基于電容傳感器的飛機滑油磨粒檢測系統設計*

何永勃， 徐 斌

(中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300)

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基于電容傳感器的飛機滑油磨粒檢測系統設計*

何永勃， 徐 斌

(中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300)

飛機發動機的異常摩擦、磨損會在滑油中產生大量的磨粒，對滑油磨粒的有效檢測可以為發動機的故障診斷提供可靠信息。設計了一個弧狀極板式電容傳感器，但傳感器中電容變化量非常小，傳統方法難以檢測，采用交流電橋式電容檢測方法。系統以AD9833為DDS信號發生器給交流電橋施加激勵信號，經C/V轉換、差分放大、相敏解調以及低通濾波等處理后得到實時電壓變化。可實現弱信號的精確檢測，且能有效克服雜散電容和寄生電容的影響。多次實驗結果均表明：該檢測系統具有靈敏度高，穩定性好等特點。

磨粒； 電容傳感器； AD9833； 信號發生器

0 引 言

飛機發動機結構復雜且工作環境惡劣，內部的異常摩擦、磨損是造成發動機各種故障的主要原因[1]。異常摩擦、磨損產生的磨粒與滑油混在一起，通過對飛機滑油磨粒的檢測，能及時監測發動機的故障狀態，為發動機的故障診斷提供有效參考信息。

傳統的航空發動機滑油磨粒檢測技術有鐵譜分析、光譜監控、自動磨粒檢測分析等[2]。針對這一領域的研究仍在不斷發展，如空軍工程大學研究人員利用某型航空發動機滑油的光譜分析數據，提出了油液磨粒與故障關系的RVM預測方法[3]。國外，有學者提出基于經驗模態分解(empirical mode decomposition,EMD)法對機械系統中滑油磨粒信號的提取與分析[4]。滑油磨粒改變了飛機滑油的介電常數，因此本文設計了一個弧狀極板式電容傳感器，提出一種基于交流電橋電容測量電路的滑油磨粒檢測方法。多次實驗結果表明該檢測方法是可行的，能夠測量不同大小的磨粒狀況，且靈敏度高、穩定性好。

1 系統總體設計方案

本系統以TI公司的MSP430型號MCU為核心控制器，以交流電橋作為電容檢測電路。將電容傳感器上的兩個電容器分別接入交流電橋的一側橋臂上，測試前，通過調節另一側橋臂的可調阻抗使其處于平衡狀態。由MSP430向信號發生器寫控制字產生正弦激勵信號，經調幅后加載在預先調至平衡狀態的交流電橋兩端，為其提供激勵源。無滑油磨粒流經電容傳感器時，電橋處于平衡狀態；有滑油磨粒經過電容傳感器時，產生電容變化，電橋不再平衡。交流電橋電容檢測電路完成C/V轉換，輸出電勢差。該電勢差經差分放大及二次可調放大處理后，送至模擬乘法器進行相敏解調，解調后的信號再經過低通濾波處理去除高頻信號后，即可得到因變容變化引起的實際輸出電壓信號。通過對輸出電壓進行分析，能及時判斷滑油磨粒信息，進而為飛機的故障預測提供有效的參考價值。系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架Fig 1 Overall framework of system

2 電容式傳感器的設計

滑油磨粒流經電容傳感器時引起的電容變化非常小，且電容式傳感器易受到外界干擾。因此，在設計時要考慮到一些因素，如減少邊緣效應的影響，注意傳感器的接地與屏蔽，減少雜散電容和寄生電容的影響等[5]。本系統設計了一個弧狀極板式電容傳感器，結構如圖2所示，將兩塊弧狀極板貼在圓柱形塑料絕緣管的外壁上，則兩塊極板間將形成一個電容器。本傳感器中有兩個電容器，極板M,N形成一個電容器，極板P,Q形成另一個電容器，兩個電容器分別接到交流電橋一側的橋臂上。經軟件仿真并結合實際模型，弧狀極板的張角設為 ，塑料絕緣管內徑R1設為10 mm，外徑R2設為15 mm。為減少外部電磁場干擾，在電容傳感器的外表面再加上一層圓柱形屏蔽罩[6]。

圖2 電容傳感器結構圖Fig 2 Structure chart of capacitive sensor

3 硬件電路設計

滑油磨粒檢測電路主要由信號發生電路，電容檢測電路，放大電路，相敏解調電路以及低通濾波電路等組成。

3.1 信號發生電路

信號發生電路采用ADI公司的AD9833作為DDS信號發生器，該芯片僅需一個外部參考時鐘和一些外部解耦電容器就能產生最高12.5 MHz的正弦信號[7]。AD9833芯片有2個28位的頻率寄存器和2個12位的相位寄存器，3個串行接口，分別為FSYNC，SCLK和SDATA，通過串行接口將數據寫入AD9833，實現頻率和相位的控制。DDS信號發生器輸出信號頻率為

fout=M(fMCLK/228)

