基于電容傳感器的飛機(jī)滑油磨粒檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

何永勃， 徐 斌

(中國(guó)民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300)

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基于電容傳感器的飛機(jī)滑油磨粒檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

何永勃， 徐 斌

(中國(guó)民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300)

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的異常摩擦、磨損會(huì)在滑油中產(chǎn)生大量的磨粒，對(duì)滑油磨粒的有效檢測(cè)可以為發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷提供可靠信息。設(shè)計(jì)了一個(gè)弧狀極板式電容傳感器，但傳感器中電容變化量非常小，傳統(tǒng)方法難以檢測(cè)，采用交流電橋式電容檢測(cè)方法。系統(tǒng)以AD9833為DDS信號(hào)發(fā)生器給交流電橋施加激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)C/V轉(zhuǎn)換、差分放大、相敏解調(diào)以及低通濾波等處理后得到實(shí)時(shí)電壓變化?？蓪?shí)現(xiàn)弱信號(hào)的精確檢測(cè)，且能有效克服雜散電容和寄生電容的影響。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：該檢測(cè)系統(tǒng)具有靈敏度高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

磨粒； 電容傳感器； AD9833； 信號(hào)發(fā)生器

0 引 言

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作環(huán)境惡劣，內(nèi)部的異常摩擦、磨損是造成發(fā)動(dòng)機(jī)各種故障的主要原因[1]。異常摩擦、磨損產(chǎn)生的磨粒與滑油混在一起，通過(guò)對(duì)飛機(jī)滑油磨粒的檢測(cè)，能及時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障狀態(tài)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷提供有效參考信息。

傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油磨粒檢測(cè)技術(shù)有鐵譜分析、光譜監(jiān)控、自動(dòng)磨粒檢測(cè)分析等[2]。針對(duì)這一領(lǐng)域的研究仍在不斷發(fā)展，如空軍工程大學(xué)研究人員利用某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油的光譜分析數(shù)據(jù)，提出了油液磨粒與故障關(guān)系的RVM預(yù)測(cè)方法[3]。國(guó)外，有學(xué)者提出基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition,EMD)法對(duì)機(jī)械系統(tǒng)中滑油磨粒信號(hào)的提取與分析[4]?；湍チ８淖兞孙w機(jī)滑油的介電常數(shù)，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)弧狀極板式電容傳感器，提出一種基于交流電橋電容測(cè)量電路的滑油磨粒檢測(cè)方法。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該檢測(cè)方法是可行的，能夠測(cè)量不同大小的磨粒狀況，且靈敏度高、穩(wěn)定性好。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以TI公司的MSP430型號(hào)MCU為核心控制器，以交流電橋作為電容檢測(cè)電路。將電容傳感器上的兩個(gè)電容器分別接入交流電橋的一側(cè)橋臂上，測(cè)試前，通過(guò)調(diào)節(jié)另一側(cè)橋臂的可調(diào)阻抗使其處于平衡狀態(tài)。由MSP430向信號(hào)發(fā)生器寫控制字產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)調(diào)幅后加載在預(yù)先調(diào)至平衡狀態(tài)的交流電橋兩端，為其提供激勵(lì)源。無(wú)滑油磨粒流經(jīng)電容傳感器時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)；有滑油磨粒經(jīng)過(guò)電容傳感器時(shí)，產(chǎn)生電容變化，電橋不再平衡。交流電橋電容檢測(cè)電路完成C/V轉(zhuǎn)換，輸出電勢(shì)差。該電勢(shì)差經(jīng)差分放大及二次可調(diào)放大處理后，送至模擬乘法器進(jìn)行相敏解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)低通濾波處理去除高頻信號(hào)后，即可得到因變?nèi)葑兓鸬膶?shí)際輸出電壓信號(hào)。通過(guò)對(duì)輸出電壓進(jìn)行分析，能及時(shí)判斷滑油磨粒信息，進(jìn)而為飛機(jī)的故障預(yù)測(cè)提供有效的參考價(jià)值。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig 1 Overall framework of system

