王德戌，郝宏剛，汪 竹

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065)

隨著工業(yè)化進程的不斷推進，機械設(shè)備在各類場景中的應(yīng)用越來越廣泛，潤滑油作為機械和運動設(shè)備的“血液”，在設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)中起著尤為重要的作用[1－3]。油液檢測是機械設(shè)備性能維護和故障監(jiān)測的重要手段，其中金屬磨粒含量測定是油液檢測中理化指標(biāo)的重要部分[4]。傳統(tǒng)的油液檢測方法成本較高，并對測試儀器和測量人員有一定的要求，且存在采樣量大，操作時間長等問題[5－7]。近年來，基于微波諧振結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳感器已有了較為成熟的發(fā)展[8－10]，該類傳感器通過測量介電常數(shù)等參數(shù)來推斷待測物品的物理屬性，具有非侵入式、快速測量等優(yōu)點[11－13]，為油液金屬磨粒含量的測量提供了新途徑。文獻[14]設(shè)計并制作了一種新型微波基片集成波導(dǎo)(SIW)腔液體介電常數(shù)傳感器，用于檢測和測定普通液體在2.45 GHz 下的介電常數(shù)。該技術(shù)基于諧振腔微擾理論，傳感器是傳統(tǒng)矩形腔體的微型化版本，結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度較高。利用水對制備的SIW 腔進行了標(biāo)定，為微擾系數(shù)的計算提供了簡便的方法。加工的傳感器實物對不同類型的液體進行了測試，驗證了靈敏度。文獻[15]提出了一種基于襯底集成波導(dǎo)的腔體傳感器，采用了光子帶隙法和可變電容，利用腔微擾技術(shù)來計算相對介電常數(shù)，該方法和裝置適用于石油老化程序的檢測。文獻[16]提出了一種非侵入性、可重復(fù)使用和可潛水的介電常數(shù)傳感器，它使用微波技術(shù)來表征液體材料的介電特性。該器件由兩個集成單極天線激勵的分裂環(huán)諧振腔構(gòu)成，基于諧振腔在透射系數(shù)中引入的陷波，該陷波由于傳感器在新型液體材料中的引入而受到影響。通過特定的實驗程序，使用商用液體獲得校準(zhǔn)曲線，由此得到了求解未知介電性能液體材料介電常數(shù)的數(shù)學(xué)方程。

在已有的研究基礎(chǔ)上，本文從微波結(jié)構(gòu)和容器屬性兩個方面進行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)構(gòu)上通過在環(huán)形諧振器的接地面加載互補開口諧振環(huán)(CSRR)，調(diào)整二者頻率，使其一致，以增強傳感器對油料金屬磨料含量變化的敏感性；容器屬性上，結(jié)合環(huán)形諧振器本身的結(jié)構(gòu)特點，考慮容器與諧振結(jié)構(gòu)充分接觸的目的，探討不同形狀下的傳感性能，以找出敏感性最佳的容器屬性。從這兩方面提升傳感器在測試液體材料介電常數(shù)的準(zhǔn)確度。最后利用介電常數(shù)與油料金屬磨粒含量的關(guān)系實現(xiàn)對油料金屬磨粒含量的檢測。

1 理論分析

1.1 介電常數(shù)法檢測油料金屬磨粒含量

介電常數(shù)法檢測油料金屬磨粒含量是將油料及所含金屬磨粒視為電介質(zhì)，油液是一種復(fù)雜的烴類混合物，可以看作是弱極性液體電介質(zhì)，而金屬磨粒則是一種典型的導(dǎo)電介質(zhì)[17]。在機械設(shè)備中存在很多摩擦，如果潤滑不良，則潤滑油中會含有大量金屬磨粒，這些由磨損產(chǎn)生的顆粒懸浮在潤滑油中會產(chǎn)生自由電子，此時潤滑油的介電常數(shù)會隨著懸浮顆粒的增多而增大。

