吳迪恒， 劉 淵， 林霆威， 王奕首*

(1.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361005； 2.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412000)

航空發(fā)動機(jī)是在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的條件下長期反復(fù)工作的復(fù)雜熱力機(jī)械。在實際工作過程中，各零部件接觸表面會相互摩擦，產(chǎn)生很大的摩擦力，造成發(fā)動機(jī)的內(nèi)損耗。同時，摩擦產(chǎn)生的大量熱會使零部件過熱，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)不能正常工作甚至零件損壞。滑油系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)中主要起到了潤滑、冷卻、清潔、防腐等作用，是重要的保障系統(tǒng)。在發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行過程中，會不斷產(chǎn)生小于10 μm的磨粒，當(dāng)磨粒大于10 μm 時，可能會發(fā)生異常情況；隨著發(fā)動機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)生的磨粒的種類、大小都會不斷增加，直至發(fā)動機(jī)失效。因此，對發(fā)動機(jī)機(jī)械零件的磨損程度進(jìn)行評估具有重要的意義。此外，發(fā)動機(jī)中摩擦副表面通常具有特殊有色金屬或介質(zhì)涂層，以減少接觸摩擦。因此，檢測金屬磨粒和非金屬磨粒并確定其尺寸在評估機(jī)械部件的磨損程度方面比較有價值[1]。

目前國內(nèi)外用于滑油檢測的離線技術(shù)主要有光譜分析技術(shù)、鐵譜分析技術(shù)等。這兩種方法都需要在發(fā)動機(jī)停機(jī)之后采集潤滑油樣品送至實驗室檢測。雖然實驗室離線的光譜和鐵譜分析能夠提供磨粒全面且詳細(xì)的信息，而其他傳感器或方法只能提供部分信息，但這種方法測試過程非常耗時，需要復(fù)雜的設(shè)備和熟練的分析人員。此外，這種方法很難提供關(guān)于機(jī)器健康的實時信息。

在國內(nèi)外研究的在線滑油監(jiān)測技術(shù)中，主要包括電感傳感技術(shù)、靜電傳感技術(shù)、光學(xué)檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)和電容傳感技術(shù)等。電感傳感技術(shù)[2-7]是基于磁感應(yīng)原理，當(dāng)鐵磁性磨粒通過傳感器的感應(yīng)區(qū)域時，感應(yīng)線圈的電感會增加，當(dāng)非鐵磁性磨粒通過感應(yīng)線圈時，電感會減小，該方法可區(qū)分鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒，但無法監(jiān)測非金屬磨粒；靜電傳感器[8-10]主要是基于靜電感應(yīng)原理，利用環(huán)形探極監(jiān)測流體中帶電磨粒的靜電信號，但該方法只適用于含有少量磨粒的滑油，且不能提供關(guān)于顆粒尺寸和濃度的正確信息；光學(xué)檢測技術(shù)[11-13]是利用滑油的透光性受磨粒的影響這一特性，通過圖像處理實現(xiàn)監(jiān)測，但無法提供磨粒大小、形狀和濃度等有價值信息；超聲檢測技術(shù)[14-15]是通過測量超聲波信號的衰減量來監(jiān)測磨粒，該方法可得到磨粒大小和數(shù)量等信息，但受外界環(huán)境影響較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；基于電容傳感的滑油磨粒監(jiān)測技術(shù)主要是基于介電常數(shù)檢測滑油特性的原理，可同時檢測金屬磨粒和非金屬磨粒，并根據(jù)監(jiān)測信號的大小判斷磨粒的大小、濃度等信息。

本文綜述了基于電容傳感的滑油磨粒在線監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展，首先分析了電容傳感器的基本工作原理，然后重點論述了不同類型和結(jié)構(gòu)形式的電容傳感器及其各自的優(yōu)缺點，最后討論了基于電容傳感的滑油磨粒在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 電容傳感器的基本工作原理

電容傳感器是一種由其本身的物理特性決定其電容值的器件，這些特性包括兩個電極之間的距離、有效公共面積和中間介質(zhì)，其工作原理如圖1所示[16]。當(dāng)這些特性發(fā)生變化時，電容傳感器測得的電容值也隨之變化。保持極板之間的重疊面積和它們之間的距離恒定時，通過測量電容值可以表征極板之間的介質(zhì)的變化，如新介質(zhì)的進(jìn)入和溫度、壓力、濕度等的變化。

