基于电容传感的滑油磨粒监测技术研究进展

2021-06-03吴迪恒林霆威王奕首

测控技术 2021年5期

吴迪恒，刘渊，林霆威，王奕首*

(1.厦门大学航空航天学院，福建厦门 361005； 2.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412000)

航空发动机是在高温、高压、高速旋转的条件下长期反复工作的复杂热力机械。在实际工作过程中，各零部件接触表面会相互摩擦，产生很大的摩擦力，造成发动机的内损耗。同时，摩擦产生的大量热会使零部件过热，导致发动机不能正常工作甚至零件损坏。滑油系统在发动机中主要起到了润滑、冷却、清洁、防腐等作用，是重要的保障系统。在发动机的正常运行过程中，会不断产生小于10 μm的磨粒，当磨粒大于10 μm 时，可能会发生异常情况；随着发动机的继续运行，产生的磨粒的种类、大小都会不断增加，直至发动机失效。因此，对发动机机械零件的磨损程度进行评估具有重要的意义。此外，发动机中摩擦副表面通常具有特殊有色金属或介质涂层，以减少接触摩擦。因此，检测金属磨粒和非金属磨粒并确定其尺寸在评估机械部件的磨损程度方面比较有价值[1]。

目前国内外用于滑油检测的离线技术主要有光谱分析技术、铁谱分析技术等。这两种方法都需要在发动机停机之后采集润滑油样品送至实验室检测。虽然实验室离线的光谱和铁谱分析能够提供磨粒全面且详细的信息，而其他传感器或方法只能提供部分信息，但这种方法测试过程非常耗时，需要复杂的设备和熟练的分析人员。此外，这种方法很难提供关于机器健康的实时信息。

在国内外研究的在线滑油监测技术中，主要包括电感传感技术、静电传感技术、光学检测技术、超声检测技术和电容传感技术等。电感传感技术[2-7]是基于磁感应原理，当铁磁性磨粒通过传感器的感应区域时，感应线圈的电感会增加，当非铁磁性磨粒通过感应线圈时，电感会减小，该方法可区分铁磁性磨粒和非铁磁性磨粒，但无法监测非金属磨粒；静电传感器[8-10]主要是基于静电感应原理，利用环形探极监测流体中带电磨粒的静电信号，但该方法只适用于含有少量磨粒的滑油，且不能提供关于颗粒尺寸和浓度的正确信息；光学检测技术[11-13]是利用滑油的透光性受磨粒的影响这一特性，通过图像处理实现监测，但无法提供磨粒大小、形状和浓度等有价值信息；超声检测技术[14-15]是通过测量超声波信号的衰减量来监测磨粒，该方法可得到磨粒大小和数量等信息，但受外界环境影响较大且结构复杂；基于电容传感的滑油磨粒监测技术主要是基于介电常数检测滑油特性的原理，可同时检测金属磨粒和非金属磨粒，并根据监测信号的大小判断磨粒的大小、浓度等信息。

本文综述了基于电容传感的滑油磨粒在线监测技术研究进展，首先分析了电容传感器的基本工作原理，然后重点论述了不同类型和结构形式的电容传感器及其各自的优缺点，最后讨论了基于电容传感的滑油磨粒在线监测技术的发展趋势。

1 电容传感器的基本工作原理

电容传感器是一种由其本身的物理特性决定其电容值的器件，这些特性包括两个电极之间的距离、有效公共面积和中间介质，其工作原理如图1所示[16]。当这些特性发生变化时，电容传感器测得的电容值也随之变化。保持极板之间的重叠面积和它们之间的距离恒定时，通过测量电容值可以表征极板之间的介质的变化，如新介质的进入和温度、压力、湿度等的变化。

图1 电容传感器工作原理

式(1)可用于确定两个平行板电极之间的电容C:

(1)

式中，εr为介电材料的相对介电常数；ε0为真空介电常数(8.85×10-12C2·N-1·m-2)；A为两个极板之间的有效公共面积；d为极板之间的距离；Ca为场边缘效应的电容。

2 集成于滑油管道的电容传感器

集成于滑油管道的电容传感器是目前滑油电容监测技术的主要研究方向，该类技术主要是改变传感器中电极板的结构和位置，通过监测电容值的变化进而得到滑油中磨粒的信息。实验表明，该类传感器结构简单，但监测精度相对较低。

2.1 环状极板式电容传感器

何永勃等[17]提出了一种环状极板式电容传感器，如图2所示，玻璃管道内嵌入3个大小相同的铜质圆环，作为传感器的电容极板。内直径d1与圆环电极的直径相同，各个电极之间的间距相等。

磨粒在传感器的位置不同，所输出的三极板之间的电容值也会不同。磨粒通过时，若记图2中的极板1和极板2间的输出电容值为C1，极板2和极板3间的输出电容值为C2，则C1和C2之间的差值也是不断变化的。当磨粒位于极板1左侧时，C1=C2；磨粒位于极板1和2之间时，C1>C2；磨粒位于极板2中间时C1=C2；磨粒位于极板2和3之间时，C1