1.2 微波諧振結(jié)構(gòu)測介電常數(shù)變化

微波諧振結(jié)構(gòu)測介電常數(shù)變化的基本原理是在微波諧振器件的電場最強處放置待測樣品，當(dāng)改變待測樣品的介電常數(shù)時，器件的諧振頻率隨之改變。通過測試介電常數(shù)已知的物體對應(yīng)的諧振頻率，建立介電常數(shù)與諧振頻率之間的關(guān)系，即可根據(jù)待測樣品的諧振頻率計算其介電常數(shù)。

微帶環(huán)形諧振器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它是把微帶線的導(dǎo)帶做成圓環(huán)的形狀，其振蕩模式為TMnm0，主模為TM110。微帶環(huán)形諧振器的特點為輻射損耗較小，Q值較高[18]。其中，TMn10模的諧振條件為

圖1 微帶環(huán)形諧振器

式中，r1，r2分別為環(huán)形諧振器的內(nèi)外徑。又因為

所以得到環(huán)形諧振器的頻率表達式

諧振器有多種饋電結(jié)構(gòu)，主要包括點饋、直連饋電、平行耦合線饋電和交指耦合線饋電等。本文選用交指耦合線饋電的結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 交指耦合線饋電結(jié)構(gòu)

交指耦合線饋電也稱三線耦合器，該結(jié)構(gòu)相比于平行耦合線具有更強的耦合能力，同時能避免直連饋電引起的低頻阻帶的寄生通帶[19－20]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

所設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該傳感器的介質(zhì)基板為Rogers5880，相對介電常數(shù)2.2，介電損耗為0.000 9，板材的厚度為0.787 mm。環(huán)形諧振器置于介質(zhì)基板中央，左右兩端口通過交指耦合線饋電結(jié)構(gòu)饋電，輸入輸出特性阻抗為50 Ω。介質(zhì)基板中部挖一圓柱形空腔，為盛放待測液體的容器提供放置空間，圓柱直徑與諧振環(huán)內(nèi)徑一致。

圖3 傳感器頂層結(jié)構(gòu)圖

圖4 為傳感器的電場分布圖，可以看出，在傳感器頂層，諧振環(huán)結(jié)構(gòu)處電場最強。

圖4 傳感器電場分布圖

由前文所述，當(dāng)待測樣品置于傳感器電場最強處時，傳感性能最強。優(yōu)化得到的圖4 中傳感器各參數(shù)如表1 所示。

表1 傳感器參數(shù) 單位:mm

文獻[21]選擇型號為F20W/30 的潤滑油為實驗對象，將不同量的鐵粉分別加到油樣中并充分搖勻，使用YH－1 型潤滑油質(zhì)量檢測儀測量介電常數(shù)。測試得到的相應(yīng)介電常數(shù)如表2 所示。

表2 油中鐵粉含量與介電常數(shù)關(guān)系

本文以該數(shù)據(jù)為參考，用介電常數(shù)值等效代替相應(yīng)的金屬磨粒含量進行仿真。受接觸面的影響，不同的液體盛放容器形狀會產(chǎn)生不同的介電常數(shù)測試敏感性。圖5 為兩種常規(guī)容器形狀及待測樣品放置的示意圖。

圖5 待測樣品放置示意圖

圖5(a)為圓柱形容器，容器外徑與介質(zhì)基板中部通孔的直徑相同，為5 mm，壁厚0.2 mm，高度為10 mm；圖5(b)為杯形容器，由上下兩段圓柱形容器組成，上段圓柱以覆蓋微帶環(huán)形諧振器為宜，取外徑為10 mm，下段外徑與介質(zhì)基板中部通孔的直徑相同，為5 mm，兩部分的高度經(jīng)優(yōu)化仿真后，確定為5 mm，壁厚0.2 mm，所選材質(zhì)為聚氯乙烯。兩種容器下待測樣品A 介電常數(shù)與傳感器諧振頻率的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 待測樣品金屬磨粒含量與諧振頻率關(guān)系圖

