基于小尺度ECT傳感器的滑油在線監(jiān)測研究

徐大露,薛 倩，馬 敏，葉龔兵，由 偉

(中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院,天津 300300)

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基于小尺度ECT傳感器的滑油在線監(jiān)測研究

徐大露,薛 倩，馬 敏，葉龔兵，由 偉

(中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院,天津 300300)

針對國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)滑油在線監(jiān)測技術(shù)落后的現(xiàn)狀，對小尺度電容層析成像(ECT)傳感器設(shè)計進(jìn)行了研究。利用有限元分析軟件Comsol和Matlab，對ECT傳感器陣列電極的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并通過靜態(tài)和動態(tài)試驗驗證ECT應(yīng)用于滑油在線監(jiān)測的可行性。實驗結(jié)果表明，該方法能夠有效分辨物場中的不同介質(zhì)，實時反映滑油介電常數(shù)的變化，利用小尺度ECT傳感器可為在線滑油監(jiān)測提供一種新型檢測手段。

在線監(jiān)測;電容層析成像技術(shù);有限元分析;傳感器

0 引言

油液狀態(tài)監(jiān)測的目的就是實現(xiàn)對油品劣化、污染和機(jī)械磨損的早期發(fā)現(xiàn)與預(yù)警。在線監(jiān)測[1]分析可實時監(jiān)測且無需取樣，直接對油管中的油液進(jìn)行分析。在線磨粒監(jiān)測中的關(guān)鍵就是磨粒特征的采集，而完成磨粒信息采集需要傳感器。根據(jù)收集磨粒的方法和傳感器原理的不同，在線磨粒監(jiān)測傳感器[2]一般可分為:電磁型、導(dǎo)電型、光電型和超聲波型。我國在滑油在線監(jiān)測研究方面相對落后，監(jiān)測的原理單一，方法也十分有限，能實現(xiàn)油液在線監(jiān)測的傳感器的種類少，應(yīng)用較少[3-5]。

電容層析成像技術(shù)(Electrical Capacitance Tomography，ECT)利用陣列電極獲取物場邊界的電容值，由邊界測量值重建物場的介電常數(shù)分布，從而構(gòu)造出管道截面各相介質(zhì)的分布圖像。因其時間分辨率較高(>1 000幀/s)，在多相流[6-8]測量中獲得了廣泛應(yīng)用。航空發(fā)動機(jī)在工作過程中，滑油會因混入金屬磨粒等雜質(zhì)發(fā)生劣化，劣化后油液介電常數(shù)發(fā)生變化，因此，理論上可利用ECT技術(shù)實現(xiàn)在線滑油監(jiān)測，從而為油液狀態(tài)監(jiān)測提供一種新型、實時、可視化監(jiān)測手段。本文設(shè)計適于滑油監(jiān)測的小尺度ECT傳感器，并通過實驗驗證ECT應(yīng)用于滑油監(jiān)測的可行性。

1 傳感器設(shè)計

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

ECT系統(tǒng)利用陣列電極傳感器將敏感空間內(nèi)兩相/多相流體的分布轉(zhuǎn)化為各電極對之間的電容值，因此，傳感器的結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計就十分重要?？紤]到空間限制和電容量范圍，設(shè)計ECT傳感器的電極數(shù)量為8個，為了不影響潤滑油流型與傳感器的安裝靈活性，將電極安置在管道外壁[9]。電極材料采用柔性印刷電路板(Flexible Printed circuit，F(xiàn)PC)[10],ECT電極分成2部分，各含4個電極。8電極ECT系統(tǒng)激勵測量過程如下：首先選擇電極1作為激勵電極，電極2,3,4,…,8作為測量電極，測量7組電容值。下一次以電極2為激勵電極，3,4，…,8為測量電極，依此類推，由互易定理，共測得28個獨立電容值。單側(cè)ECT電極如圖1(a)所示，ECT電極橫截面示意圖[9]如圖1(b)所示。

1.2 電極優(yōu)化

1.2.1 優(yōu)化指標(biāo)

ECT系統(tǒng)的敏感場通常稱為“軟場”[11]，其分布是非均勻性的，靠近管壁和激勵電極處，敏感場的靈敏度較高，而中心區(qū)域靈敏度較低。這在很大程度上影響著重建圖像的質(zhì)量，這種非均勻性可通過陣列電極的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行改進(jìn)。

對于相鄰激勵、相鄰測量的ECT系統(tǒng)，其靈敏度定義如下：

(1)

式中：φi為第i個電極施加電壓V時的場域電勢分布;φj為第j個電極施加電壓V時的場域電勢分布。

圖1 ECT傳感器結(jié)構(gòu)

有限元分析計算時，電極對i-j對坐標(biāo)為 (x,y)的像素的靈敏度計算如下：

(2)

(3)

標(biāo)準(zhǔn)差為

(4)

