謝子儀，段 力，翁昊天

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

大藤峽水利項目是“西江億噸黃金水道”基礎(chǔ)建設(shè)的標(biāo)志性工程，為西電東送、創(chuàng)造區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展提供便利[1].人字閘門是水利工程中蓄水和排洪的重要組件.大藤峽水利樞紐船閘人字門高42.4 m，閘門向左、右開合，由左、右兩扇門葉和支撐部件組成.當(dāng)閘門開啟時，門葉繞頂、底樞軸轉(zhuǎn)動，完全打開后隱藏在門龕中；當(dāng)閘門關(guān)閉時，門葉水平投影呈人字狀.底樞軸承作為人字閘門最底端的支撐構(gòu)件，服役環(huán)境惡劣，其可靠性影響整個閘門工況，關(guān)系大壩安全[2].而重載工況下的底樞軸承磨損量極大，因此需要實時監(jiān)測其磨損量[3].目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正逐漸應(yīng)用于水利工程的智能化.如美企IBM建立的“智慧水網(wǎng)”能夠?qū)崟r監(jiān)測水網(wǎng)狀況，并將其應(yīng)用于氣象、市政等部門，形成一套兼具感知、通信、控制和調(diào)度功能的集成系統(tǒng)[4].各種傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正逐漸成為水利行業(yè)的中流砥柱[5].我國也逐步形成一些較為完整的傳感網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)鏈[6]，智能傳感器研發(fā)對水利行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有重要作用.

利用傳感器進行磨損量監(jiān)測是21世紀(jì)工程學(xué)智能化的重要體現(xiàn)，其主要包括以下技術(shù)：一是利用“直寫”等增材制造方式制造高分辨率磨損傳感器[7-8]和具有選定頻率的良好信噪比的非破壞性微機械共振傳感器[9].其測量結(jié)果較精確，但不耐久，對外界壓力的適應(yīng)性差.二是利用聲發(fā)射傳感器在線監(jiān)測刀具等部件的磨損狀況，聲發(fā)射信號的強度隨材料去除率的增加而增加[10].該方法可以實現(xiàn)同步磨損監(jiān)測，并預(yù)測更換刀具的周期[11].但其基于聲發(fā)射的器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在深水環(huán)境中難以應(yīng)用，效果較基于磨損量隨電阻變化原理制造的傳感器差.三是利用線圈的電感變化傳感部件的磨損情況.Zhu等[12]提出一種帶有鐵氧體磁芯的便攜式磨損碎片傳感器，通過測量纏繞在一對鐵氧體磁芯上的兩個平面線圈的電感變化來檢測磨損.其測量靈敏度較高，但易受電磁干擾，且對制造工藝要求高、成本高，不適用于大型工程.四是利用位移傳感器測量器件磨損面的相對位移，即設(shè)其中一個摩擦面的磨損量無窮小，則另一個面的位移可近似為一對摩擦副磨損量的總和.據(jù)此原理，董光能等[13]采用雙位移傳感器實現(xiàn)對塑料磨損量的連續(xù)、在線測量；華亮等[14]設(shè)計一體反射型超聲波傳感器測距電路以實時測量距離差.但大藤峽人字閘門的磨損量變化屬于時變系統(tǒng)，傳感器位于水下幾十米，閘門安裝后不易拆卸，因此該方式不適用.五是薄膜磨損傳感器.董光能等[15]利用真空鍍膜技術(shù)，將電阻率大的鎳、鉻等材料鍍在覆蓋了絕緣膜的金屬基材上，測量運動的磁帶對磁頭造成的磨損.磨損改變傳感器表面粗糙度，根據(jù)磨損傳感器電阻值的變化實時、連續(xù)地確定磨損量.

上述研究中的磨損傳感對象多為陸地正常環(huán)境中的中小型機械部件，其不適用于大藤峽底樞軸承高深水下的特殊工作條件.對此，提出微機電系統(tǒng)(MEMS)薄膜型電阻磨損傳感器，其基于表面磨損量直接減小測量電阻寬度的傳感原理，利用電阻值與寬度減小的函數(shù)關(guān)系對磨損量進行監(jiān)測.其原理簡單，安裝便捷，可實現(xiàn)對服役環(huán)境惡劣、運動位移大且工作頻率高的大型工程部件的磨損量進行傳感.此外，參照卓興建等[16]構(gòu)建的磨損實時監(jiān)測系統(tǒng)，本文采用電路板外側(cè)填充環(huán)氧樹脂膠的安裝方式實現(xiàn)絕緣，該方式對大型水利工程的在線監(jiān)測與后續(xù)基于物聯(lián)網(wǎng)和智能系統(tǒng)搭建具有參考意義.

