光阻法油液污染度檢測傳感器的設計與實現

劉 閣， 張梅菊， 王文瑾， 王 一

(1.航空工業北京長城航空測控技術研究所,北京 101111; 2.狀態監測特種傳感技術航空科技重點實驗室，北京 101111；3.空裝駐北京地區第五軍事代表室，北京 101399)

液壓系統中，液壓油在作動部件內所形成的油膜平均厚度為5 μm。伴隨著液壓部件疲勞、切削、粘著、沖蝕等一系列磨損的發生，固體污染物逐漸增多。其中，2～100 μm粒徑的顆粒污染物是導致液壓系統突發性故障的誘因，也是判斷液壓系統能否可靠工作的主要依據[1]。因為人眼視見的極限分辨率僅為40 μm[2]，所以液壓油的污染帶有很強的蔓延性和隱蔽性。油液污染度常用的檢測手段有很多，如電阻法、光耗法[3]、光散法、圖像法、濾網稱重法等。從目前的技術成熟度看，以光阻法和光散射法的應用最為普遍。光阻法利用了光傳播損耗的特性進行粒徑識別，具有較寬的測量范圍，但最小的檢測粒徑尚無法達到1 μm以下；光散射法利用顆粒對光線的反射特性進行檢測，可以對1 μm以下的顆粒物進行統計，具有很高的粒徑分辨率，但檢測范圍通常不大于20 μm[4-5]。因此，光阻法多用于在線監測，光散射法則用于離線和對精度要求較高的場合[6]。目前國內外油液污染度檢測設備中，光阻法的應用程度最高，相關的標準規范也最全面。從檢測標準上看，對顆粒物的統計方式分為2種：區間計數法(如NAS1638、SAE749D)和累計法(如GJB420A/B、ISO4406)。近幾十年間，國內大型液壓系統對油液在線監測的需求日趨強烈，研制出基于光阻原理的在線油液污染度傳感器具有重大意義。國內科研機構也在不斷地對光阻法和光散射法的深度和廣度進行挖掘和拓展[7-8]。文獻[9]～文獻[11]中，航空工業北控所的科研團隊通過對國外緊湊型顆粒計數器的分析進行了顆粒物光阻檢測原理國產化設計的論證與測試歸納，在此基礎上進一步改變光源波段來改善檢測效果，并取得了具有實際應用價值的科研成果，但仍面臨一系列工程實現的問題。例如：如何提升粒徑識別的分辨能力；如何增強對光源穩定性的控制；如何進一步削弱噪聲對顆粒脈沖的影響等。在參考國外同規格油污傳感器技術指標的基礎上，應用單模組、低功率激光器作為檢測光源，開展了基于GJB420B標準光阻型油液污染度檢測傳感器自主研制的工作，并取得了較好的應用效果。

1 原理與設計方案

1.1 工作原理

光阻式傳感器是利用介質中固體顆粒物對光遮擋的特性而設計的傳感器，主要由4個部分組成：光源、過流池、發射光源和光電接收器。如圖1所示，光源以恒定光強向發射鏡片進行照射，發射鏡片有一層鍍膜，正對過流池空間中央位置有一狹小刻縫；光源透過刻縫射向介質；光束透過過流池后照射在接收鏡片上；接收鏡片與發射鏡片在結構上完全一致。光透過接收鏡片射向光電接收器。當流體以層流狀態固定流速通過過流池時，固體顆粒物會依次對光源進行遮擋，從而在光電接收器上形成脈沖式的響應信號。如果流體以恒定流速通過過流池，那么一定時間內通過過流池的流體容積是可以推算的。通過對脈沖數量的統計就可以推知流體在一定容積下的顆粒物濃度。由于不同粒徑顆粒物對光的遮光面積不同，因此很容易建立起粒徑與脈沖幅度之間的關系，從而統計出不同粒徑的顆粒濃度。