图2 圆环状极板式电容传感器

2.2 弧状极板电容传感器

何永勃等[19]从平行板电容器出发，设计了一个简单小型化的弧状极板电容传感器，结构图如图3所示。其中，R1和R2分别为圆柱形绝缘管的内径和外径，该电容传感器由圆柱形绝缘管和紧贴在绝缘管上面的4片弧状电极组成，极板M、极板N形成一个电容器C1，极板P、极板Q形成一个电容器C2；θ为弧状极板的夹角，α为两片弧状极板边缘空隙弧角的一半，L为两极板的间距。这种传感器便于清洗且安装方便，直接与滑油管道连接即可。

图3 弧状极板电容传感器结构图

其中,电容变化量ΔC=C1-C2。滑油磨粒处于传感器中极板M、极板N时，ΔC为正；滑油磨粒处于传感器中极板P、极板Q时，ΔC为负；滑油磨粒处于传感器中其他位置时，C1、C2近似相等，ΔC为零。通过实验研究可得该传感器的平均检测灵敏度为138.14 μV/μm。

Sun等[20]设计了一种电容阵列传感器，如图4(a)所示，用于测量敏感电极之间的电压，并开发了电容层析图像算法重构目标场中的介质分布。该电容阵列传感器采用超启发式偏微分方程并结合自适应细胞遗传算法和形态学算法，实现电容阵列反演成像并提取磨粒特征。通过对比实验结果和光学显微镜测量结果(如图4(b)所示)，可知该阵列传感器能监测的磨粒大小范围为250～900 μm，且精度比传统方法的精度高10%～38%。

图4 电容阵列传感器原理及成像

2.3 同轴圆柱型电容传感器

王奕首等[21-23]提出了一种同轴圆柱形电容传感器，如图5(a)所示。其中，内芯为细棒，外芯则充当滑油管路，内芯与外芯构成电容两极，并通过法兰连接固定。滑油在内芯和外芯之间的环形空间流过，当滑油中存在磨粒时会引起介电常数的变化，因此通过测量电容传感器的电容值可以间接获得滑油中磨粒的特性，并且分析了滑油流速和温度对测量结果的影响，提出了相应的补偿方法。该电容传感器在不改变已有滑油管路的情况下与管道有机集成，能够同时测量铁磁性磨粒、非铁磁性磨粒以及其他杂质，但监测精度不高，且无法区分铁磁性磨粒和非铁磁性磨粒。在此基础上，王奕首等[24]又发展了基于同轴电容传感网络的滑油磨粒监测方法，如图5(b)所示，利用不同的电极对将滑油流域分为多个子探测空间，旨在进一步提高监测精度，此外利用同一探测空间的不同类型电极对的响应信号关联分析，可以进一步获取磨粒的形态信息。

图5 同轴电容传感器演化形式

2.4 交叉电容式传感器

Islam等[25]提出了一种新型非接触式交叉式电容传感器，该传感器基于汤普森-兰帕德定理，由4个具有无限小间隙的圆柱形电极组成，如图6所示。该传感器通过测量相对的两对电极之间的交叉电容来监测滑油介电常数的变化，进而监测滑油磨粒。通过实验验证，该传感器具有很高的输出精度(±0.82%)和准确度。

图6 交叉电容式传感器及其等效电路

2.5 微流道电容传感器

Murali等[26]提出了一种基于电容库尔特计数原理的微流道装置(如图7所示)，用于检测润滑油中的金属磨粒。微流道装置通过监测微流体通道中两个微电极电容的变化来检测金属磨粒。当悬浮在润滑油中的10～25 μm的金属颗粒通过微通道时，由于润滑油和金属颗粒之间的介电常数差异，会造成电容突变，其中每个脉冲代表一个磨粒的通过。

图7 电容式库尔特计数传感器原理图

该微流道传感器的灵敏度较高，检测限较小，但吞吐量低，只能处理少量的油样。为了克服这一障碍，Jagtiani的团队[27]采用并行传感通道和信号复用技术，使传感器能够在合理的时间内分析大量的油样，如图8所示。该传感器通过使用频分复用实现检测，即每个微通道都用独特频率进行调制，在单对电极上进行组合测量，并对测量信号进行解调，以确定每个通道上的信号。通过测试证明，吞吐量多路复用器件的功率比单通道器件提高了300%。此外，使用交流调制方法减少了对微电极的极化效应，从而使输出脉冲能够更准确地表示出颗粒的大小。基于多路检测原理的微流道传感器可以扩展到更多数量的通道，以进一步提高吞吐量，而不增加外部检测电子器件。