1 結(jié)構(gòu)分析與傳感原理

1.1 底樞軸承與傳感器結(jié)構(gòu)

大藤峽水利樞紐中設(shè)有千噸級船閘，閘室有效尺寸長×寬×最小水深為190 m×23 m×4 m.下閘首采用人字閘門，門頂標(biāo)高61.8 m，閘門拱軸線與下閘首橫軸線的水平夾角為22.5°.閘門水平截面和底樞軸承傳感器安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中，θ1和θ2分別為單、雙向水平轉(zhuǎn)動角度，R0為底樞軸承的半徑.位于閘門中下部的傳感器安裝后5～10年內(nèi)無法維護.

圖1 大藤峽人字閘門與底部軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structures of herringbone gate and bottom bearing of Dateng Gorge

傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示.傳感器自下而上分別為核心部位、金屬圓柱和金屬長方體.核心部位利用環(huán)氧樹脂將薄膜電阻和金屬導(dǎo)電材料結(jié)合，導(dǎo)線接通傳感器薄膜電阻，通過中部空心的柱狀金屬材料延伸至上端，再與外部檢測儀器連接.整個傳感器置于傳感器線孔中.在軸承與不銹鋼蘑菇頭之間設(shè)置接觸式傳感器以測量軸承磨損量.傳感器同步參與軸承的磨損，導(dǎo)致傳感器電阻發(fā)生變化.

圖2 傳感器與磨損試驗件示意圖Fig.2 Schematic of sensor and wear test pieces

1.2 理論基礎(chǔ)

傳感器的理論基礎(chǔ)為電阻率公式：

(1)

式中：R為薄膜的電阻；ρ為被測材料的電阻率；l為兩個電極之間的距離；s為薄膜電阻的截面積.如果將s表示為厚度(t)與寬度(w)的乘積，則式(1)可表示為

(2)

磨損量傳感器的工作原理為當(dāng)薄膜電阻器被磨損后，w減小，導(dǎo)致電阻增大.通過測量電阻的變化，即可估算出磨損量的大小.實際操作時，在兩測量點之間加一個1 V的電壓(V)并測其電流(I)以實現(xiàn)電阻的測量.在仿真過程中，其公式為

(3)

式中：j為厚膜截面的電流密度.

2 薄膜電阻仿真

2.1 薄膜電阻模型

利用COMSOL Multiphysics(簡稱COMSOL)軟件建立薄膜電阻模型，改變薄膜磨損量，測量電阻值的變化.為方便計算，在構(gòu)建模型時，將傳感器視為規(guī)則的長方體：最下層為導(dǎo)體，中間層絕緣，上層為導(dǎo)電薄膜，覆有兩個金屬電極.假設(shè)其各處的電導(dǎo)率相等(單一材料構(gòu)建).由于傳感器尺寸與制作材料的導(dǎo)電率均會對電阻產(chǎn)生影響，所以仿真時分別設(shè)w和電導(dǎo)率(σ)為變量.添加電流物理場，即為兩個電極添加不同電勢，形成電壓.參數(shù)化掃描w，模型與結(jié)果如圖3所示.

圖3 薄膜電阻的幾何結(jié)構(gòu)與電場仿真Fig.3 Geometry and simulation result of thin film resistor

不同寬度下，電阻隨電導(dǎo)率的變化如圖4所示.可知，改變σ值，R均隨w的增大而減小，且σ值越小，R的減小趨勢越顯著.在實際應(yīng)用中，需要一個合理的R值，則要求制造材料的電導(dǎo)率和傳感器的尺寸適中.同時，在同一σ值下，隨著w值從1.1 mm增至6.1 mm，R值急劇下降；在w=1.1 mm時，隨σ值增大，R值減小較為明顯；在w=1.1～3.1 mm的范圍內(nèi)，隨著w或σ的變化，R值的下降幅度均減小.說明隨著傳感器寬度與電導(dǎo)率的增大，其對電阻值的影響逐漸減小.該結(jié)論與式(1)相符，即當(dāng)電導(dǎo)率不變時，隨著磨損量的增加，傳感器寬度增大，導(dǎo)致電阻的減小速率減小，曲線近似為雙曲線.這是因為焊點在傳感器的兩個角上，而距離傳感器中心較遠(yuǎn)位置的電流較小，對電流分布的影響也較小，所以寬度較大時對電阻的影響較小.