圖1 電容傳感器工作原理

式(1)可用于確定兩個平行板電極之間的電容C:

(1)

式中，εr為介電材料的相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)(8.85×10-12C2·N-1·m-2)；A為兩個極板之間的有效公共面積；d為極板之間的距離；Ca為場邊緣效應(yīng)的電容。

2 集成于滑油管道的電容傳感器

集成于滑油管道的電容傳感器是目前滑油電容監(jiān)測技術(shù)的主要研究方向，該類技術(shù)主要是改變傳感器中電極板的結(jié)構(gòu)和位置，通過監(jiān)測電容值的變化進(jìn)而得到滑油中磨粒的信息。實驗表明，該類傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但監(jiān)測精度相對較低。

2.1 環(huán)狀極板式電容傳感器

何永勃等[17]提出了一種環(huán)狀極板式電容傳感器，如圖2所示，玻璃管道內(nèi)嵌入3個大小相同的銅質(zhì)圓環(huán)，作為傳感器的電容極板。內(nèi)直徑d1與圓環(huán)電極的直徑相同，各個電極之間的間距相等。

磨粒在傳感器的位置不同，所輸出的三極板之間的電容值也會不同。磨粒通過時，若記圖2中的極板1和極板2間的輸出電容值為C1，極板2和極板3間的輸出電容值為C2，則C1和C2之間的差值也是不斷變化的。當(dāng)磨粒位于極板1左側(cè)時，C1=C2；磨粒位于極板1和2之間時，C1>C2；磨粒位于極板2中間時C1=C2；磨粒位于極板2和3之間時，C1

圖2 圓環(huán)狀極板式電容傳感器

2.2 弧狀極板電容傳感器

何永勃等[19]從平行板電容器出發(fā)，設(shè)計了一個簡單小型化的弧狀極板電容傳感器，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中，R1和R2分別為圓柱形絕緣管的內(nèi)徑和外徑，該電容傳感器由圓柱形絕緣管和緊貼在絕緣管上面的4片弧狀電極組成，極板M、極板N形成一個電容器C1，極板P、極板Q形成一個電容器C2；θ為弧狀極板的夾角，α為兩片弧狀極板邊緣空隙弧角的一半，L為兩極板的間距。這種傳感器便于清洗且安裝方便，直接與滑油管道連接即可。

圖3 弧狀極板電容傳感器結(jié)構(gòu)圖

其中,電容變化量ΔC=C1-C2?；湍チＬ幱趥鞲衅髦袠O板M、極板N時，ΔC為正；滑油磨粒處于傳感器中極板P、極板Q時，ΔC為負(fù)；滑油磨粒處于傳感器中其他位置時，C1、C2近似相等，ΔC為零。通過實驗研究可得該傳感器的平均檢測靈敏度為138.14 μV/μm。

Sun等[20]設(shè)計了一種電容陣列傳感器，如圖4(a)所示，用于測量敏感電極之間的電壓，并開發(fā)了電容層析圖像算法重構(gòu)目標(biāo)場中的介質(zhì)分布。該電容陣列傳感器采用超啟發(fā)式偏微分方程并結(jié)合自適應(yīng)細(xì)胞遺傳算法和形態(tài)學(xué)算法，實現(xiàn)電容陣列反演成像并提取磨粒特征。通過對比實驗結(jié)果和光學(xué)顯微鏡測量結(jié)果(如圖4(b)所示)，可知該陣列傳感器能監(jiān)測的磨粒大小范圍為250～900 μm，且精度比傳統(tǒng)方法的精度高10%～38%。