圖1 光阻法原理

由于過流池空間十分狹小，所以透光面積會直接決定粒徑的量程范圍。如果刻縫透光面積大，則較大粒徑顆粒可以產生完整的脈沖變化，但引起的噪底幅度也大；而較小粒徑顆粒所產生的脈沖幅度相對較小，極易受噪聲的干擾。比如當透光面積較大時，過流池將一個100 μm粒徑的顆粒物完整轉化為一定幅值的脈沖信號。但是這樣的光功率條件下，10 μm以下粒徑顆粒物所產生的脈沖幅值卻較低。當小粒徑顆粒的脈沖幅值接近甚至低于固有噪聲水平時會造成檢測失效。同樣，如果透光面積小，那么稍大粒徑的顆粒物經過過流池時會出現幅值“飽和”，即顆粒信號始終處于高幅值水平。小粒徑脈沖信號被徹底淹沒而導致檢測失效。另外，不同的流體介質對不同波段的光吸收、敏感度不同，檢測結果也不同。所以，粒徑的識別效果并不能簡單通過改變入射光強來進行調整。

根據Mie理論[12]，光束照射到微粒后所產生的脈沖幅值ΔE存在如下關系：

(1)

圖2 各參量與ΔE的變化關系曲線

由圖2可知，提高ΔE最直接的方法就是增加入射光波長λ。因此，油污傳感器選用近紅外區波段的激光器作為光源。光電接收器具有與激光器對應的敏感波段和感應面積，能夠對2～100 μm粒徑范圍內顆粒的遮擋進行響應。

1.2 設計組成

光阻式油液污染度檢測傳感器結構和檢測電路設計組成如圖3所示。結構部分由入油管接口、出油管接口、過流池閥塊組成。過流池閥塊對介質進行單向測量。檢測電路根據功能可劃分為：I/U轉換電路、放大濾波電路、顆粒分揀電路、光強反饋電路、顆粒處理模塊、驅動電路、程控積分電路、電源模塊。其中，I/U轉換電路負責將含有顆粒信息的光電流轉換成電壓脈沖。脈沖信號經放大濾波后，由顆粒分揀電路進行粒徑分揀，再由顆粒處理模塊對各個粒徑通道脈沖數量進行統計和污染物濃度換算。光強反饋電路作為光源光強的反饋與光電接收端共同組成了對光源的閉環調節，以此來確保檢測光強的穩定性。

圖3 油污傳感器設計組成

2 流體狀態分析與過流池閥塊設計

2.1 流體狀態分析

運動流體具有3種能量形式：壓力能、動能和位能，三者之間可以相互轉化，且任意一點的流體能量就是3種能量之和。由于流體具有一定的黏度，所以在運動過程中會有阻力和能量的損失。當流體遇到阻礙和方向突變時會引起質點之間的相互撞擊和劇烈摩擦。這些都會給光阻法的檢測效果帶來巨大的影響。通常，流體的運動存在2種不同的狀態：層流和紊流。無論是層流還是紊流都與流體的流速、管徑、黏度有關。處于紊流狀態的質點運動方向雜亂無章；處于層流狀態的流體質點，運動方向穩定且互不擾動。層流和紊流的判斷采用臨界雷諾數區分，臨界雷諾數是確定流體運動狀態的無量綱參數。大于臨界雷諾數的狀態為紊流，小于臨界雷諾數的狀態為層流。液體流量q(mL/min)與流速v(m/s)之間的關系描述如下：

(2)

式中：A為過流池截面積；d為過流池孔徑，mm。取液壓油常規運動黏度為30×10-6m2/s，密度ρ取850 kg/m3，動力黏度η=25.5×10-3Pa·s。將其代入雷諾數Re計算公式可以得到：

(3)

由式(3)可知，臨界雷諾數與孔徑成反比，與流量成正比。當流量和雷諾數已知時，可以具體計算出過流池的孔徑值。固定臨界雷諾數為2000，計算不同流量情況下的最小孔徑值(如表1所示)。