(1)

式中fMCLK為AD9833所接晶振的頻率，M為頻率控制字，可由軟件編程外部給定。本設計選用兩片AD9833芯片，通過MSP430單片機向串行口寫入數據，產生兩路500 kHz的正弦信號，一路作為交流電橋電容檢測電路的激勵信號，另一路用于解調模塊乘法器的輸入參考信號。考慮到AD9833輸出信號較弱，選擇高性能、低功耗的AD8065運算放大器對AD9833輸出信號進行幅值放大，以保證能為交流電橋提供有效激勵。

3.2 交流電橋電容檢測

傳感器中電容變化非常小，屬于微弱信號，不易直接測量。傳統的小電容測量方法有諧振法，交流鎖相放大法，充放電法等。諧振法雜散電容影響較大，且輸出線性較差，不適宜動態測量；交流鎖相放大法電路復雜，成本較高；充放電法由于采用直流電源，存在較大的飄逸問題[8]。交流電橋法設計簡單，使用方便，測量精度較高，本設計采用該方法。在圖3所示的交流電橋示意圖中，Z1表示圖2中由M,N極板形成的電容器C1，Z2表示圖2中由P,Q極板形成的電容器C2，Z3，Z4為可調阻抗，用于電橋平衡調節。滑油磨粒流經M,N極板時，C1>C2；流經P,Q極板時，C1

圖3 交流電橋示意圖Fig 3 Sketch map of alternating current bridge

3.3 差分放大及二次可調放大

交流電橋輸出的電勢差信號十分微弱，為方便檢測出交流電橋的輸出電勢差，需設計信號放大電路。差分放大電路能抑制零點漂移和噪聲干擾，具有高共模抑制比性能，因此選用其作為前置放大電路。差分放大器選用ADI公司的AD8129芯片，該芯片是一款低噪聲、高性能差分至單端放大器，且在高頻時具有極高的共模抑制比(CMRR)[9]。將圖3中交流電橋的S1，S2兩端信號分別接入AD8129的正負輸入端，則在差分放大器的輸出端產生一個單端信號。前置差分放大電路的放大倍數不能設計的太大，否則易引起信號失真。因此僅通過前置差分放大電路不能得到理想信號，需進行二次可調放大。選用AD8065芯片作為二次可調放大電路的運算放大器，電路如圖4所示，R4阻值為51 kΩ，R5是最大值為20 kΩ的可調電阻。通過調節R5阻值的大小就可以動態調節輸出信號的幅值，以滿足實際測量要求。

圖4 可調放大電路Fig 4 Adjustable amplifier circuit

3.4 相敏解調和低通濾波模塊

經放大處理的信號中包括滑油流經電容傳感器引起的低頻電容變化信號和高頻激勵信號，有用的是低頻電容變化信號，因此必須使用解調電路將其提取出來。選用ADI公司高速精密的AD734模擬乘法器用作相敏解調電路的芯片，電路如圖5所示，X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2是3對差分輸入端，W為輸出端，分母控制單元由U0，U1，U2，DD和ER構成，該芯片的輸入輸出函數為[10]

(2)

將W和Z1連接在一起構成一個閉環系統，此時的輸出表達式為

(3)

在設計中，將X2，Y2及Z2均接地，且使用默認的分母控制電壓10V(U0，U1，U2接地)，則整個乘法器的輸出表達式為

(4)

AD734乘法器X1端接入與激勵信號同頻的參考信號U1，X2端接入由交流電橋產生并經放大處理后的信號U2，兩路信號經過乘法器后在W端輸出信號。乘法器解調實現的原理如下，設X1端正弦輸入參考信號和Y1端被檢測輸入信號分別為

X1=A1sinωt

(5)

Y1=A2sin(ωt+φ)

(6)

則經過乘法器后的輸出信號為

W=A1A2sinωtsin(ωt+φ)

(7)

通過積化和差數學公式可知，式(7)中乘法器的輸出可以表示為

(8)

由式(8)知道，通過乘法器解調出來的輸出信號包括2部分，分別是與相位φ有關的直流分量和2倍于輸入信號頻率的高頻信號。本設計主要就是為了提取出與幅值及相位有關的直流分量，因此,需要設計低通濾波電路去除無用的高頻分量。系統的激勵信號頻率為500kHz，根據式(8)，則乘法器解調輸出的高頻信號頻率為1MHz，因此,設計一個截止頻率遠遠低于1MHz的低通濾波器即可，文中將濾波截止頻率設置在500Hz左右。由于AD8051運算放大器具有高速、低失真和快速建立特性，非常適合用于有源濾波器的使用，所以,此處選用該運放設計二階低通濾波電路，電路如圖6所示。根據二階低通濾波電路公式[11]

(9)

則該濾波電路的截止頻率f為

(10)