圖4 電容陣列傳感器原理及成像

2.3 同軸圓柱型電容傳感器

王奕首等[21-23]提出了一種同軸圓柱形電容傳感器，如圖5(a)所示。其中，內(nèi)芯為細(xì)棒，外芯則充當(dāng)滑油管路，內(nèi)芯與外芯構(gòu)成電容兩極，并通過法蘭連接固定?；驮趦?nèi)芯和外芯之間的環(huán)形空間流過，當(dāng)滑油中存在磨粒時會引起介電常數(shù)的變化，因此通過測量電容傳感器的電容值可以間接獲得滑油中磨粒的特性，并且分析了滑油流速和溫度對測量結(jié)果的影響，提出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法。該電容傳感器在不改變已有滑油管路的情況下與管道有機(jī)集成，能夠同時測量鐵磁性磨粒、非鐵磁性磨粒以及其他雜質(zhì)，但監(jiān)測精度不高，且無法區(qū)分鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒。在此基礎(chǔ)上，王奕首等[24]又發(fā)展了基于同軸電容傳感網(wǎng)絡(luò)的滑油磨粒監(jiān)測方法，如圖5(b)所示，利用不同的電極對將滑油流域分為多個子探測空間，旨在進(jìn)一步提高監(jiān)測精度，此外利用同一探測空間的不同類型電極對的響應(yīng)信號關(guān)聯(lián)分析，可以進(jìn)一步獲取磨粒的形態(tài)信息。

圖5 同軸電容傳感器演化形式

2.4 交叉電容式傳感器

Islam等[25]提出了一種新型非接觸式交叉式電容傳感器，該傳感器基于湯普森-蘭帕德定理，由4個具有無限小間隙的圓柱形電極組成，如圖6所示。該傳感器通過測量相對的兩對電極之間的交叉電容來監(jiān)測滑油介電常數(shù)的變化，進(jìn)而監(jiān)測滑油磨粒。通過實驗驗證，該傳感器具有很高的輸出精度(±0.82%)和準(zhǔn)確度。

圖6 交叉電容式傳感器及其等效電路

2.5 微流道電容傳感器

Murali等[26]提出了一種基于電容庫爾特計數(shù)原理的微流道裝置(如圖7所示)，用于檢測潤滑油中的金屬磨粒。微流道裝置通過監(jiān)測微流體通道中兩個微電極電容的變化來檢測金屬磨粒。當(dāng)懸浮在潤滑油中的10～25 μm的金屬顆粒通過微通道時，由于潤滑油和金屬顆粒之間的介電常數(shù)差異，會造成電容突變，其中每個脈沖代表一個磨粒的通過。

圖7 電容式庫爾特計數(shù)傳感器原理圖

該微流道傳感器的靈敏度較高，檢測限較小，但吞吐量低，只能處理少量的油樣。為了克服這一障礙，Jagtiani的團(tuán)隊[27]采用并行傳感通道和信號復(fù)用技術(shù)，使傳感器能夠在合理的時間內(nèi)分析大量的油樣，如圖8所示。該傳感器通過使用頻分復(fù)用實現(xiàn)檢測，即每個微通道都用獨(dú)特頻率進(jìn)行調(diào)制，在單對電極上進(jìn)行組合測量，并對測量信號進(jìn)行解調(diào)，以確定每個通道上的信號。通過測試證明，吞吐量多路復(fù)用器件的功率比單通道器件提高了300%。此外，使用交流調(diào)制方法減少了對微電極的極化效應(yīng)，從而使輸出脈沖能夠更準(zhǔn)確地表示出顆粒的大小。基于多路檢測原理的微流道傳感器可以擴(kuò)展到更多數(shù)量的通道，以進(jìn)一步提高吞吐量，而不增加外部檢測電子器件。

圖8 四通道多路復(fù)用庫爾特計數(shù)傳感器及其等效電路

3 基于多傳感信息融合的綜合監(jiān)測方法

電容傳感器由于監(jiān)測原理簡單、成本效益高而被廣泛應(yīng)用，但仍存在一些缺點，如不能區(qū)別鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒，對溫度等外界環(huán)境因素較為敏感等。通過結(jié)合多種傳感原理、融合多種傳感信息使監(jiān)測結(jié)果更為精確，從而彌補(bǔ)電容傳感器的不足，并更好地發(fā)揮其優(yōu)勢。

3.1 磁容傳感探頭

Muthuvel等[28]基于磁塞式探頭，提出了一種新的磁容傳感探頭。所提出的磁容傳感探頭簡化圖如圖9所示。該探頭主要包括傳感單元和參考電容單元，其中傳感單元是由圓柱形永久磁鐵和導(dǎo)電管作為電極組成的同軸電容傳感器，參考電容單元是由與傳感單元尺寸相同的非磁性電極組成的。當(dāng)滑油中存在鐵磁性磨粒時，永久磁鐵會將磨粒吸附到傳感單元，而參考單元保持不變，利用這兩個電容器之間的差異來監(jiān)測磨粒。該傳感探頭可以重復(fù)使用，內(nèi)置的參照單元有助于自動補(bǔ)償由于油的黏度、溫度、氣泡等引起的電容變化。

