基于MEMS技術的燃油靜電測量技術研究

李向明　李玉芳

摘要：燃油在管道內流動時與燃油系統中的附件接觸，使燃油及其流經的附件產生靜電并蓄電。通過對燃油在管道內流通時的靜電產生機理進行研究，采用MEMS技術和非接觸式測試技術，實現了燃油靜電測量。

Abstract： When the fuel flows in the pipeline， it contacts with the accessories in the fuel system， so the fuel and the accessories that it flows through generate static electricity and store electricity. The static electricity measurement of the fuel is realized by using the MEMS technology and non-contact testing technology， based on the study of the mechanism of the static electricity generated by the fuel that flowing in the pipeline.

關鍵詞：油箱;靜電;MEMS;測量

Key words： fuel? tank;static electricity;MEMS;measurement

0? 引言

燃油是介電系數較大的物質，它既能通過摩擦產生靜電，又能蓄電。燃油在輸油管道內流動容易產生靜電，當帶有靜電的燃油注入儲油裝置時，電荷會發生積累，可使儲油裝置內的靜電電位達到數萬伏特。當帶有電荷的燃油進入儲油裝置后，如果電位差達到20kV時就會發生放電現象，并產生火花。當火花能量達到或大于周圍油料最小點火能量0.2MJ[1]，或燃油蒸汽在空氣中的濃度或含量在爆炸極限范圍內（航空汽油蒸汽體積濃度占空氣1%-6%;航空煤油蒸汽體積濃度占空氣1.4%～7.5%）就會立刻發生爆炸。因此，需要對加油過程中的燃油靜電進行監控和測量。

1? 燃油靜電產生機理及特點

由于燃油中含有一定量的水分和雜質以及燃油在輸送過程中燃油和輸油管道及管道內附件會產生相對運動，從而產生符號相反的電荷[2]，燃油主要的起電形式有流動起電、沖刷起電、沉降起電、噴射起電等。當燃油在輸油管道中因為壓力差的作用而流動時，擴散層上的電荷被沖刷下來而隨燃油作定向運動形成電流，稱為沖流電流。沖流電流大小等于單位時間內通過管道橫截面上被沖刷下來的電量。沖流電流使管路一端有較多的正電荷。于是管道兩端出現電位差，稱為沖流電位。在儲油裝置頂部注油時，油柱落下的時候燃油對儲油裝置或油面發生沖擊，引起飛沫、氣泡和霧滴而帶電。當燃油濺潑在非油浸潤的固體上時，燃油滾動，使固體帶上一種符號的電荷，燃油上帶另一種符號的電荷，這種現象稱為濺潑起電[3]。濺潑起電主要原因是液滴落在固體表面，在接觸界面產生雙電層，液滴的慣性使液滴在固體表面上繼續運動，這樣液滴帶走了擴散層上的電荷而帶電，固定層上電荷留在固體表面而帶另一種符號的電荷，因此，燃油和固體就分別帶上了等量而異號的電荷。

由于輸油管道一般為導體，管道上帶的電荷很容易泄漏到大地中或通過放電裝置釋放到空氣中，但燃油的電導率一般比較低，燃油中帶的靜電荷很難及時泄漏掉，電荷會在燃油中積累形成沉積靜電[4]，產生靜電危害。輸油管道及油箱中靜電具有以下特點：

①靜電的產生、積累和消散都是看不見摸不著的，不易引起人們的注意;

②靜電放電具有瞬時性，當靜電積累到一定程度后，會發生瞬時放電引起危害;

③燃油具有易燃易爆性，有時油箱中會因為一個靜電放電，產生靜電火花，從而引起火災爆炸事故。

2? 燃油靜電測量原理

為避免靜電測量傳感器與燃油接觸時產生放電現象，因此需采用非接觸法進行測試，通過探測燃油攜帶靜電荷產生的電場，實現對燃油的靜電荷密度及靜電電壓的測量。在管道內，取任意一段長度為d的管道，根據高斯定理：