綜合考慮敏感場的靈敏度和均勻性，定義靈敏度均勻性指標(biāo)[11-12]：

(5)

(6)

式中P值越小，敏感場分布越均勻。

由于滑油管道直徑較小(約10 mm)，相應(yīng)的小尺寸ECT傳感器的電容測量值為fF級，為電容檢測帶來一定的困難。對ECT系統(tǒng)而言，邊界測量電壓值越大，越有利于測量，因此，本文選擇電容測量值的最小值Cmin作為另一優(yōu)化指標(biāo)。

1.2.2 電極長度

電極長度在很大程度上影響敏感場的均勻性和電容值，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。當(dāng)dt=0.75時改變電極長度觀察均勻性指標(biāo)P值的變化，如圖2(a)所示，電極長度從1～4 mm，P值逐漸增大；電極長度從4～20 mm，P值逐漸減小，敏感場的均勻性越來越好。改變電極長度，觀察28組電容值里最小電容值Cmin的變化，如圖2(b)所示。隨著電極長度增大，Cmin逐漸增大。

(a)p與le的關(guān)系

(b)Cmin與le的關(guān)系圖2 均勻性指標(biāo)P、最小電容值Cmin與電極長度le的關(guān)系

結(jié)果分析：當(dāng)電極長度在1～4 mm之間時，電容值過小，采集數(shù)據(jù)的精確度不高，故舍棄。隨著電極長度的增大，電容值Cmin逐漸增大，P值逐漸減小，敏感場更加均勻，成像效果更好。但隨著電極長度的不斷增大，獲得的數(shù)據(jù)不單單是測量截面的介質(zhì)信息，重建圖像成像也不能認(rèn)為是測量截面上的介質(zhì)分布圖像，故le不能無限增大。綜合考慮設(shè)計電極長度le值為20 mm。

1.2.3 電極占空比

電極占空比同樣在很大程度上影響敏感場的均勻性和電容值，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。當(dāng)le=20 mm時改變占空比dt的大小，觀察均勻性指標(biāo)P和電容值的變化。

改變占空比dt的大小，觀察均勻性指標(biāo)P，如圖3(a)所示。隨著占空比增加，P值逐漸增大，但增幅較小，敏感場的均勻性較好。改變占空比dt的大小，觀察28組電容值里最小電容值Cmin的變化，如圖3(b)所示。隨著占空比增加,電容值的最小值Cmin逐漸增大。

(a)P與dt的關(guān)系

(b)Cmin與dt的關(guān)系圖3 均勻性指標(biāo)P、最小電容值Cmin與占空比dt的關(guān)系

結(jié)果分析：隨著占空比的增加，P值稍有增加，敏感場的均勻性較好，電容值逐漸增大，為保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和成像質(zhì)量，確定占空比的值為0.93。

2 油液監(jiān)測實驗

電容層析成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括3個部分[11]：陣列式電極電容敏感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與信號處理單元和圖像重建與分析顯示單元。陣列式電極電容敏感系統(tǒng)一般由均勻安裝在絕緣管道外壁的陣列電極構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集單元測量任意一對電極間的電容值，獲得不同觀察角度下“投影數(shù)據(jù)”并饋入成像計算機(jī)。利用合適的圖像重建算法即可獲得敏感場介質(zhì)分布的斷層圖像。

圖4 ECT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實驗條件：采用天津大學(xué)研制的ET數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取測量值，采樣率約1 000幀/s，信噪比為65 dB。計算機(jī)配置為Pentium( R) 4 2．93 GHz CPU、2 GB內(nèi)存，以Matlab2012為平臺驗證本文方法，用于模擬油路的有機(jī)玻璃管道外徑10 mm，壁厚1 mm。

2.1 靜態(tài)實驗

靜態(tài)試驗?zāi)Ｐ蜑椋?1)層流：潤滑油充滿約1/3的管道,空氣和油的相對介電常數(shù)分別為εgas=1，εoil=3;(2)核心流：直徑約為5 mm有機(jī)玻璃棒(相對介電常數(shù)約為3)置于管道中心。

靜態(tài)實驗條件下，先進(jìn)行空場和滿場標(biāo)定，然后測量兩種試驗?zāi)Ｐ偷倪吔珉娙葜?，在Matlab平臺上利用牛頓-拉夫遜預(yù)迭代算法[9]重建圖像。牛頓-拉夫遜預(yù)迭代算法是一種無約束最小化迭代算法，其迭代形式如下：

gk+1=gk-[STS]-1ST(Sgk-c)

(7)

式中：S為靈敏度矩陣；gk為第k次迭代的灰度值向量；c為測量得到的電容值向量。

其中，STS病態(tài)性嚴(yán)重，一般不存在逆。故引入 Tikhonov 正則化方法，得到：

gk+1=gk-[STS+μI]-1ST(Sgk-c)

(8)

將A0=[STS+μI]-1ST和gk=Akc代入式(8)得：

gk+1=Ak+1c=Akc+A0(c-SAkc)