圖4 不同寬度下電導(dǎo)率與電阻的關(guān)系Fig.4 Conductivity versus resistance at different widths

利用Origin繪制三維圖并分析σ、w與R的仿真關(guān)系，如圖5所示.圖中，R隨w、σ的增大而減??；在同一σ值下，隨w的增大，R的減小趨勢基本一致.可知，電阻與電導(dǎo)率、傳感器寬度均呈負(fù)相關(guān)，結(jié)論與式(2)相符.

圖5 三維仿真圖Fig.5 Diagram of 3D simulation

2.2 環(huán)繞銅片電阻模型

為了研究導(dǎo)電膜長度對電阻值的影響，使用COMSOL軟件建立環(huán)繞銅片電阻模型，觀察導(dǎo)電圓片上與焊點距離不同的各測試點處的電流.模型與仿真結(jié)果如圖6所示.其中，紅色箭頭與顏色標(biāo)識分別表示導(dǎo)電薄膜上微觀電流(i)的方向與大小，利用式(3)截面積分得到i值.在位于圓心與圓周的兩個焊點處，施加1 V電壓，兩者的電流分別呈現(xiàn)極大值和極小值.

圖6 環(huán)繞銅片電阻模型與仿真結(jié)果Fig.6 Model and simulation result of resistance around copper

3 磨損量傳感器實驗驗證

3.1 傳感器制作

由于現(xiàn)有接觸式傳感器均無法承受液氮浸泡，所以安裝工藝應(yīng)為先在軸承、底座的相應(yīng)位置打孔，將軸承冷裝入頂蓋，再進行傳感器的安裝、固定、保護與密封.

采用柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)將MEMS工藝制作的薄膜電阻傳感器固定在模具中.預(yù)先將芯片封裝在一個銅制圓柱塊內(nèi)，待軸承安裝完畢后，從內(nèi)側(cè)將傳感器向中心裝入軸承孔中，布置于距旋轉(zhuǎn)中心線約50 mm的位置，并將線纜從上部引出.考慮薄膜電阻需要牢固地固定在圓環(huán)中間，安裝時要求使用一種收縮性小且黏附力強的材料，因此選用環(huán)氧樹脂黏合薄膜電阻與柱狀導(dǎo)電材料[17].

磨損試驗件原件為中空結(jié)構(gòu)，中間孔洞置有一個薄膜電阻，如圖7所示.其中，磨損片原件如圖7(a)所示.利用加工機器沿切割線分別切出兩片薄膜銅，將兩者以銅為內(nèi)表面，面對面固定，兩端焊接金屬線，形成如圖7(b)所示的導(dǎo)電金屬，再在其外圍黏合環(huán)氧樹脂，引出導(dǎo)線.

圖7 磨損量傳感器實物圖Fig.7 Physical map of wear sensor

環(huán)氧樹脂參與的固化過程：取16 g環(huán)氧樹脂，在70 ℃條件下烘烤2 min；然后加入4 g固化劑，順時針攪拌，抽真空至樣品變透明后，利用吸管將其倒入模具中.利用固化好的膠膜將傳感器固定，10 h后取出固化后的傳感器.

3.2 磨損量測量實驗

打磨磨損量傳感器模型：先使用千分尺測定磨損部位厚度，再在車床上進行打磨，進刀深度為0.05 mm/次.打磨過程實景如圖8所示.

圖8 打磨過程示意圖Fig.8 Schematic of sanding process

打磨傳感器至不同厚度，利用萬用表測量電阻值.為驗證實驗結(jié)果的合理性，將實驗數(shù)據(jù)和COMSOL軟件模擬結(jié)果進行對比.僅改變導(dǎo)電膜寬度，在σ=20 S/nm時得到如圖9所示結(jié)果.圖中，實驗所得數(shù)據(jù)貼近仿真數(shù)據(jù)，說明實驗結(jié)果合理.由曲線的變化趨勢可知，增加測試樣本，可以獲得更貼近仿真數(shù)據(jù)的實驗數(shù)據(jù).