結合前述的截止頻率(500Hz左右),設計電路參數。為簡化計算，令R12=R13，最終參數如下：C29=C30=0.01μF，R12=R13=33kΩ，R10=13kΩ，R11=22kΩ。實驗證明，該二階濾波電路響應速度較快，具有較好的濾波效果。

圖5 相敏解調電路Fig 5 Phase-sensitive demodulation circuit

圖6 二階低通濾波電路Fig 6 Second-order low-pass filtering circuit

4 測試結果

在純凈的滑油中，分別加入直徑不等(100～500 μm)的金屬磨粒，并在交流電橋檢測兩端施加500 kHz的正弦激勵信號，讓這些含不同大小磨粒的滑油依次流經電容傳感器，讀取單個金屬磨粒分別處于電容器C1,C2極板中軸線時電壓變化差值，圖7即是輸出電壓變化值與磨粒大小的關系曲線圖。

圖7 輸出電壓變化與磨粒大小關系曲線Fig 7 Relationship curve of output voltage variation and abrasive particles size

可將不同大小的磨粒與對應輸出電壓變化值建立一個數據庫，設定好磨粒的監測范圍和輸出電壓變化閾值，一旦檢測到輸出電壓變化超過閾值，即可判定有大磨粒存在。此時可讓系統及時發出警報，即發動機中可能存在異常磨損或機械故障，為提前預報飛機故障提供有效的參考依據。

5 結束語

本文改變使用傳統的掃描電鏡、鐵譜分析、X熒光能譜分析等滑油磨粒檢測方法，設計了一種基于電容傳感器的交流電橋式滑油磨粒檢測方法。該方法可實現微弱信號的精確檢測，且具有良好的穩定性，為飛機滑油磨粒檢測提供了一種新的思路。

[1] 李 允.航空發動機滑油濾磨屑圖像檢測與識別技術研究[D].南京：南京航空航天大學,2009:1-5.

[2] 劉曉琳,施洪生.三線圈內外層電感磨粒傳感器研究[J].傳感器與微系統,2014,33(11):12-15.

[3] 王 健,李 彥,白 鵬,等.航空發動機油液磨粒與故障關系RVM預測方法[J].空軍工程大學學報:自然科學版,2014,15(4):17-20.

[4] Bozchalooi I Soltani,Ming Liang.Oil debris signal analysis based on empirical mode decomposition for machinery condition monitoring[C]∥2009 American Control Conference,St Louis,MO,USA,2009.

[5] 曹 河,董恩生,范作憲,等.同面多電極電容傳感器結構仿真研究[J].傳感器與微系統,2012,31(12):31-33.

[6] 鄒大軍,李錫文,何銳波,等.基于有限元分析的粉末介電常數測試裝置研制[J].儀器儀表學報,2013,34(2):423-427.

[7] 劉國良,廖力清,施進平.AD9833型高精度可編程波形發生器及其應用[J].國外電子元器件,2006(6):44-47.

[8] 劉萬國,楊功流,肖 乾.微小電容檢測技術在重力敏感器中的應用研究[J].中國慣性技術學報,2005,13(1):68-71.

[9] 何永勃.電阻抗(ECT/ERT)雙模態層析成像技術研究[D].天津：天津大學，2006:70-74.

[10] 龍 侃,彭玉濤,蔣 熔,等.AD734模擬乘法器的原理與應用[J].價值工程,2011(18):141-142.

[11] 伍 剛,張小平.有源低通二階濾波器的設計[J].兵工自動化,2005,24(4)：85-88.

Design of aircraft lubricating oil abrasive particles detection system based on capacitive sensor*

HE Yong-bo, XU Bin

(School of Aeronautical Automation,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

The abnormal friction and abrasion of aircraft engine will produce a large amount of abrasive particles in lubricating oil,effective detection of lubricating oil abrasive particles can provide reliable information for engine fault diagnosis.An arc plate capacitance sensor is designed,but the capacitance change of sensor is very small,it is difficult to detect with traditional method,alternating current bridge capacitance detection method is used here.The system takes the AD9833 as DDS signal generator to exert pumping signal on alternating current bridge,by C/V conversion,differential amplifier,phase sensitive demodulation and low pass filtering obtain real time change of voltage.The design can realize accurate detection of weak signal,and it can overcome influence of stray capacitance and parasitic capacitance effectively.Multiple experimental results show that the system has characteristics of high sensitivity and good stability.

abrasive particles; capacitance sensor; AD9833; signal generator

2016—01—06

國家自然科學基金青年基金資助項目(61401466)；中央高校基本科研業務費中國民航大學專項項目(3122013C007)；民航科技專項項目(20150220)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0112—04

TP 212

A

1000—9787(2016)10—0112—04

何永勃(1971-)，男，陜西蒲城人，博士，副教授，從事航空檢測技術與智能化儀表研究。