基于电容传感器的飞机滑油磨粒检测系统设计*

何永勃， 徐 斌

(中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300)



基于电容传感器的飞机滑油磨粒检测系统设计*

何永勃， 徐 斌

(中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300)

飞机发动机的异常摩擦、磨损会在滑油中产生大量的磨粒，对滑油磨粒的有效检测可以为发动机的故障诊断提供可靠信息。设计了一个弧状极板式电容传感器，但传感器中电容变化量非常小，传统方法难以检测，采用交流电桥式电容检测方法。系统以AD9833为DDS信号发生器给交流电桥施加激励信号，经C/V转换、差分放大、相敏解调以及低通滤波等处理后得到实时电压变化。可实现弱信号的精确检测，且能有效克服杂散电容和寄生电容的影响。多次实验结果均表明：该检测系统具有灵敏度高，稳定性好等特点。

磨粒； 电容传感器； AD9833； 信号发生器

0 引 言

飞机发动机结构复杂且工作环境恶劣，内部的异常摩擦、磨损是造成发动机各种故障的主要原因[1]。异常摩擦、磨损产生的磨粒与滑油混在一起，通过对飞机滑油磨粒的检测，能及时监测发动机的故障状态，为发动机的故障诊断提供有效参考信息。

传统的航空发动机滑油磨粒检测技术有铁谱分析、光谱监控、自动磨粒检测分析等[2]。针对这一领域的研究仍在不断发展，如空军工程大学研究人员利用某型航空发动机滑油的光谱分析数据，提出了油液磨粒与故障关系的RVM预测方法[3]。国外，有学者提出基于经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)法对机械系统中滑油磨粒信号的提取与分析[4]。滑油磨粒改变了飞机滑油的介电常数，因此本文设计了一个弧状极板式电容传感器，提出一种基于交流电桥电容测量电路的滑油磨粒检测方法。多次实验结果表明该检测方法是可行的，能够测量不同大小的磨粒状况，且灵敏度高、稳定性好。

1 系统总体设计方案

本系统以TI公司的MSP430型号MCU为核心控制器，以交流电桥作为电容检测电路。将电容传感器上的两个电容器分别接入交流电桥的一侧桥臂上，测试前，通过调节另一侧桥臂的可调阻抗使其处于平衡状态。由MSP430向信号发生器写控制字产生正弦激励信号，经调幅后加载在预先调至平衡状态的交流电桥两端，为其提供激励源。无滑油磨粒流经电容传感器时，电桥处于平衡状态；有滑油磨粒经过电容传感器时，产生电容变化，电桥不再平衡。交流电桥电容检测电路完成C/V转换，输出电势差。该电势差经差分放大及二次可调放大处理后，送至模拟乘法器进行相敏解调，解调后的信号再经过低通滤波处理去除高频信号后，即可得到因变容变化引起的实际输出电压信号。通过对输出电压进行分析，能及时判断滑油磨粒信息，进而为飞机的故障预测提供有效的参考价值。系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架Fig 1 Overall framework of system

2 电容式传感器的设计

滑油磨粒流经电容传感器时引起的电容变化非常小，且电容式传感器易受到外界干扰。因此，在设计时要考虑到一些因素，如减少边缘效应的影响，注意传感器的接地与屏蔽，减少杂散电容和寄生电容的影响等[5]。本系统设计了一个弧状极板式电容传感器，结构如图2所示，将两块弧状极板贴在圆柱形塑料绝缘管的外壁上，则两块极板间将形成一个电容器。本传感器中有两个电容器，极板M,N形成一个电容器，极板P,Q形成另一个电容器，两个电容器分别接到交流电桥一侧的桥臂上。经软件仿真并结合实际模型，弧状极板的张角设为 ，塑料绝缘管内径R1设为10 mm，外径R2设为15 mm。为减少外部电磁场干扰，在电容传感器的外表面再加上一层圆柱形屏蔽罩[6]。

图2 电容传感器结构图Fig 2 Structure chart of capacitive sensor

3 硬件电路设计

滑油磨粒检测电路主要由信号发生电路，电容检测电路，放大电路，相敏解调电路以及低通滤波电路等组成。

3.1 信号发生电路

信号发生电路采用ADI公司的AD9833作为DDS信号发生器，该芯片仅需一个外部参考时钟和一些外部解耦电容器就能产生最高12.5 MHz的正弦信号[7]。AD9833芯片有2个28位的频率寄存器和2个12位的相位寄存器，3个串行接口，分别为FSYNC，SCLK和SDATA，通过串行接口将数据写入AD9833，实现频率和相位的控制。DDS信号发生器输出信号频率为

fout=M(fMCLK/228)

(1)

式中fMCLK为AD9833所接晶振的频率，M为频率控制字，可由软件编程外部给定。本设计选用两片AD9833芯片，通过MSP430单片机向串行口写入数据，产生两路500 kHz的正弦信号，一路作为交流电桥电容检测电路的激励信号，另一路用于解调模块乘法器的输入参考信号。考虑到AD9833输出信号较弱，选择高性能、低功耗的AD8065运算放大器对AD9833输出信号进行幅值放大，以保证能为交流电桥提供有效激励。

3.2 交流电桥电容检测

传感器中电容变化非常小，属于微弱信号，不易直接测量。传统的小电容测量方法有谐振法，交流锁相放大法，充放电法等。谐振法杂散电容影响较大，且输出线性较差，不适宜动态测量；交流锁相放大法电路复杂，成本较高；充放电法由于采用直流电源，存在较大的飘逸问题[8]。交流电桥法设计简单，使用方便，测量精度较高，本设计采用该方法。在图3所示的交流电桥示意图中，Z1表示图2中由M,N极板形成的电容器C1，Z2表示图2中由P,Q极板形成的电容器C2，Z3，Z4为可调阻抗，用于电桥平衡调节。滑油磨粒流经M,N极板时，C1>C2；流经P,Q极板时，C1