2 電容式傳感器的設(shè)計(jì)

滑油磨粒流經(jīng)電容傳感器時(shí)引起的電容變化非常小，且電容式傳感器易受到外界干擾。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到一些因素，如減少邊緣效應(yīng)的影響，注意傳感器的接地與屏蔽，減少雜散電容和寄生電容的影響等[5]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)弧狀極板式電容傳感器，結(jié)構(gòu)如圖2所示，將兩塊弧狀極板貼在圓柱形塑料絕緣管的外壁上，則兩塊極板間將形成一個(gè)電容器。本傳感器中有兩個(gè)電容器，極板M,N形成一個(gè)電容器，極板P,Q形成另一個(gè)電容器，兩個(gè)電容器分別接到交流電橋一側(cè)的橋臂上。經(jīng)軟件仿真并結(jié)合實(shí)際模型，弧狀極板的張角設(shè)為 ，塑料絕緣管內(nèi)徑R1設(shè)為10 mm，外徑R2設(shè)為15 mm。為減少外部電磁場(chǎng)干擾，在電容傳感器的外表面再加上一層圓柱形屏蔽罩[6]。

圖2 電容傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure chart of capacitive sensor

3 硬件電路設(shè)計(jì)

滑油磨粒檢測(cè)電路主要由信號(hào)發(fā)生電路，電容檢測(cè)電路，放大電路，相敏解調(diào)電路以及低通濾波電路等組成。

3.1 信號(hào)發(fā)生電路

信號(hào)發(fā)生電路采用ADI公司的AD9833作為DDS信號(hào)發(fā)生器，該芯片僅需一個(gè)外部參考時(shí)鐘和一些外部解耦電容器就能產(chǎn)生最高12.5 MHz的正弦信號(hào)[7]。AD9833芯片有2個(gè)28位的頻率寄存器和2個(gè)12位的相位寄存器，3個(gè)串行接口，分別為FSYNC，SCLK和SDATA，通過(guò)串行接口將數(shù)據(jù)寫入AD9833，實(shí)現(xiàn)頻率和相位的控制。DDS信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率為

fout=M(fMCLK/228)

(1)

式中fMCLK為AD9833所接晶振的頻率，M為頻率控制字，可由軟件編程外部給定。本設(shè)計(jì)選用兩片AD9833芯片，通過(guò)MSP430單片機(jī)向串行口寫入數(shù)據(jù)，產(chǎn)生兩路500 kHz的正弦信號(hào)，一路作為交流電橋電容檢測(cè)電路的激勵(lì)信號(hào)，另一路用于解調(diào)模塊乘法器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)?？紤]到AD9833輸出信號(hào)較弱，選擇高性能、低功耗的AD8065運(yùn)算放大器對(duì)AD9833輸出信號(hào)進(jìn)行幅值放大，以保證能為交流電橋提供有效激勵(lì)。

3.2 交流電橋電容檢測(cè)

傳感器中電容變化非常小，屬于微弱信號(hào)，不易直接測(cè)量。傳統(tǒng)的小電容測(cè)量方法有諧振法，交流鎖相放大法，充放電法等。諧振法雜散電容影響較大，且輸出線性較差，不適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量；交流鎖相放大法電路復(fù)雜，成本較高；充放電法由于采用直流電源，存在較大的飄逸問(wèn)題[8]。交流電橋法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)量精度較高，本設(shè)計(jì)采用該方法。在圖3所示的交流電橋示意圖中，Z1表示圖2中由M,N極板形成的電容器C1，Z2表示圖2中由P,Q極板形成的電容器C2，Z3，Z4為可調(diào)阻抗，用于電橋平衡調(diào)節(jié)?；湍チＡ鹘?jīng)M,N極板時(shí)，C1>C2；流經(jīng)P,Q極板時(shí)，C1