表1 臨界雷諾數2000下流量與孔徑的計算結果

由表1可知，流量不大于3000 mL/min時，過流池孔徑可以設計為不大于1 mm。

2.2 過流池設計

過流池閥塊為油污傳感器的核心部件，由一塊硬質鋁深孔加工實現。孔徑1.65 mm，孔長3.55 mm。當流量不大于800 mL/min情況下，最大雷諾數遠小于臨界雷諾數(2000)。證明過流池內的流體狀態為層流，符合進行光阻檢測的流體條件，且流量具有較寬的變化裕度。油污傳感器并聯安裝在回油管路中，為了確保不對安裝管路產生明顯干擾就需要對其壓力和流速做進一步分析。應用FLUENT軟件環境建立并分析模型，對過流池閥塊的液流狀態進行流跡仿真。如圖4所示，流跡仿真結果表明過流池內部流跡顏色均勻一致，處于層流狀態。

圖4 過流池液流跡線

利用式(4)對過流池內部的壓降進行估算。

(4)

式中：l為過流池的長度；f為內摩擦系數，在層流狀態下其值為

(5)

應用式(4)、式(5)對不同流量下所設計的過流池閥塊壓降進行估算，結果如表2所示。

表2 不同流量的計算結果

由表2可知過流池閥塊的沿程損耗不大于0.01 MPa，滿足使用要求。

過流池閥塊的結構由密封圈、發射鍍膜鏡片、接收鏡片、壓蓋、螺釘、激光器安裝座、光電轉換管安裝座組成，如圖5所示。發射鏡片為氧化鋁晶片上鍍有帶微小薄膜刻縫的材料，鏡片通過環狀壓蓋和光電器件安裝座緊固。光源透過鍍膜鏡片的刻縫射入過流池內的油樣，再透射穿過接收鏡片，照射在光電接收管靶面上。光電接收管的光電流就是反應顆粒粒徑信息的載體。顆粒大，遮光面積大則光弱；顆粒小，遮光面積小則光強。光在穿越發射鏡片和接收鏡片這兩個環節過程中會產生85%的光功率損失。

圖5 過流池閥塊結構設計示意

3 實現方案

3.1 顆粒信號調理

光電組件及顆粒信號的調理轉換是油污傳感器檢測電路的關鍵部分。相關文獻表明[13]，油液對紅外區波長的光源衰減影響最小。因此油污傳感器的光源選用中心波長處于紅外波段的激光器，并專門設計了光源驅動電路。光源驅動電路的核心器件為一個復合放大管B1，B1具有較高的電流放大倍數。如圖6所示，光源驅動電路通過調節激光器驅動電流來改變光功率。運放U9B構成的積分環節具有較高的開環增益。其負相是一個穩定的偏置電壓,正相輸入是能夠反映接收端光強的反饋電壓。當U9B捕捉到輸入端微小的差模電壓變化后，將其以積分形式轉化為B1的基極電流，驅動激光器改變發射光強。光源驅動電路與光電接收電路構成一個閉環反饋的整體。

圖6 光源驅動電路

光電接收電路為將光電接收管(圖7中V3)輸出的光電流轉換為顆粒脈沖信號的電路。V3對光波段的峰值響應范圍對應于激光器的發射波段，光電流的動態變化范圍僅有幾十μA。大粒徑顆粒通過時，光電流較小；小粒徑顆粒通過時，光電流較大。作為顆粒物信息的載體，微弱的光電流信號通過電流/電壓(I/U)轉換成為電壓小信號。U6A是一個低失調的軌對軌精密運算放大器，具備較低的噪聲水平。因為顆粒信號的動態幅值不大，變化頻次也不高，所以對運放的增益帶寬要求不高。U6A與C14、R16共同組成了I/U轉換的實體。

圖7 I/U轉換電路

3.2 光源閉環調節

受溫漂和器件電氣特性的影響，電路的工作參數會發生漂移。如圖8所示，為保證測量精度，光電接收端光強必須有閉環自適應調整功能，以確保接收端光強始終處于穩定狀態。如果沒有光源閉環調節，那么這種漂移會隨著工作時間的推移產生劇烈的負面效應。閉環調節是當I/U轉換電路產生光電壓后，由顆粒處理模塊的DSP進行A/D采集，判斷這個電壓是否處于測量精度的冗余范圍內，再通過積分電路反饋調節激光器的驅動電流。