圖9 磁容傳感探頭

該磁容探頭采用的是一種差分傳感方法，使傳感器對油介質(zhì)的溫度和黏度等參數(shù)變化變得不敏感，同時可收集鐵磁性磨粒以避免這些磨粒在液壓回路中進(jìn)一步循環(huán)。該傳感器的缺點是不能吸附非鐵磁性金屬磨粒。

3.2 結(jié)合磁感應(yīng)法和電容傳感的微傳感器

Zeng等[29]提出了一種由電感微流體和電容傳感單元組成的多參數(shù)微傳感器，如圖10所示，該傳感器由一個雙線圈和兩個硅鋼片組成。在多場耦合的情況下，該微型傳感器不僅可以作為電感式傳感器來區(qū)分鐵磁性和非鐵磁性金屬磨粒，還可以作為電容式傳感器來區(qū)分滑油中的水滴和氣泡。通過電感監(jiān)測實驗可知，該傳感器可監(jiān)測出滑油中33 μm的鐵顆粒和90 μm的銅顆粒；通過電容模塊可以監(jiān)測出滑油中100 μm的水滴和180 μm的氣泡。Shi等[30]在上述傳感器的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了一種集成的磨粒監(jiān)測傳感器，可監(jiān)測大于80 μm的氣泡、30～300 μm的鐵顆粒和45～300 μm的銅顆粒，并能夠更有效地區(qū)分顆粒特性。

圖10 結(jié)合磁感應(yīng)法和電容傳感的微傳感器原理圖

3.3 結(jié)合超聲波和電容的磨粒監(jiān)測技術(shù)

Appleby等[31]在超聲波磨粒監(jiān)測傳感器基礎(chǔ)上，提出了基于超聲和電容混合傳感的方法對磨粒和滑油性能進(jìn)行監(jiān)測，如圖11所示。其中超聲波監(jiān)測系統(tǒng)能夠測量磨粒引起的波散射造成的超聲波強(qiáng)度的降低；而電容監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測增加的有效電容來識別磨粒。通過研究發(fā)現(xiàn)，超聲波和電容測量都可以檢測到直徑小至44.5 μm的磨粒，同時該裝置也可用于檢測滑油黏度和pH值的變化。該傳感裝置融合了超聲波傳感器識別精度高和電容傳感器可檢測參數(shù)多的優(yōu)點，缺點是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可集成度低且容易受到振動干擾。

圖11 基于超聲和電容混合傳感的磨粒監(jiān)測

4 現(xiàn)狀分析與發(fā)展趨勢

4.1 現(xiàn)狀分析

在如今的航空發(fā)動機(jī)中，高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件的健康狀況監(jiān)測已經(jīng)成為維持和延長其健康狀態(tài)的關(guān)鍵。滑油中磨粒的在線監(jiān)測可以提供有關(guān)機(jī)械的狀態(tài)指示，提前預(yù)報飛機(jī)故障，保證飛機(jī)運(yùn)行時的安全性和可靠性，維修人員可根據(jù)磨粒的信息定位故障位置和故障類型，提高維修效率。而在線磨粒監(jiān)測傳感器的基本要求包括檢測異常磨損、檢測金屬和非金屬磨粒，以及測量磨粒的大小和濃度[32]。