圖3 交流電橋示意圖Fig 3 Sketch map of alternating current bridge

3.3 差分放大及二次可調(diào)放大

交流電橋輸出的電勢(shì)差信號(hào)十分微弱，為方便檢測(cè)出交流電橋的輸出電勢(shì)差，需設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路。差分放大電路能抑制零點(diǎn)漂移和噪聲干擾，具有高共模抑制比性能，因此選用其作為前置放大電路。差分放大器選用ADI公司的AD8129芯片，該芯片是一款低噪聲、高性能差分至單端放大器，且在高頻時(shí)具有極高的共模抑制比(CMRR)[9]。將圖3中交流電橋的S1，S2兩端信號(hào)分別接入AD8129的正負(fù)輸入端，則在差分放大器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)單端信號(hào)。前置差分放大電路的放大倍數(shù)不能設(shè)計(jì)的太大，否則易引起信號(hào)失真。因此僅通過(guò)前置差分放大電路不能得到理想信號(hào)，需進(jìn)行二次可調(diào)放大。選用AD8065芯片作為二次可調(diào)放大電路的運(yùn)算放大器，電路如圖4所示，R4阻值為51 kΩ，R5是最大值為20 kΩ的可調(diào)電阻。通過(guò)調(diào)節(jié)R5阻值的大小就可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅值，以滿足實(shí)際測(cè)量要求。

圖4 可調(diào)放大電路Fig 4 Adjustable amplifier circuit

3.4 相敏解調(diào)和低通濾波模塊

經(jīng)放大處理的信號(hào)中包括滑油流經(jīng)電容傳感器引起的低頻電容變化信號(hào)和高頻激勵(lì)信號(hào)，有用的是低頻電容變化信號(hào)，因此必須使用解調(diào)電路將其提取出來(lái)。選用ADI公司高速精密的AD734模擬乘法器用作相敏解調(diào)電路的芯片，電路如圖5所示，X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2是3對(duì)差分輸入端，W為輸出端，分母控制單元由U0，U1，U2，DD和ER構(gòu)成，該芯片的輸入輸出函數(shù)為[10]

(2)

將W和Z1連接在一起構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)的輸出表達(dá)式為

(3)

在設(shè)計(jì)中，將X2，Y2及Z2均接地，且使用默認(rèn)的分母控制電壓10V(U0，U1，U2接地)，則整個(gè)乘法器的輸出表達(dá)式為

(4)

AD734乘法器X1端接入與激勵(lì)信號(hào)同頻的參考信號(hào)U1，X2端接入由交流電橋產(chǎn)生并經(jīng)放大處理后的信號(hào)U2，兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法器后在W端輸出信號(hào)。乘法器解調(diào)實(shí)現(xiàn)的原理如下，設(shè)X1端正弦輸入?yún)⒖夹盘?hào)和Y1端被檢測(cè)輸入信號(hào)分別為

X1=A1sinωt

(5)

Y1=A2sin(ωt+φ)

(6)

則經(jīng)過(guò)乘法器后的輸出信號(hào)為

W=A1A2sinωtsin(ωt+φ)

(7)

通過(guò)積化和差數(shù)學(xué)公式可知，式(7)中乘法器的輸出可以表示為

(8)

由式(8)知道，通過(guò)乘法器解調(diào)出來(lái)的輸出信號(hào)包括2部分，分別是與相位φ有關(guān)的直流分量和2倍于輸入信號(hào)頻率的高頻信號(hào)。本設(shè)計(jì)主要就是為了提取出與幅值及相位有關(guān)的直流分量，因此,需要設(shè)計(jì)低通濾波電路去除無(wú)用的高頻分量。系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)頻率為500kHz，根據(jù)式(8)，則乘法器解調(diào)輸出的高頻信號(hào)頻率為1MHz，因此,設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1MHz的低通濾波器即可，文中將濾波截止頻率設(shè)置在500Hz左右。由于AD8051運(yùn)算放大器具有高速、低失真和快速建立特性，非常適合用于有源濾波器的使用，所以,此處選用該運(yùn)放設(shè)計(jì)二階低通濾波電路，電路如圖6所示。根據(jù)二階低通濾波電路公式[11]