圖8 油污傳感器閉環控制框圖

3.3 顆粒分揀計數

顆粒脈沖信號由分揀電路進行粒徑分揀。根據脈沖的幅值確定粒徑的大小。脈沖幅值大則粒徑大；脈沖幅值小則粒徑小。顆粒分揀電路將其劃分為4個粒徑通道：<4 μm，<6 μm，<14 μm，<21 μm。使用GBW120072(標稱粒徑2 μm)、GBW120073(標稱粒徑5 μm)、GBW120074(標稱粒徑10 μm)、GBW120075(標稱粒徑20 μm)4種標稱粒徑的單分散球形顆粒標準物質，對所設計的油污傳感器過流池閥塊及檢測電路進行遮光脈沖幅值的統計測試[14]。利用A/D板卡采集顆粒脈沖，其脈沖曲線如圖9所示。粒徑與脈沖幅值的平均值如表3所示。

圖9 標稱粒徑顆粒光電脈沖采集效果

表3 不同粒徑脈沖幅值統計數據

一定數量固定粒徑的標準物質依次通過過流池閥塊會形成不同幅值的脈沖。對其計數統計可以建立起脈沖幅值與顆粒數量之間的模型曲線[15]。在這個曲線中，橫坐標為脈沖的峰值幅度(以mV電壓表示)，縱坐標為一個脈沖幅值下對應的顆粒總數。同一種粒徑的標準顆粒物曲線會呈現出單峰特征，如圖10所示。圖中，A、B分別為2種不同粒徑標準物質的脈沖幅值曲線，且均呈單峰變化趨勢。A(PHDA(ΔLE))、B(PHDB(ΔLE))曲線各自的最大值為M{PHDA}、M{PHDB}，以此作為最佳分揀電平的基本依據對顆粒脈沖進行粒徑判別。

圖10 不同粒徑顆粒物脈沖幅值-統計數量的曲線

對粒徑為2 μm、4 μm、5 μm、8 μm、10 μm、12 μm、15 μm、20 μm的8種標準顆粒物進行統計,得到的幅值與數量分布曲線如圖11所示(分別對應A～H曲線)。取A～H曲線的最大峰位值構成一個向量{M{PHDA},M{PHDB},M{PHDC},M{PHDD},M{PHDE},M{PHDF},M{PHDG},M{PHDH}}。粒徑和脈沖峰值電平的插值擬合曲線PSD如圖12所示。PSD曲線就是構造光阻檢測單元計數模型的核心依據[16]。

圖11 不同粒徑顆粒物脈沖幅值-統計數量的曲線

圖12 脈沖電平與粒徑之間的插值擬合曲線PSD

分別對曲線A～H進行等分量化，形成一個含有32個離散數據的向量曲線PHDi(ΔLE)，如圖13所示。

圖13 離散數據向量PHDi(ΔLE)

不同粒徑的PHD(ΔLE)顆粒列向量記為PHDi(ΔLE)(i=1,2，…,N)。通過PHDi(ΔLE)構造一原始特征矩陣M:

(6)

定義光阻權系數向量C為

(7)

理論上任意粒徑的PHDx(ΔLE)可以由C與M卷積得到:

(8)

反之，如果一個粒徑通道的檢測數據PHDx(ΔLE)和M已知，那么權系數向量Cx可以由二者的反卷積方式得到：

Cx=PHDx(ΔLE)×M-1

(9)

光阻權系數向量Cx是推知粒徑通道脈沖幅值的重要參考依據。將當前光阻檢測單元對應的PSD曲線離散化形成列向量PSDx(ΔLE)，則理論上各個粒徑通道的閾值電平M{PHDx}可由式(10)得到：

M{PHDx}=Cx×PSDx(ΔLE)

(10)

