基于電容傳感的滑油磨粒監測技術研究進展

吳迪恒， 劉 淵， 林霆威， 王奕首*

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

航空發動機是在高溫、高壓、高速旋轉的條件下長期反復工作的復雜熱力機械。在實際工作過程中，各零部件接觸表面會相互摩擦，產生很大的摩擦力，造成發動機的內損耗。同時，摩擦產生的大量熱會使零部件過熱，導致發動機不能正常工作甚至零件損壞。滑油系統在發動機中主要起到了潤滑、冷卻、清潔、防腐等作用，是重要的保障系統。在發動機的正常運行過程中，會不斷產生小于10 μm的磨粒，當磨粒大于10 μm 時，可能會發生異常情況；隨著發動機的繼續運行，產生的磨粒的種類、大小都會不斷增加，直至發動機失效。因此，對發動機機械零件的磨損程度進行評估具有重要的意義。此外，發動機中摩擦副表面通常具有特殊有色金屬或介質涂層，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械部件的磨損程度方面比較有價值[1]。

目前國內外用于滑油檢測的離線技術主要有光譜分析技術、鐵譜分析技術等。這兩種方法都需要在發動機停機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，需要復雜的設備和熟練的分析人員。此外，這種方法很難提供關于機器健康的實時信息。

在國內外研究的在線滑油監測技術中，主要包括電感傳感技術、靜電傳感技術、光學檢測技術、超聲檢測技術和電容傳感技術等。電感傳感技術[2-7]是基于磁感應原理，當鐵磁性磨粒通過傳感器的感應區域時，感應線圈的電感會增加，當非鐵磁性磨粒通過感應線圈時，電感會減小，該方法可區分鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒，但無法監測非金屬磨粒；靜電傳感器[8-10]主要是基于靜電感應原理，利用環形探極監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，且不能提供關于顆粒尺寸和濃度的正確信息；光學檢測技術[11-13]是利用滑油的透光性受磨粒的影響這一特性，通過圖像處理實現監測，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[14-15]是通過測量超聲波信號的衰減量來監測磨粒，該方法可得到磨粒大小和數量等信息，但受外界環境影響較大且結構復雜；基于電容傳感的滑油磨粒監測技術主要是基于介電常數檢測滑油特性的原理，可同時檢測金屬磨粒和非金屬磨粒，并根據監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測技術研究進展，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構形式的電容傳感器及其各自的優缺點，最后討論了基于電容傳感的滑油磨粒在線監測技術的發展趨勢。

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，其工作原理如圖1所示[16]。當這些特性發生變化時，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的變化，如新介質的進入和溫度、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；ε0為真空介電常數(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測技術的主要研究方向，該類技術主要是改變傳感器中電極板的結構和位置，通過監測電容值的變化進而得到滑油中磨粒的信息。實驗表明，該類傳感器結構簡單，但監測精度相對較低。

2.1 環狀極板式電容傳感器

何永勃等[17]提出了一種環狀極板式電容傳感器，如圖2所示，玻璃管道內嵌入3個大小相同的銅質圓環，作為傳感器的電容極板。內直徑d1與圓環電極的直徑相同，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。當磨粒位于極板1左側時，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，設計了一個簡單小型化的弧狀極板電容傳感器，結構圖如圖3所示。其中，R1和R2分別為圓柱形絕緣管的內徑和外徑，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構圖

其中,電容變化量ΔC=C1-C2。滑油磨粒處于傳感器中極板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；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，并開發了電容層析圖像算法重構目標場中的介質分布。該電容陣列傳感器采用超啟發式偏微分方程并結合自適應細胞遺傳算法和形態學算法，實現電容陣列反演成像并提取磨粒特征。通過對比實驗結果和光學顯微鏡測量結果(如圖4(b)所示)，可知該陣列傳感器能監測的磨粒大小范圍為250～900 μm，且精度比傳統方法的精度高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，內芯為細棒，外芯則充當滑油管路，內芯與外芯構成電容兩極，并通過法蘭連接固定。滑油在內芯和外芯之間的環形空間流過，當滑油中存在磨粒時會引起介電常數的變化，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果的影響，提出了相應的補償方法。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，但監測精度不高，且無法區分鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒。在此基礎上，王奕首等[24]又發展了基于同軸電容傳感網絡的滑油磨粒監測方法，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，旨在進一步提高監測精度，此外利用同一探測空間的不同類型電極對的響應信號關聯分析，可以進一步獲取磨粒的形態信息。

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測滑油介電常數的變化，進而監測滑油磨粒。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的團隊[27]采用并行傳感通道和信號復用技術，使傳感器能夠在合理的時間內分析大量的油樣，如圖8所示。該傳感器通過使用頻分復用實現檢測，即每個微通道都用獨特頻率進行調制，在單對電極上進行組合測量，并對測量信號進行解調，以確定每個通道上的信號。通過測試證明，吞吐量多路復用器件的功率比單通道器件提高了300%。此外，使用交流調制方法減少了對微電極的極化效應，從而使輸出脈沖能夠更準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展到更多數量的通道，以進一步提高吞吐量，而不增加外部檢測電子器件。