图8 四通道多路复用库尔特计数传感器及其等效电路

3 基于多传感信息融合的综合监测方法

电容传感器由于监测原理简单、成本效益高而被广泛应用，但仍存在一些缺点，如不能区别铁磁性磨粒和非铁磁性磨粒，对温度等外界环境因素较为敏感等。通过结合多种传感原理、融合多种传感信息使监测结果更为精确，从而弥补电容传感器的不足，并更好地发挥其优势。

3.1 磁容传感探头

Muthuvel等[28]基于磁塞式探头，提出了一种新的磁容传感探头。所提出的磁容传感探头简化图如图9所示。该探头主要包括传感单元和参考电容单元，其中传感单元是由圆柱形永久磁铁和导电管作为电极组成的同轴电容传感器，参考电容单元是由与传感单元尺寸相同的非磁性电极组成的。当滑油中存在铁磁性磨粒时，永久磁铁会将磨粒吸附到传感单元，而参考单元保持不变，利用这两个电容器之间的差异来监测磨粒。该传感探头可以重复使用，内置的参照单元有助于自动补偿由于油的黏度、温度、气泡等引起的电容变化。

图9 磁容传感探头

该磁容探头采用的是一种差分传感方法，使传感器对油介质的温度和黏度等参数变化变得不敏感，同时可收集铁磁性磨粒以避免这些磨粒在液压回路中进一步循环。该传感器的缺点是不能吸附非铁磁性金属磨粒。

3.2 结合磁感应法和电容传感的微传感器

Zeng等[29]提出了一种由电感微流体和电容传感单元组成的多参数微传感器，如图10所示，该传感器由一个双线圈和两个硅钢片组成。在多场耦合的情况下，该微型传感器不仅可以作为电感式传感器来区分铁磁性和非铁磁性金属磨粒，还可以作为电容式传感器来区分滑油中的水滴和气泡。通过电感监测实验可知，该传感器可监测出滑油中33 μm的铁颗粒和90 μm的铜颗粒；通过电容模块可以监测出滑油中100 μm的水滴和180 μm的气泡。Shi等[30]在上述传感器的基础上，改进了一种集成的磨粒监测传感器，可监测大于80 μm的气泡、30～300 μm的铁颗粒和45～300 μm的铜颗粒，并能够更有效地区分颗粒特性。

图10 结合磁感应法和电容传感的微传感器原理图

3.3 结合超声波和电容的磨粒监测技术

Appleby等[31]在超声波磨粒监测传感器基础上，提出了基于超声和电容混合传感的方法对磨粒和滑油性能进行监测，如图11所示。其中超声波监测系统能够测量磨粒引起的波散射造成的超声波强度的降低；而电容监测系统通过监测增加的有效电容来识别磨粒。通过研究发现，超声波和电容测量都可以检测到直径小至44.5 μm的磨粒，同时该装置也可用于检测滑油黏度和pH值的变化。该传感装置融合了超声波传感器识别精度高和电容传感器可检测参数多的优点，缺点是其结构复杂、可集成度低且容易受到振动干扰。

图11 基于超声和电容混合传感的磨粒监测

4 现状分析与发展趋势

4.1 现状分析

在如今的航空发动机中，高速旋转的机械部件的健康状况监测已经成为维持和延长其健康状态的关键。滑油中磨粒的在线监测可以提供有关机械的状态指示，提前预报飞机故障，保证飞机运行时的安全性和可靠性，维修人员可根据磨粒的信息定位故障位置和故障类型，提高维修效率。而在线磨粒监测传感器的基本要求包括检测异常磨损、检测金属和非金属磨粒，以及测量磨粒的大小和浓度[32]。

本文综述了基于电容传感的滑油在线磨粒监测的最新研究进展。各种类型的传感器的半径和检测精度如表1所示。集成于滑油管道的传感器包括环状极板式电容传感器、弧状极板电容传感器、同轴圆柱形电容传感器、交叉电容式传感器和微流道电容传感器。这5种传感器的原理都是通过监测磨粒通过时传感器电极间的介电常数变化从而得到电容值的变化量，不同的是电极的布置方式。该类传感器能够集成于管道，且结构简单，易于测量。其中基于库尔特计数器的电容传感器是通过微流体装置来监测微电极的电容变化来检测金属磨粒，该传感器精度较高，但是由于其低吞吐量，检测限较小；通过频分复用可以提高其吞吐量，但是对于检测大尺寸磨粒仍存在困难。同时，国内外也发展了结合多监测原理的综合监测方法，其中基于磁容传感探头的传感器能够根据参考电极来进行差分比较，提高检测精度，且能够收集黑色铁磁性磨粒，防止此类磨粒在滑油管道中进一步循环，但是该传感器只能检测铁磁性磨粒，而不能检测非铁磁性磨粒和其他非金属的磨粒；结合磁感应法和电容传感的微传感器可集磁感应传感器和电容传感器的优势于一体，既可监测非金属磨粒又可识别铁磁性磨粒和非铁磁性磨粒；结合超声波和电容的磨粒监测技术可在监测磨粒的同时监测滑油理化性能。