基于環狀電極的電容式潤滑油磨粒檢測系統設計*

何永勃，姜 坤

(中國民航大學 航空自動化學院,天津 300300)

0 引 言

發動機摩擦副工作時會產生磨損顆粒，正常磨損所產生的磨粒直徑小于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，能夠直接反映出發動機的異常磨損故障信息[2]。

目前,國內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、磨損指數以及分類特征大磨粒來判斷機器的磨損狀態；南京航空航天大學民航學院構建了基于顯微圖像分析的油液在線監測系統，識別精度達到了95 %以上[5]；加拿大Gas Tops公司生產的MetalSCAN在線磨粒監測儀，具有100 %的檢測效率，能夠自動測定油液中磨粒的數量和大小[6]。

油中磨粒特性的變化，會影響潤滑油的介電常數，因此,應用電容式傳感器對潤滑油的介電常數進行檢測，從而監測其性能，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精確測量。本文采用了一種具有圓環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，實測分辨率可以達到0.125 fF。

1 傳感器設計

1.1 結構設計

潤滑油磨粒檢測系統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。本文設計了一種具有3個圓環極板的電容式傳感器，圓環極板的面積很小，因此,極板之間的靈敏場區域較小，從而對于磨粒特性的變化較敏感。傳感器剖面結構如圖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計成內置式和外置式。通過對2種結構傳感器的有限元仿真可知，極板外置式傳感器內的電位分布會在油液與管壁的交界處產生畸變，而內置式的傳感器內部電位分布則較為均勻[10]。因此,選用極板內置式的電容傳感器。管道內嵌入3個大小相同的銅質圓環。管道長L=60 mm，外直徑D=16 mm，內直徑d1與圓環電極的直徑(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[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 電容傳感器結構示意圖

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與磨粒位置的關系如圖2。由圖2可知，電容變化值與磨粒位置呈現類似正弦曲線的關系，管道內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對于傳感器電容特性的影響。

忽略邊緣效應，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。令極板面積為A，極板間電壓為U,則極板間電容值為

(2)

極板間充滿電介質時，介質被極化，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稱為電介質的相對介電常數εr。

比較式(2)、式(4)可知，極板間含有電介質時，極板間的電容值Cp與C0的關系如下

Cp=(1+α)C0=εrC0.

(5)

可以依據環狀電極的結構建立其空間檢測特性模型[14]。以兩相近圓環中心連線為z軸，與兩圓環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，d為兩圓環之間的距離，φ(r)為徑向分布函數。

由式(6)知，傳感器安裝后，空間某點介電常數變化引起的電容變化值ΔC只與潤滑油的相對介電常數εr呈線性關系，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 系統結構

2.1 硬件設計

微電容測量部分采用AD7746芯片。AD7746是一種采用了Σ-Δ技術的電容/數字轉換芯片(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位數據中，有效分辨率可達21位；線性度為0.01 %；可測電容范圍為±4 pF，并且通過設置CAPDAC寄存器可以擴展測量范圍。為了保證數據轉換精度，AD7746需要較長的轉換時間，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 軟件設計

單片機控制AD7746和串口，實現系統協調工作。系統上電后，單片機發出命令字對AD7746進行設置。隨后AD7746工作，當RDY腳輸出低電平時，即可讀取數據寄存器中的數據。單片機對數據進行處理，由液晶顯示或者發送到上位機。

根據測量原理，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導致C1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，獲得系統的輸出電容值，設置寄存器CAPDAC使此時的輸出為零。輸出數據和輸入電容的關系可以近似為

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為不同時間系統的輸出采樣值。可以發現，剛上電時，電容值會有一定程度的上升，60 s以后趨于穩定。因此，應該在上電60 s之后讀取數據，讓系統經過一定時間的預熱，以得到可靠的結果。

圖4 傳感器輸出與時間的關系曲線

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性能。貼片電容器接在EXCA與CIN1+之間。AD7746的設定如下：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)。

測量結果顯示，數據的高16位穩定，由此得出,系統分辨率為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的鐵質顆粒，取高16位數據作測量值。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的關系曲線。

由曲線知,加入顆粒后，ΔC變化明顯，遠大于系統的分辨率0.125 fF，且與顆粒直徑呈現正向的線性關系；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性好，表明此時系統的靈敏度較高。

圖5 電容變化值與顆粒直徑關系曲線

4 結束語

本文提出的圓環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。基于微電容檢測芯片AD7746設計的磨粒檢測系統簡化了電路，滿足了精度要求。采樣頻率為45.5 Hz時，數據高16位穩定，分辨率為0.125 fF。應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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