其中，E為管道內電場，方向垂直于管道內表面。Q為任意一段管道的帶電荷總量，ε0為真空介電常數。假設管道內電荷均勻，則公式（1）可變為：

其中，r為管道半徑，V為管道中心電位，ρ為管道內電荷密度，從而得：

3? 基于MEMS技術的燃油靜電測量方案

3.1 測量方案

在燃油管道中或儲油裝置內安裝測量傳感器。傳感器主要包括靜電敏感芯片、檢測電路及桿球式感應探頭，見圖1、圖2。其中，桿球式感應探頭與傳感器外殼之間通過絕緣材料隔離，球頭位于管道中心或儲油裝置中，用于感應管道中心電壓或儲油裝置內。靜電敏感芯片與感應探頭不接觸，二者之間存在一段干燥空氣。當燃油帶電，電荷通過桿球式感應探頭傳送到末端，靜電敏感芯片通過感應電荷產生的電場，實現燃油帶電檢測。采用非接觸方法檢測，并通過密封保持內部空氣干燥，能夠有效避免靜電傳導及靜電放電，保證燃油輸送系統的安全。檢測電路采取本安設計，用于為靜電傳感器提供激勵信號，并將靜電傳感器的輸出信號解調為數字串口信號輸出。

3.2 信號處理

靜電監測傳感器采用12V～36V寬電壓量程供電，輸出為數字串口接口，容易與其他設備集成，信號抗干擾能力強?？刹捎么诜掌鲗⒍嗦穫鞲衅鬏敵鲂盘栒蠟橐宦肪W絡信號，與信號處理計算機進行集成，見圖3。同時，傳感器輸出信號接口可根據需求調整為TTL電平、CAN總線等。

3.3 MEMS電場傳感技術

采用MEMS電場傳感技術進行燃油靜電檢測，采用隔爆封裝一體化設計，體積小、易安裝、功耗低，易集成，安全可靠[6]。該傳感技術基于非接觸式原理探測，可避免電路系統與燃油直接接觸，造成靜電放電危險。

基于MEMS技術的微結構電場傳感器敏感元件工作原理見圖4（a），傳感器敏感結構掃描電鏡照片見圖4（b）。傳感器的屏蔽電極接地，在激勵電壓驅動下，激勵電極帶動屏蔽電極以頻率ω水平振動[7]，周期性遮擋感應電極。感應電極表面的感應電荷量發生周期性改變，產生感應電流，此電流幅值與被測電場幅值成正比，測量此電流值即可達到測量被測靜電場的目的。

電場敏感元件雙路微弱電流信號經過I/V轉換、差分放大、濾波等低噪聲預處理后，提供給數字信號處理電路進行電場信號提取和傳輸。電場傳感器的解調電路見圖5。

3.4 測試應用

采用MEMS傳感測量技術對某系統燃油加油過程中的靜電累積情況進行測量，測量結果見圖6。

4? 結論

基于MEMS技術的燃油靜電測量，采取非接觸式探測及隔爆封裝一體化設計，體積小、易安裝、功耗低，易集成、無可動機械磨損部件、抗干擾能力強、安全可靠。通過實際應用，為燃油靜電測試提供了更快捷方便的測量方案。

參考文獻：

[1]石日昕.飛機地面壓力加油系統靜電安全設計[J].價值工程，1996（08）：42-43.

[2]李銀林.飛機靜電場特性極其探測原理[J].探測與控制學報，1994，21（4）：46-49.

[3]徐金華.飛行器沉積靜電效應及防護研究[J].電子產品可靠性與環境試驗，2006（2）：11.

[4]張文添.噴射航空煤油過程中靜電起電實驗研究[J].廣東工業大學學報，2011（9）：1.

[5]方震華.微電子機械系統（MEMS）技術在軍用設備中的應用現狀[J].電子機械工程，2010，26（4）：1-2.

[6]董葉梓.MEMS傳感器技術及其在海洋觀測中的應用[J].信息技術，2013（4）：141.

[7]王佩紅，等.基于MEMS技術的三明治型電磁式微振動能量采集器[J].納米技術與精密工程，2010，8（6）：512-516.