大藤峽人字閘門智能監(jiān)控微機(jī)電系統(tǒng)傳感器

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(xiàng)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(jì)社會(huì)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(shí)，門葉繞頂、底樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完全打開后隱藏在門龕中；當(dāng)閘門關(guān)閉時(shí)，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(gè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)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(guó)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(duì)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(jìn)行磨損量監(jiān)測(cè)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(jī)械共振傳感器[9].其測(cè)量結(jié)果較精確，但不耐久，對(duì)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(cè)刀具等部件的磨損狀況，聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度隨材料去除率的增加而增加[10].該方法可以實(shí)現(xiàn)同步磨損監(jiān)測(cè)，并預(yù)測(cè)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(guò)測(cè)量纏繞在一對(duì)鐵氧體磁芯上的兩個(gè)平面線圈的電感變化來(lái)檢測(cè)磨損.其測(cè)量靈敏度較高，但易受電磁干擾，且對(duì)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(cè)量器件磨損面的相對(duì)位移，即設(shè)其中一個(gè)摩擦面的磨損量無(wú)窮小，則另一個(gè)面的位移可近似為一對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)塑料磨損量的連續(xù)、在線測(cè)量；華亮等[14]設(shè)計(jì)一體反射型超聲波傳感器測(cè)距電路以實(shí)時(shí)測(cè)量距離差.但大藤峽人字閘門的磨損量變化屬于時(shí)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?cè)诟采w了絕緣膜的金屬基材上，測(cè)量運(yùn)動(dòng)的磁帶對(duì)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(shí)時(shí)、連續(xù)地確定磨損量.

上述研究中的磨損傳感對(duì)象多為陸地正常環(huán)境中的中小型機(jī)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(duì)此，提出微機(jī)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(cè)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(duì)磨損量進(jìn)行監(jiān)測(cè).其原理簡(jiǎn)單，安裝便捷，可實(shí)現(xiàn)對(duì)服役環(huán)境惡劣、運(yùn)動(dòng)位移大且工作頻率高的大型工程部件的磨損量進(jìn)行傳感.此外，參照卓興建等[16]構(gòu)建的磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)絕緣，該方式對(duì)大型水利工程的在線監(jiān)測(cè)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(jí)船閘，閘室有效尺寸長(zhǎng)×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(dòng)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(wú)法維護(hù).

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(zhǎng)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(guò)中部空心的柱狀金屬材料延伸至上端，再與外部檢測(cè)儀器連接.整個(gè)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(cè)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(yàn)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(cè)材料的電阻率；l為兩個(gè)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(guò)測(cè)量電阻的變化，即可估算出磨損量的大小.實(shí)際操作時(shí)，在兩測(cè)量點(diǎn)之間加一個(gè)1 V的電壓(V)并測(cè)其電流(I)以實(shí)現(xiàn)電阻的測(cè)量.在仿真過(guò)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(jiǎn)稱COMSOL)軟件建立薄膜電阻模型，改變薄膜磨損量，測(cè)量電阻值的變化.為方便計(jì)算，在構(gòu)建模型時(shí)，將傳感器視為規(guī)則的長(zhǎng)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(gè)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(huì)對(duì)電阻產(chǎn)生影響，所以仿真時(shí)分別設(shè)w和電導(dǎo)率(σ)為變量.添加電流物理場(chǎng)，即為兩個(gè)電極添加不同電勢(shì)，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(chǎng)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?chǔ)抑担琑均隨w的增大而減小，且σ值越小，R的減小趨勢(shì)越顯著.在實(shí)際應(yīng)用中，需要一個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shuō)明隨著傳感器寬度與電導(dǎo)率的增大，其對(duì)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(shí)，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?yàn)楹更c(diǎn)在傳感器的兩個(gè)角上，而距離傳感器中心較遠(yuǎn)位置的電流較小，對(duì)電流分布的影響也較小，所以寬度較大時(shí)對(duì)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的增大而減小；在同一σ值下，隨w的增大，R的減小趨勢(shì)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(zhǎng)度對(duì)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(diǎn)距離不同的各測(cè)試點(diǎn)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(shí)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(gè)焊點(diǎn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 傳感器制作

由于現(xiàn)有接觸式傳感器均無(wú)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(jìn)行傳感器的安裝、固定、保護(hù)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(gè)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(shí)要求使用一種收縮性小且黏附力強(qiáng)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(yàn)件原件為中空結(jié)構(gòu)，中間孔洞置有一個(gè)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(jī)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(duì)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(shí)物圖Fig.7 Physical map of wear sensor

環(huán)氧樹脂參與的固化過(guò)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(shí)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(cè)量實(shí)驗(yàn)

打磨磨損量傳感器模型：先使用千分尺測(cè)定磨損部位厚度，再在車床上進(jìn)行打磨，進(jìn)刀深度為0.05 mm/次.打磨過(guò)程實(shí)景如圖8所示.

圖8 打磨過(guò)程示意圖Fig.8 Schematic of sanding process

打磨傳感器至不同厚度，利用萬(wàn)用表測(cè)量電阻值.為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和COMSOL軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.僅改變導(dǎo)電膜寬度，在σ=20 S/nm時(shí)得到如圖9所示結(jié)果.圖中，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)貼近仿真數(shù)據(jù)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理.由曲線的變化趨勢(shì)可知，增加測(cè)試樣本，可以獲得更貼近仿真數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖9 測(cè)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(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證傳感器電阻與磨損量之間的關(guān)系，研究導(dǎo)電膜長(zhǎng)度對(duì)電阻的影響并進(jìn)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(gè)厚度不同的鍍銅圓片，即電阻不同，在相同條件下測(cè)量各測(cè)量點(diǎn)與圓心之間的電阻.對(duì)于每個(gè)圓片，實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置2個(gè)測(cè)量點(diǎn)到圓心的距離，且每個(gè)距離各設(shè)置6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，具體分布如圖10所示.

圖10 環(huán)繞銅片電阻測(cè)量點(diǎn)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(cè)點(diǎn)到圓心的距離.將表1所示數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如圖11所示.圖中，兩曲線的變化趨勢(shì)相同，結(jié)果基本吻合.

圖11 樣品仿真電阻隨測(cè)量點(diǎn)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(shí)測(cè)電阻與相對(duì)誤差Tab.1 Measured resistance and relative error of thin films of different samples

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

圖12 薄膜電阻不同角度下的相對(duì)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(shí)現(xiàn)在深水中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)一種電阻型MEMS磨損量傳感器，并將其嵌入底部軸承中進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn).利用COMSOL仿真軟件對(duì)測(cè)量過(guò)程和原理進(jìn)行模型簡(jiǎn)化與仿真，建立磨損量與薄膜電阻變化的測(cè)量模型，并研究尺寸、焊點(diǎn)位置等因素對(duì)磨損量監(jiān)測(cè)的影響.根據(jù)電阻變化計(jì)算磨損量，并通過(guò)軟件仿真和模擬實(shí)驗(yàn)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(gè)焊點(diǎn)的電流分別呈現(xiàn)極大值和極小值.

(2)對(duì)于傳感器電阻與磨損量之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)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(shí)，電阻值較大，測(cè)量精度較高.

(3)所設(shè)計(jì)的電阻型MEMS磨損量傳感器具有耐用性強(qiáng)、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(yùn)動(dòng)位移大、工作頻率高的要求.

致謝感謝上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)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(fèi)錢超同學(xué)為本研究傳感器實(shí)驗(yàn)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(shí)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(rùn)、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(rùn)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(jì)算機(jī)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?jiān)企K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(cè)量工作中的貢獻(xiàn).