何永勃，姜 坤

(中國民航大學 航空自動化學院,天津 300300)

0 引 言

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

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

油中磨粒特性的變化，會影響潤滑油的介電常數(shù)，因此,應(yīng)用電容式傳感器對潤滑油的介電常數(shù)進行檢測，從而監(jiān)測其性能，是一種常用的檢測方法。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，一般的分立電路很難實現(xiàn)精確測量。本文采用了一種具有圓環(huán)極板的電容式傳感器，對于磨粒直徑大小和含量的變化較靈敏。測量電路采用了微電容采集芯片AD7746[7]，測量范圍和采樣頻率可調(diào)，實測分辨率可以達到0.125 fF。

1 傳感器設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

為了減少潤滑油中污染物對測量精度的影響，傳感器的外層管道采用不易粘附雜質(zhì)且便于清洗的有機玻璃。按照極板的安裝位置不同，電容式傳感器可以設(shè)計成內(nèi)置式和外置式。通過對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個大小相同的銅質(zhì)圓環(huán)。管道長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隨之增強。但是電極間距的減小無疑增加了加工難度，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

當磨粒處于傳感器的不同位置時，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。為簡化起見，只分析單個磨粒沿傳感器軸線方向運動對于電容輸出的影響。

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

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

以圓筒的中心軸線為x軸，以極板1的中心點為原點，磨粒沿軸線方向自左向右運動時，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)磨粒變化所帶來的電容變化量僅在fF量級，所以,傳感器和檢測電路應(yīng)有較高的精度和測量靈敏度。

圖2 磨粒位置與電容變化值關(guān)系曲線

1.3 測量原理

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

忽略邊緣效應(yīng)，當極板間為真空時，電場強度可以表述為

(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，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。此時的電容值可以表示為

(4)

1+α稱為電介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr。

比較式(2)、式(4)可知，極板間含有電介質(zhì)時，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ρ(r,θ,z)。近似擬合出的電容檢測特性為

(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，空間某點介電常數(shù)變化引起的電容變化值ΔC只與潤滑油的相對介電常數(shù)εr呈線性關(guān)系，因此,可以利用此傳感器檢測具有不同磨粒特性的潤滑油。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件設(shè)計

微電容測量部分采用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)，既可用于電容測量，又可作為普通的A/D使用。它具有4 fF精確度；測得24位數(shù)據(jù)中，有效分辨率可達21位；線性度為0.01 %；可測電容范圍為±4 pF，并且通過設(shè)置CAPDAC寄存器可以擴展測量范圍。為了保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度，AD7746需要較長的轉(zhuǎn)換時間，采樣頻率較低，只有幾十赫茲，所以,適合測量潤滑油流速較慢的情況。

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

圖3 單片機與AD7746連接簡圖

2.2 軟件設(shè)計

單片機控制AD7746和串口，實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)上電后，單片機發(fā)出命令字對AD7746進行設(shè)置。隨后AD7746工作，當RDY腳輸出低電平時，即可讀取數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。單片機對數(shù)據(jù)進行處理，由液晶顯示或者發(fā)送到上位機。

根據(jù)測量原理，當傳感器管道中沒有油液時，AD7746的輸出ΔC為零。但實際測量中，由于傳感器制作的原因?qū)е翪1和C2的不對稱，或者C1,C2的連接線的長度不相等原因，都可能導致ΔC不為零，即存在耦合電容。在測量時，可以利用AD7746的CAPDAC寄存器補償耦合電容。具體方法為：電容式傳感器無油液流過時，獲得系統(tǒng)的輸出電容值，設(shè)置寄存器CAPDAC使此時的輸出為零。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，輸出會有一定的漂移。圖4為不同時間系統(tǒng)的輸出采樣值?？梢园l(fā)現(xiàn)，剛上電時，電容值會有一定程度的上升，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)過一定時間的預(yù)熱，以得到可靠的結(jié)果。

圖4 傳感器輸出與時間的關(guān)系曲線

3 實驗測試

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

測量結(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。

實際測量含不同大小磨粒的潤滑油。測量時，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)作測量值。圖5是顆粒位于極板1,2的中間位置時，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，曲線較平滑，電容變化值與顆粒直徑對應(yīng)性好，表明此時系統(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

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

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