圖9 測量電阻隨寬度的變化曲線Fig.9 Measurement of resistances versus widths

3.3 薄膜電阻均勻性實驗

為進一步驗證傳感器電阻與磨損量之間的關(guān)系，研究導(dǎo)電膜長度對電阻的影響并進行誤差分析.利用濺射鍍膜法，將銅濺射到圓片表面，以分析電阻均勻性.選擇兩個厚度不同的鍍銅圓片，即電阻不同，在相同條件下測量各測量點與圓心之間的電阻.對于每個圓片，實驗分別設(shè)置2個測量點到圓心的距離，且每個距離各設(shè)置6個測量點，具體分布如圖10所示.

圖10 環(huán)繞銅片電阻測量點示意圖(mm)Fig.10 Schematic of resistance measurement points around copper (mm)

結(jié)果和誤差估算如表1所示.其中，r為測點到圓心的距離.將表1所示數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行比對，結(jié)果如圖11所示.圖中，兩曲線的變化趨勢相同，結(jié)果基本吻合.

圖11 樣品仿真電阻隨測量點至圓心距離變化的曲線Fig.11 Simulated resistances of sample versus distance from measuring points to center of circle

表1 不同樣品的薄膜實測電阻與相對誤差Tab.1 Measured resistance and relative error of thin films of different samples

薄膜電阻相對誤差分析如圖12所示.其中，θ為測量點相對圓心的角度.圖中，數(shù)據(jù)的相對誤差值控制在3%之內(nèi).在1.5π≤θ<3π的范圍內(nèi)，電阻較小，相對誤差較大；在3π≤θ≤5π的范圍內(nèi)，電阻較大，相對誤差較小.因此，在制造薄膜型磨損量傳感器時可以適當(dāng)減小膜厚，從而增大電阻值，提高測量精度.

圖12 薄膜電阻不同角度下的相對誤差Fig.12 Relative errors of film resistance at different angles

4 結(jié)論

大藤峽水利工程閘門底部軸承的服役環(huán)境惡劣.為實現(xiàn)在深水中的實時監(jiān)測，設(shè)計一種電阻型MEMS磨損量傳感器，并將其嵌入底部軸承中進行磨損實驗.利用COMSOL仿真軟件對測量過程和原理進行模型簡化與仿真，建立磨損量與薄膜電阻變化的測量模型，并研究尺寸、焊點位置等因素對磨損量監(jiān)測的影響.根據(jù)電阻變化計算磨損量，并通過軟件仿真和模擬實驗得到兩者之間的關(guān)系.具體結(jié)論如下：

(1)電阻與電導(dǎo)率、傳感器寬度均呈負(fù)相關(guān)；施加電壓后，兩個焊點的電流分別呈現(xiàn)極大值和極小值.

(2)對于傳感器電阻與磨損量之間的關(guān)系，實驗和仿真結(jié)果基本吻合；在工況允許范圍內(nèi)，當(dāng)薄膜電阻厚度較大時，電阻值較大，測量精度較高.

(3)所設(shè)計的電阻型MEMS磨損量傳感器具有耐用性強、安裝便捷、穩(wěn)定性好等特性，能夠滿足深水環(huán)境中大藤峽底樞軸承運動位移大、工作頻率高的要求.

致謝感謝上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院的柳楨、靜波老師和電子信息與電氣工程學(xué)院的孫云娜、胡銘楷、孫雅婷、費錢超同學(xué)為本研究傳感器實驗和數(shù)據(jù)分析部分作出的貢獻(xiàn).感謝上海交通大學(xué)2018年工程學(xué)導(dǎo)論課程部分學(xué)生的實踐工作：感謝陳沛東、康鑫寶、賴俊宇、李天童、李澤在磨損傳感器文獻(xiàn)調(diào)研工作中的貢獻(xiàn)，感謝林嘉豪、苗雨潤、邱致遠(yuǎn)、石煒昂、隋思哲、王浩然在磨損傳感器制作中的貢獻(xiàn)，感謝王凱源、王潤綺、魏皓、吳方舟、伍致宇、向思磊、謝禹翀、熊逸蕓在磨損傳感器原理分析與計算機仿真工作中的貢獻(xiàn)，感謝徐鴻、顏暢、楊明杰、余徑舟、張澳、張博聞、張睿桐、張云驥在磨損傳感器安裝工作中的貢獻(xiàn)，感謝趙歡幗、趙顯文、周玉、朱浩然、朱躍在磨損量測量工作中的貢獻(xiàn).