图3 交流电桥示意图Fig 3 Sketch map of alternating current bridge

3.3 差分放大及二次可调放大

交流电桥输出的电势差信号十分微弱，为方便检测出交流电桥的输出电势差，需设计信号放大电路。差分放大电路能抑制零点漂移和噪声干扰，具有高共模抑制比性能，因此选用其作为前置放大电路。差分放大器选用ADI公司的AD8129芯片，该芯片是一款低噪声、高性能差分至单端放大器，且在高频时具有极高的共模抑制比(CMRR)[9]。将图3中交流电桥的S1，S2两端信号分别接入AD8129的正负输入端，则在差分放大器的输出端产生一个单端信号。前置差分放大电路的放大倍数不能设计的太大，否则易引起信号失真。因此仅通过前置差分放大电路不能得到理想信号，需进行二次可调放大。选用AD8065芯片作为二次可调放大电路的运算放大器，电路如图4所示，R4阻值为51 kΩ，R5是最大值为20 kΩ的可调电阻。通过调节R5阻值的大小就可以动态调节输出信号的幅值，以满足实际测量要求。

图4 可调放大电路Fig 4 Adjustable amplifier circuit

3.4 相敏解调和低通滤波模块

经放大处理的信号中包括滑油流经电容传感器引起的低频电容变化信号和高频激励信号，有用的是低频电容变化信号，因此必须使用解调电路将其提取出来。选用ADI公司高速精密的AD734模拟乘法器用作相敏解调电路的芯片，电路如图5所示，X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2是3对差分输入端，W为输出端，分母控制单元由U0，U1，U2，DD和ER构成，该芯片的输入输出函数为[10]

(2)

将W和Z1连接在一起构成一个闭环系统，此时的输出表达式为

(3)

在设计中，将X2，Y2及Z2均接地，且使用默认的分母控制电压10V(U0，U1，U2接地)，则整个乘法器的输出表达式为

(4)

AD734乘法器X1端接入与激励信号同频的参考信号U1，X2端接入由交流电桥产生并经放大处理后的信号U2，两路信号经过乘法器后在W端输出信号。乘法器解调实现的原理如下，设X1端正弦输入参考信号和Y1端被检测输入信号分别为

X1=A1sinωt

(5)

Y1=A2sin(ωt+φ)

(6)

则经过乘法器后的输出信号为

W=A1A2sinωtsin(ωt+φ)

(7)

通过积化和差数学公式可知，式(7)中乘法器的输出可以表示为

(8)

由式(8)知道，通过乘法器解调出来的输出信号包括2部分，分别是与相位φ有关的直流分量和2倍于输入信号频率的高频信号。本设计主要就是为了提取出与幅值及相位有关的直流分量，因此,需要设计低通滤波电路去除无用的高频分量。系统的激励信号频率为500kHz，根据式(8)，则乘法器解调输出的高频信号频率为1MHz，因此,设计一个截止频率远远低于1MHz的低通滤波器即可，文中将滤波截止频率设置在500Hz左右。由于AD8051运算放大器具有高速、低失真和快速建立特性，非常适合用于有源滤波器的使用，所以,此处选用该运放设计二阶低通滤波电路，电路如图6所示。根据二阶低通滤波电路公式[11]

(9)

则该滤波电路的截止频率f为

(10)

结合前述的截止频率(500Hz左右),设计电路参数。为简化计算，令R12=R13，最终参数如下：C29=C30=0.01μF，R12=R13=33kΩ，R10=13kΩ，R11=22kΩ。实验证明，该二阶滤波电路响应速度较快，具有较好的滤波效果。

图5 相敏解调电路Fig 5 Phase-sensitive demodulation circuit

图6 二阶低通滤波电路Fig 6 Second-order low-pass filtering circuit

4 测试结果

在纯净的滑油中，分别加入直径不等(100～500 μm)的金属磨粒，并在交流电桥检测两端施加500 kHz的正弦激励信号，让这些含不同大小磨粒的滑油依次流经电容传感器，读取单个金属磨粒分别处于电容器C1,C2极板中轴线时电压变化差值，图7即是输出电压变化值与磨粒大小的关系曲线图。

图7 输出电压变化与磨粒大小关系曲线Fig 7 Relationship curve of output voltage variation and abrasive particles size

可将不同大小的磨粒与对应输出电压变化值建立一个数据库，设定好磨粒的监测范围和输出电压变化阈值，一旦检测到输出电压变化超过阈值，即可判定有大磨粒存在。此时可让系统及时发出警报，即发动机中可能存在异常磨损或机械故障，为提前预报飞机故障提供有效的参考依据。

5 结束语

本文改变使用传统的扫描电镜、铁谱分析、X荧光能谱分析等滑油磨粒检测方法，设计了一种基于电容传感器的交流电桥式滑油磨粒检测方法。该方法可实现微弱信号的精确检测，且具有良好的稳定性，为飞机滑油磨粒检测提供了一种新的思路。

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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

国家自然科学基金青年基金资助项目(61401466)；中央高校基本科研业务费中国民航大学专项项目(3122013C007)；民航科技专项项目(20150220)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0112—04

TP 212

A

1000—9787(2016)10—0112—04

何永勃(1971-)，男，陕西蒲城人，博士，副教授，从事航空检测技术与智能化仪表研究。