選用交流法來檢測電容傳感器輸出的弱電容。

3.1 交流法弱電容檢測電路

交流法弱電容檢測電路主要由信號源發(fā)生電路、C/V轉(zhuǎn)換電路、相敏解調(diào)電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，其是整個系統(tǒng)的核心部分[7]。電路原理圖如圖3所示，交流法檢測弱電容具有如下優(yōu)點：減小了直流溫漂，不受傳感器損耗電導(dǎo)的影響。

圖3 交流法弱電容檢測電路原理圖

3.2 信號源發(fā)生電路

信號源的精度是整個系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確性的重要保證，系統(tǒng)利用DDS原理[8]，采用EPM570控制DAC芯片AD9754的方式產(chǎn)生高精度的正弦波驅(qū)動信號源，其是通過對EPM570編程，每過一個時鐘周期輸出14位正弦波對應(yīng)的數(shù)字量，AD9754就會將該離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的連續(xù)模擬量，然后輸出一個光滑的正弦波驅(qū)動信號。系統(tǒng)產(chǎn)生2路正弦波信號，一路作為電容傳感器的激勵信號，另一路作為相敏解調(diào)電路的參考信號，DDS信號發(fā)生器電路圖如圖4所示。

圖4 DDS信號產(chǎn)生電路圖

3.3 C/V轉(zhuǎn)換電路

C/V轉(zhuǎn)換電路也是整個系統(tǒng)的重要組成部分，由于傳感器輸出的電容信號并不能直接采集，因此需要將傳感器輸出的弱電容信號轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的電壓信號[9-10]。C/V轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖5所示，當(dāng)將正弦波激勵信號Vi接入到電容傳感器的激勵電極上時，其會在電容傳感器的兩個極板之間產(chǎn)生一個電容值Cx，Cx的大小與交流激勵信號Vi的峰值電壓成正比。Cs1、Cs2主要作用是抑制系統(tǒng)中的雜散電容。

圖5 C/V轉(zhuǎn)換電路圖

根據(jù)基爾霍夫電流定律，可知流過Cx的電流與流過Rf和Cf的電流之和相等。所以，可列出如下等式：

(5)

由式(5)可推出輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系式：

(6)

如果|jωCfRf|>>1，式(5)可以簡化為

(7)

如果|jωCfRf|<<1，式(5)簡化為

Vo=-jωCxRfVi

(8)

從式(7)得知，Cf和Vi給定其合適值后就不會變化，所以待測電容Cx和輸出電壓Vo成線性關(guān)系，并與其他參數(shù)無關(guān)。從圖5可知激勵信號同時激勵待檢測電容Cx與激勵雜散電容CS1，因其流過雜散電容的電流直接流向地而不會流過待檢測電容Cx，所以CS1不會對電容測量產(chǎn)生任何影響；同樣可以從圖5中看到雜散電容CS2的一端接地，另一端由于放大器處于深度負反饋狀態(tài)，可根據(jù)虛短虛斷原理推出其為虛地狀態(tài)，雜散電容CS2兩端的電壓差基本為零(即電流為零)，所以CS2也不會對電容測量產(chǎn)生任何影響。因此，該電路具備抗雜散電容的能力。

3.4 相敏解調(diào)電路

經(jīng)過C/V轉(zhuǎn)換電路后輸出的電壓信號中含有交流分量和直流分量，由式(3)可知，其中直流分量與傳感器輸出的電容值成線性關(guān)系，因此需要通過相敏解調(diào)電路濾除信號中的交流分量。相敏解調(diào)電路原理如圖6所示。

圖6 相敏解調(diào)電路

系統(tǒng)選用的相敏解調(diào)電路是由四象限模擬乘法器AD734和有源二階巴特沃斯低通濾波器組成。電容傳感器輸出的信號經(jīng)過C/V轉(zhuǎn)換電路后，輸出的信號作為乘法器的輸入信號，DDS輸出的另一路信號作為乘法器的參考信號，乘法器輸出的信號經(jīng)過低通濾波器后就得到系統(tǒng)需要的有效信號。通過相敏解調(diào)能濾除信號中的噪聲信號、高頻分量，得到一個直流分量。最后利用A/D轉(zhuǎn)換器采集直流電壓信號，在單片機內(nèi)部分析得到潤滑油中磨損金屬顆粒的多少，以此來分析潤滑油品質(zhì)的優(yōu)劣。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編程，利用ST公司提供的固件庫函數(shù)，可節(jié)約編程時間，提高效率。應(yīng)用程序主要包括系統(tǒng)初始化程序、DDS信號發(fā)生程序、FSMC接口程序、A/D轉(zhuǎn)換器程序以及串口通訊程序等。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

5 實驗數(shù)據(jù)分析處理

為了確保系統(tǒng)測量的精度，必須對檢測系統(tǒng)進行二次標(biāo)定。第一次是對電容檢測電路的標(biāo)定，目的是確保系統(tǒng)檢測電容的準(zhǔn)確性。第二次是對整個系統(tǒng)進行標(biāo)定，目的是保證系統(tǒng)檢測到的介電常數(shù)的準(zhǔn)確性。首先把精度為0.5%的高精度電容接入到電路中，對比系統(tǒng)檢測到的電容值與標(biāo)準(zhǔn)電容值的大小，通過添加相關(guān)系數(shù)來修正，使得系統(tǒng)檢測到的電容值與標(biāo)準(zhǔn)電容值保持一致。測試結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)電容值與系統(tǒng)測得電容值對比 pF

由表1測量得到的標(biāo)準(zhǔn)值和系統(tǒng)測量值的關(guān)系，求得修正系數(shù)K1=0.995，當(dāng)系統(tǒng)測量的電容值乘以修正系數(shù)K1之后得到的值與標(biāo)準(zhǔn)值之間幾乎保持一致。

對電容檢測電路測量得到的電容值進行標(biāo)定之后，開始對系統(tǒng)進行第二次標(biāo)定。利用4種已知相對介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)潤滑油，依據(jù)上述測量原理，利用研制的系統(tǒng)檢測出其相對介電常數(shù)，將其與標(biāo)準(zhǔn)值進行對比，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 4種已知介電常數(shù)潤滑油測量數(shù)據(jù)對比

由表2測量數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)測得的相對介電常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值相比誤差較大，因此需要對系統(tǒng)進行二次標(biāo)定。將上述介電常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值與測量值進行比較，通過相關(guān)計算得到修正系統(tǒng)K2=0.775，擬合后的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 擬合修正系數(shù)K2后系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)

由上述測量數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)經(jīng)過2次標(biāo)定引進修正系數(shù)K1、K2后，系統(tǒng)測量的精度顯著提高，由表3可知，系統(tǒng)最終檢測到潤滑油的介電常數(shù)基本與標(biāo)準(zhǔn)值保持一致，系統(tǒng)測量的絕對誤差小于0.03。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)設(shè)計了一種基于介電常數(shù)的油液質(zhì)量檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用圓柱形電容傳感器采集潤滑油中介電常數(shù)數(shù)值，利用電容傳感器電容值與介電常數(shù)成正相關(guān)的關(guān)系來推算出油液的介電常數(shù)數(shù)值，由介電常數(shù)數(shù)值反推出潤滑油中磨損金屬顆粒的多少，以此來判斷出潤滑油的優(yōu)劣，實現(xiàn)對潤滑油品質(zhì)的在線監(jiān)測。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點是采用圓柱形電容傳感器檢測潤滑油中管道介電常數(shù)，可直接將傳感器與油路對接進行測量，無需破壞原有油路。