由圖6 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)待測油液的金屬磨粒含量由0 μg/g 變化至170 μg/g，即介電常數(shù)由2.0 變化至3.9 時，傳感器的諧振頻率向低頻處發(fā)生偏移，其中圓柱形容器由6.893 GHz 偏移至6.819 GHz，頻偏為74 MHz；杯形容器由6.746 GHz 偏移至6.618 GHz，頻偏為128 MHz。待測油液的金屬磨粒含量變化相同的情況下，杯形容器的頻偏約為圓柱形容器的1.7 倍，敏感性更好，因此選用杯形容器作為檢測油液金屬磨粒含量的容器進行試驗。

為了進一步提高傳感器的諧振性能，增加磨粒含量引起的頻率偏移，本文通過在諧振器的金屬接地層添加缺陷地結(jié)構(gòu)，形成阻帶，對電流的流動產(chǎn)生干擾，影響結(jié)構(gòu)的傳輸響應(yīng)，從而達到了諧波抑制的功能。選用經(jīng)典的CSRR 結(jié)構(gòu)加載于金屬接地層的中央，其結(jié)構(gòu)和等效電路如圖7 所示[22]。

圖7 CSRR 結(jié)構(gòu)圖和等效電路

圖7 中，L為頂層微帶線的等效電感，Lc與Cc分別是CSRR 的等效電感和等效電容，CSRR 的電阻等效為R，C為CSRR 與微帶傳輸線之間的耦合電容0。CSRR 的諧振頻率可通過如下的公式計算得到[23]:

通過調(diào)節(jié)CSRR 的尺寸，使其諧振頻率與頂層環(huán)形諧振器一致，以此增強待測樣品放置區(qū)域的電場強度，提高傳感器的敏感性。添加CSRR 后，傳感器的底層結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 傳感器底層結(jié)構(gòu)圖

圖9 為加載CSRR 參數(shù)后，待測油液的金屬磨粒含量與傳感器諧振頻率的關(guān)系。

圖9 待測樣品金屬磨粒含量與諧振頻率關(guān)系圖(加載CSRR)

由圖9 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)待測油液的金屬磨粒含量由0 μg/g 變化至170 μg/g，即介電常數(shù)由2.0 變化至3.9 時，傳感器的諧振頻率向低頻處發(fā)生偏移，由6.861 GHz 偏移至7.159 GHz，頻偏為298 MHz，較未加載CSRR 結(jié)構(gòu)的情況，傳感器的敏感性得到了大幅度的提升。此時優(yōu)化得到的CSRR 參數(shù)如表3所示。

表3 CSRR 參數(shù) 單位:mm

用相同的方法對油樣B 和C 進行仿真測試，得到不同的金屬磨粒含量與頻率偏移的關(guān)系如表4 所示。其中頻率偏移均以金屬磨粒含量為0 時的諧振頻率作參考。

表4 油中鐵粉含量與頻率偏移關(guān)系單位:MHz

根據(jù)表4 得到油液金屬磨粒含量與頻率偏移的擬合關(guān)系如圖10 所示。

圖10 金屬磨粒含量與頻率偏移的擬合關(guān)系圖

由圖10 可知，金屬磨粒含量與傳感器的頻率偏移線性項擬合優(yōu)度為0.993 2，數(shù)據(jù)擬合效果較好。按照圖5(b)放置杯形容器，首先將未含金屬磨粒的純凈油料放置于容器內(nèi)，傳感器兩端口連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀讀取諧振頻率參考值，然后測試待測油液的諧振頻率，計算頻率偏移量，最后借助圖10 的擬合直線，即可得到待測油液的金屬磨粒含量。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于微波諧振結(jié)構(gòu)的油料金屬磨粒含量檢測傳感器，通過比較不同待測樣品容器引起的頻率偏移，發(fā)現(xiàn)杯形容器檢測效果較柱形容器更好；通過在環(huán)形諧振器中加載CSRR 結(jié)構(gòu)，顯著提高了傳感器對介電常數(shù)的敏感性。最終得到的計算模型擬合優(yōu)度較好，可適用于油液監(jiān)測中金屬磨粒的檢測。下一步的主要工作是進行實物加工測試和誤差分析。