圖8 四通道多路復用庫爾特計數傳感器及其等效電路

3 基于多傳感信息融合的綜合監測方法

電容傳感器由于監測原理簡單、成本效益高而被廣泛應用，但仍存在一些缺點，如不能區別鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒，對溫度等外界環境因素較為敏感等。通過結合多種傳感原理、融合多種傳感信息使監測結果更為精確，從而彌補電容傳感器的不足，并更好地發揮其優勢。

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測磨粒。該傳感探頭可以重復使用，內置的參照單元有助于自動補償由于油的黏度、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，使傳感器對油介質的溫度和黏度等參數變化變得不敏感，同時可收集鐵磁性磨粒以避免這些磨粒在液壓回路中進一步循環。該傳感器的缺點是不能吸附非鐵磁性金屬磨粒。

3.2 結合磁感應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分滑油中的水滴和氣泡。通過電感監測實驗可知，該傳感器可監測出滑油中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上，改進了一種集成的磨粒監測傳感器，可監測大于80 μm的氣泡、30～300 μm的鐵顆粒和45～300 μm的銅顆粒，并能夠更有效地區分顆粒特性。

圖10 結合磁感應法和電容傳感的微傳感器原理圖

3.3 結合超聲波和電容的磨粒監測技術

Appleby等[31]在超聲波磨粒監測傳感器基礎上，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行監測，如圖11所示。其中超聲波監測系統能夠測量磨粒引起的波散射造成的超聲波強度的降低；而電容監測系統通過監測增加的有效電容來識別磨粒。通過研究發現，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多的優點，缺點是其結構復雜、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測

4 現狀分析與發展趨勢

4.1 現狀分析

在如今的航空發動機中，高速旋轉的機械部件的健康狀況監測已經成為維持和延長其健康狀態的關鍵。滑油中磨粒的在線監測可以提供有關機械的狀態指示，提前預報飛機故障，保證飛機運行時的安全性和可靠性，維修人員可根據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測的最新研究進展。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測磨粒通過時傳感器電極間的介電常數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，且結構簡單，易于測量。其中基于庫爾特計數器的電容傳感器是通過微流體裝置來監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，檢測限較小；通過頻分復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，國內外也發展了結合多監測原理的綜合監測方法，其中基于磁容傳感探頭的傳感器能夠根據參考電極來進行差分比較，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一步循環，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；結合磁感應法和電容傳感的微傳感器可集磁感應傳感器和電容傳感器的優勢于一體，既可監測非金屬磨粒又可識別鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒；結合超聲波和電容的磨粒監測技術可在監測磨粒的同時監測滑油理化性能。

表1 所述傳感器的半徑和檢測精度對比

4.2 發展趨勢

滑油磨粒在線監測涉及流體力學、材料、計算機與信息、數學等多學科交叉領域，要應用到發動機滑油系統中，仍然面臨不少問題。結合國內外研究現狀，滑油電容磨粒監測技術在未來還需從以下4個方面重點研究。

(1) 消除環境對監測結果的影響。

基于電容傳感的滑油磨粒在線監測系統在監測過程中會受到溫度、流速、靜電場等的影響，進而引起電容值的變化，導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確性提出了挑戰，具體包括如何使傳感器具有區分磨粒通過產生的信號變化和其他環境影響因素導致的信號變化的能力、如何補償環境因素的影響。

(2) 實現磨粒多維度信號特征提取。

目前國內外電容滑油監測技術中對磨粒信號的監測大多數呈現單維度化，未能綜合多維度信號對磨粒實現進一步的監測。隨著技術的創新和發展，未來可通過改進傳感器結構或融合多種滑油監測技術等測量多維數據，對磨粒特征進行進一步識別。

(3) 實現磨粒監測收集分析一體化。

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

(4) 將監測結果與發動機損傷狀況判斷有機結合。

滑油磨粒監測的最終目的是對發動機機械零部件的磨損狀況進行判斷，提前預示飛機故障，保證飛機飛行時的安全可靠性，提高維修效率。因此，可采用基于監測結果和狀態估計模型的分析技術，構建磨損狀態定性定量分類模型，對發動機機械零部件的磨損位置和磨損嚴重程度進行判斷。

5 結束語

本文綜述了基于電容傳感的滑油磨粒監測傳感器的研究進展，主要包括集成于滑油管道的傳感器和結合多傳感信息融合的綜合監測方法，概述了基于電容傳感的滑油磨粒監測傳感器的未來研究重點，旨在對電容傳感器進行改進和創新，促進電容磨粒傳感器在發動機滑油系統中的應用。