本文綜述了基于電容傳感的滑油在線磨粒監(jiān)測的最新研究進(jìn)展。各種類型的傳感器的半徑和檢測精度如表1所示。集成于滑油管道的傳感器包括環(huán)狀極板式電容傳感器、弧狀極板電容傳感器、同軸圓柱形電容傳感器、交叉電容式傳感器和微流道電容傳感器。這5種傳感器的原理都是通過監(jiān)測磨粒通過時傳感器電極間的介電常數(shù)變化從而得到電容值的變化量，不同的是電極的布置方式。該類傳感器能夠集成于管道，且結(jié)構(gòu)簡單，易于測量。其中基于庫爾特計數(shù)器的電容傳感器是通過微流體裝置來監(jiān)測微電極的電容變化來檢測金屬磨粒，該傳感器精度較高，但是由于其低吞吐量，檢測限較??；通過頻分復(fù)用可以提高其吞吐量，但是對于檢測大尺寸磨粒仍存在困難。同時，國內(nèi)外也發(fā)展了結(jié)合多監(jiān)測原理的綜合監(jiān)測方法，其中基于磁容傳感探頭的傳感器能夠根據(jù)參考電極來進(jìn)行差分比較，提高檢測精度，且能夠收集黑色鐵磁性磨粒，防止此類磨粒在滑油管道中進(jìn)一步循環(huán)，但是該傳感器只能檢測鐵磁性磨粒，而不能檢測非鐵磁性磨粒和其他非金屬的磨粒；結(jié)合磁感應(yīng)法和電容傳感的微傳感器可集磁感應(yīng)傳感器和電容傳感器的優(yōu)勢于一體，既可監(jiān)測非金屬磨粒又可識別鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒；結(jié)合超聲波和電容的磨粒監(jiān)測技術(shù)可在監(jiān)測磨粒的同時監(jiān)測滑油理化性能。

表1 所述傳感器的半徑和檢測精度對比

4.2 發(fā)展趨勢

滑油磨粒在線監(jiān)測涉及流體力學(xué)、材料、計算機(jī)與信息、數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，要應(yīng)用到發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)中，仍然面臨不少問題。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，滑油電容磨粒監(jiān)測技術(shù)在未來還需從以下4個方面重點研究。

(1) 消除環(huán)境對監(jiān)測結(jié)果的影響。

基于電容傳感的滑油磨粒在線監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測過程中會受到溫度、流速、靜電場等的影響，進(jìn)而引起電容值的變化，導(dǎo)致傳感器的誤差變大。因此，對如何提高電容傳感器的測量準(zhǔn)確性提出了挑戰(zhàn)，具體包括如何使傳感器具有區(qū)分磨粒通過產(chǎn)生的信號變化和其他環(huán)境影響因素導(dǎo)致的信號變化的能力、如何補(bǔ)償環(huán)境因素的影響。

(2) 實現(xiàn)磨粒多維度信號特征提取。

目前國內(nèi)外電容滑油監(jiān)測技術(shù)中對磨粒信號的監(jiān)測大多數(shù)呈現(xiàn)單維度化，未能綜合多維度信號對磨粒實現(xiàn)進(jìn)一步的監(jiān)測。隨著技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，未來可通過改進(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)或融合多種滑油監(jiān)測技術(shù)等測量多維數(shù)據(jù)，對磨粒特征進(jìn)行進(jìn)一步識別。

(3) 實現(xiàn)磨粒監(jiān)測收集分析一體化。

滑油系統(tǒng)中的磨粒在監(jiān)測后必須進(jìn)行收集，否則會在回路中循環(huán)，加劇滑油性能的衰退。現(xiàn)有的滑油磨粒收集主要是通過磁堵或濾網(wǎng)，但后續(xù)無法對收集到的磨粒進(jìn)行實時監(jiān)測和分析。未來的研究還需探索先進(jìn)的材料和信號處理技術(shù)，實現(xiàn)磨粒監(jiān)測收集分析一體化[33-34]。

(4) 將監(jiān)測結(jié)果與發(fā)動機(jī)損傷狀況判斷有機(jī)結(jié)合。

滑油磨粒監(jiān)測的最終目的是對發(fā)動機(jī)機(jī)械零部件的磨損狀況進(jìn)行判斷，提前預(yù)示飛機(jī)故障，保證飛機(jī)飛行時的安全可靠性，提高維修效率。因此，可采用基于監(jiān)測結(jié)果和狀態(tài)估計模型的分析技術(shù)，構(gòu)建磨損狀態(tài)定性定量分類模型，對發(fā)動機(jī)機(jī)械零部件的磨損位置和磨損嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷。

5 結(jié)束語

本文綜述了基于電容傳感的滑油磨粒監(jiān)測傳感器的研究進(jìn)展，主要包括集成于滑油管道的傳感器和結(jié)合多傳感信息融合的綜合監(jiān)測方法，概述了基于電容傳感的滑油磨粒監(jiān)測傳感器的未來研究重點，旨在對電容傳感器進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，促進(jìn)電容磨粒傳感器在發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)中的應(yīng)用。