顆粒處理模塊是一個以DSP為核心的數字電路，由3部分組成：SM320F28335最小系統、可編程邏輯器件和溫度傳感器。如圖14所示，可編程邏輯器件以DSP倍頻輸出的時鐘做為全局時基，為其他邏輯單元提供同步時鐘和外圍工作時鐘。可編程邏輯器件擁有4路獨立的計數通道，分別對顆粒分揀電路輸出的脈沖信號進行計數，每512個脈沖向SM320F28335提出一次中斷請求，并以此做為計數依據。SM320F28335軟件在完成一系列初始化及BIT自檢后進入正常狀態。油污傳感器每啟動一個計數周期都調整一次激光器和光電接收器的工作狀態，使其處于預設的穩定狀態后開始統計顆粒脈沖。當一個統計周期(假設恒定流速條件下計時周期為25 s)完成后，SM320F28335通過片外尋址方式控制ARINC429協議芯片發送濃度數據和工作狀態信息。由于激光器的伏安特性對溫度極其敏感，因此SM320F28335需要不斷地通過溫度傳感器監測當前電路的實際工作溫度。當溫度高于耐受工作溫度時，油污傳感器主動報警停止計數檢測，并拉低激光器的工作電流進行自我保護。

圖14 顆粒處理模塊

4 標定及檢測數據

4.1 標定方法

油污傳感器需要對4 μm、6 μm、14 μm、21 μm四個通道的分揀門限電平進行設定。整個設定過程在油液標定臺(如圖15所示)上完成。先將標定臺內的油液充分過濾后，按照一定比例進行溶質配比，生成污染度GJB420B-9級的循環油。配比的溶質為NIST-MTD顆粒粉塵，配比的質量濃度為3.5 mg/L，計算公式為

圖15 測試標定臺

(11)

待標定臺內的油液狀態穩定后，接入油污傳感器進行標定，通過管理計算機對傳感器上傳的濃度數據進行監測。標定時記錄油污傳感器各通道顆粒濃度的檢測結果，同時與離線儀器的測定結果進行對比。調整分揀電路的門限電平使各通道示值盡可能吻合離線儀器的測定結果。取連續5組油污傳感器的濃度檢測值計算平均值后，再與5組離線儀器檢測結果的平均值進行偏差比較。通道顆粒濃度平均值為

(12)

式中：hi為每次記錄的顆粒濃度值。

4.2 檢測數據

利用標定臺產生不同污染度等級的循環油，使用標定后的油污傳感器進行顆粒檢測，并與離線儀器的檢測結果進行比較。GJB420B-10污染度等級下傳感器與離線儀器的檢測數據如表4所示。

表4 GJB420B-10污染度等級檢測數據 單位：個/mL

GJB420B-9污染度等級下傳感器與離線儀器的檢測數據如表5所示。

表5 GJB420B-9污染度等級檢測數據 單位：個/mL

GJB420B-8污染度等級下傳感器與離線儀器的檢測數據如表6所示。

表6 GJB420B-8污染度等級檢測數據 單位：個/mL

4.3 檢測數據分析

表4～表6中各粒徑顆粒分布的數量符合MTD標液的預期分布，證明標定臺內的油液顆粒濃度處于均勻穩定狀態，檢測介質有效。傳感器與離線儀器各通道的濃度偏差為

(13)

根據計算結果，表4中各粒徑通道與離線儀器的偏差為：14.9%，8.9%，9.9%，9.2%;表5中各粒徑通道與離線儀器的偏差為：14.9%，17.5%，13%，9.1%;表6中數據各粒徑通道與離線儀器的偏差為：28.9%，7.6%，2.2%，13.6%。油污傳感器與離線儀器在4 μm、6 μm、14 μm、21 μm粒徑通道上的結果偏差均不超出±30%，大部分保持在±20%偏差范圍內，證明傳感器的檢測結果具有較高的精度和可信度。

5 結束語

采用光阻法原理研制了在線油液污染度檢測傳感器，通過對流體狀態的分析,設計了過流池檢測閥塊，并為其選用了適合的光電器件。結合光電器件的電氣特性,設計了檢測電路和顆粒統計模塊。由此對油污傳感器樣機進行了標定試驗和離線儀器偏差的對比測試。測試數據表明，油污傳感器各通道與離線儀器結果偏差不大于±30%，滿足大型裝備液壓系統對油液污染度在線監測的精度要求。