(9)

則該濾波電路的截止頻率f為

(10)

結(jié)合前述的截止頻率(500Hz左右),設(shè)計(jì)電路參數(shù)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，令R12=R13，最終參數(shù)如下：C29=C30=0.01μF，R12=R13=33kΩ，R10=13kΩ，R11=22kΩ。實(shí)驗(yàn)證明，該二階濾波電路響應(yīng)速度較快，具有較好的濾波效果。

圖5 相敏解調(diào)電路Fig 5 Phase-sensitive demodulation circuit

圖6 二階低通濾波電路Fig 6 Second-order low-pass filtering circuit

4 測(cè)試結(jié)果

在純凈的滑油中，分別加入直徑不等(100～500 μm)的金屬磨粒，并在交流電橋檢測(cè)兩端施加500 kHz的正弦激勵(lì)信號(hào)，讓這些含不同大小磨粒的滑油依次流經(jīng)電容傳感器，讀取單個(gè)金屬磨粒分別處于電容器C1,C2極板中軸線時(shí)電壓變化差值，圖7即是輸出電壓變化值與磨粒大小的關(guān)系曲線圖。

圖7 輸出電壓變化與磨粒大小關(guān)系曲線Fig 7 Relationship curve of output voltage variation and abrasive particles size

可將不同大小的磨粒與對(duì)應(yīng)輸出電壓變化值建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定好磨粒的監(jiān)測(cè)范圍和輸出電壓變化閾值，一旦檢測(cè)到輸出電壓變化超過(guò)閾值，即可判定有大磨粒存在。此時(shí)可讓系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，即發(fā)動(dòng)機(jī)中可能存在異常磨損或機(jī)械故障，為提前預(yù)報(bào)飛機(jī)故障提供有效的參考依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文改變使用傳統(tǒng)的掃描電鏡、鐵譜分析、X熒光能譜分析等滑油磨粒檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了一種基于電容傳感器的交流電橋式滑油磨粒檢測(cè)方法。該方法可實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的精確檢測(cè)，且具有良好的穩(wěn)定性，為飛機(jī)滑油磨粒檢測(cè)提供了一種新的思路。

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Design of aircraft lubricating oil abrasive particles detection system based on capacitive sensor*

HE Yong-bo, XU Bin

(School of Aeronautical Automation,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

The abnormal friction and abrasion of aircraft engine will produce a large amount of abrasive particles in lubricating oil,effective detection of lubricating oil abrasive particles can provide reliable information for engine fault diagnosis.An arc plate capacitance sensor is designed,but the capacitance change of sensor is very small,it is difficult to detect with traditional method,alternating current bridge capacitance detection method is used here.The system takes the AD9833 as DDS signal generator to exert pumping signal on alternating current bridge,by C/V conversion,differential amplifier,phase sensitive demodulation and low pass filtering obtain real time change of voltage.The design can realize accurate detection of weak signal,and it can overcome influence of stray capacitance and parasitic capacitance effectively.Multiple experimental results show that the system has characteristics of high sensitivity and good stability.

abrasive particles; capacitance sensor; AD9833; signal generator

2016—01—06

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(61401466)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)中國(guó)民航大學(xué)專項(xiàng)項(xiàng)目(3122013C007)；民航科技專項(xiàng)項(xiàng)目(20150220)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0112—04

TP 212

A

1000—9787(2016)10—0112—04

何永勃(1971-)，男，陜西蒲城人，博士，副教授，從事航空檢測(cè)技術(shù)與智能化儀表研究。