(9)

化簡得到：

Ak+1=Ak+A0(I-SAk)

(10)

由式(10)可知，Ak的迭代計算可以脫離測量數(shù)據(jù)而預(yù)先完成。預(yù)先計算出Ak并儲存在成像軟件中，即可實現(xiàn)在線一步成像。

標(biāo)定空場和滿場之后，研究層流狀態(tài)下的成像情況，通入潤滑油充滿約1/3的管道，由ET數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取此時測量值，圖像重建結(jié)果如圖5(a)所示，可較準(zhǔn)確地反映管道內(nèi)的油液分布情況。標(biāo)定空場和滿場之后，研究核心流狀態(tài)下的成像情況。在干凈的管道中心附近插入一直徑約為5 mm的有機(jī)玻璃棒，采集此時的測量值，成像結(jié)果如圖5(b)所示，可以較準(zhǔn)確反映被測物的位置和尺寸。

圖5 靜態(tài)試驗的重建圖像

2.2 動態(tài)試驗

動態(tài)試驗?zāi)Ｐ停?1)鐵絲靠壁旋轉(zhuǎn)：直徑為1 mm的鐵絲靠管壁旋轉(zhuǎn)；(2)純凈油和劣化油的對比：純凈油和劣化油(加入氧化鋁顆粒)依次流過傳感器的測量截面。

在充滿純凈油的狀態(tài)下，插入直徑為1 mm的鐵絲靠管壁緩慢旋轉(zhuǎn)，裝置如圖6所示。

圖6 鐵絲靠管壁旋轉(zhuǎn)實驗裝置

在鐵絲旋轉(zhuǎn)的過程當(dāng)中，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集測量值并成像，對像素值進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖7所示，由于鐵絲的介電常數(shù)遠(yuǎn)小于油液，重建圖像中鐵絲附近的像素值較低，可見該傳感器可分辨直徑1 mm的金屬絲，較準(zhǔn)確地反映鐵絲的運(yùn)動過程。

圖7 鐵絲靠管壁旋轉(zhuǎn)成像

利用Pu管和有機(jī)玻璃管構(gòu)成一段2 m長油路，讓油液流經(jīng)傳感器分別研究純凈油和劣化油流過傳感器時的動態(tài)圖像變化。

純凈油流經(jīng)傳感器的過程中實時圖像如圖8(a)所示，可以清晰看到純凈潤滑油流過傳感器的動態(tài)變化，由于油液附著在管壁上，流型近似環(huán)流。潤滑油中加入氧化鋁顆粒(相對介電常數(shù)9.3～11.5)后，再次流過傳感器過程中，實時成像效果如圖8(b)所示，可以明顯觀察到劣化油對應(yīng)的像素值升高，即反映其介電常數(shù)升高。

圖8 動態(tài)試驗的重建圖像

3 結(jié)束語

本文以ECT技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)滑油檢測中的應(yīng)用為背景，利用有限元分析軟件Matlab和Comsol優(yōu)化傳感器電極尺寸。

實驗結(jié)果表明，利用本文設(shè)計的小尺度ECT傳感器可準(zhǔn)確重建管道中的介電常數(shù)分布情況，實時反映滑油介電常數(shù)的變化，初步實驗證明小尺度ECT傳感器可用于監(jiān)測滑油劣化過程，為在線滑油監(jiān)測提供一種新的檢測手段。

[1] 陳閩杰,曾安,李秋秋,等.在線監(jiān)測—油液分析的未來之路.機(jī)電工程技術(shù)，2010,39(11)：116-118.

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Research on Online Lubrication Oil Monitoring Based on Small Scale ECT Sensor

XU Da-lu,XUE Qian,MA Min,YE Gong-bing,YOU Wei

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

Aiming at the backward status of domestic online lubrication oil monitoring technology for aeroengine, the design of small scale electrical capacitance tomography (ECT) sensor was studied. Using finite element analysis software Comsol and Matlab, the geometrical parameters of sensor were optimized, thereafter, both static and dynamic experiments were carried out to test the feasibility of ECT applied to online oil monitoring. Experimental results show that the method can effectively distinguish objects of different medium, and reflect the permittivity changes of the lubrication oil in real time, thus small scale ECT sensor may provide a novel detection method for on-line oil monitoring.

online monitoring; ECT; finite element analysis; sensor

國家自然科學(xué)基金項目(61401466，61102096)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)中國民航大學(xué)專項(3122013C007)；“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”創(chuàng)新訓(xùn)練項目(國家級)(201410059022)

2015-02-11 收修改稿日期：2015-06-08

TP207

A

1002-1841(2015)11-0034-04

徐大露(1991—)，主要從事無損檢測技術(shù)的研究。 E-mail: caucxudalu@163.com 薛倩(1987—)，講師，博士，主要從事無損檢測技術(shù)的研究。