應用平行極板式電容傳感器檢測潤滑油品質的研究

摘要：分析和探討了潤滑油介電常數(shù)變化的微觀原因，并基于介電常數(shù)測量原理，以實現(xiàn)潤滑油質量的現(xiàn)場快速檢測為目的，考慮靈敏度、信噪比、擊穿電壓等參數(shù)要求，設計了平行極板式電容傳感器。采用諧振法對不同使用期的油樣進行了測試實驗，其中重復性測試數(shù)據(jù)的最大偏差為4．8％。應用計及邊緣效應影響的計算公式對數(shù)據(jù)進行了處理，結果表明該傳感器能在不改變機器內(nèi)部油路結構的情況下快速有效地檢測油液介電常數(shù)的變化，為科學判斷潤滑油使用狀況提供依據(jù)。
關鍵詞：潤滑油；油液檢測；介電常數(shù)；電容傳感器

    潤滑油在使用一段時間后，由于外界雜質的侵入和本身的氧化、凝聚、水解和分解等原因，會使油液的介電常數(shù)值發(fā)生變化。使用電容傳感器測量油液的介電常數(shù)可以反映潤滑油品質、磨損故障等信息。當前的離線油質分析儀不能完全準確地反映整體油液的質量信息，在油液中磨粒較大、分布不均勻的情況下尤為明顯。本文設計了一種用于現(xiàn)場快速檢測的電容傳感器，該傳感器成本低廉、使用方便，外接電路后可快速檢測潤滑油的使用狀況。

1 潤滑油介電常數(shù)測量原理
    潤滑油是一種復雜的烴類混合物，可以把它作為一種電介質來考慮。隨著潤滑油使用期的增加，其性能衰變主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
    (1)潤滑油內(nèi)部組分長期與空氣接觸發(fā)生氧化反應；
    (2)粘度指數(shù)改進劑、抗氧劑、抗磨劑等添加劑損耗；
    (3)外部污染，包括水污染、乙二醇污染、固體顆粒污染等。
    潤滑油被氧化、添加劑損耗會導致分子極性變化；
水的進入會產(chǎn)生H+，OH-離子；酸值的變化伴隨著H+，RCOO-離子的產(chǎn)生；金屬磨粒會產(chǎn)生自由電子。以上幾種因素均會不同程度地改變油液內(nèi)部極化成分的數(shù)量，從而導致介電常數(shù)值的變化，所以介電常數(shù)是反映油液老化、被污染以及磨損狀況的一個綜合參數(shù)。

    電介質的介電常數(shù)大小可通過測量平行板電容器的電容來間接獲得。對于如圖1所示的平行板電容器，多數(shù)文獻采用了以下公式表達電容與內(nèi)部介質的介電常數(shù)關系：
    C=ε0εrS／d               (1)
    式中：εr為內(nèi)部介質的相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；S為極板面積；d為兩極板間距。
    上述公式是在極板長度a，寬度b遠大于極板間距d的情況下推導出的，此時由于邊緣效應影響而引起的附加電容可以忽略不計。但在實際應用中，因測量空間的限制，極板不可能為無限大。根據(jù)文獻的研究成果，有限尺寸的平板電容器，計及邊緣效應的電容近似表達式為：
   
   
    由此可以看出電容值C與介質的相對介電常數(shù)ε，具有理論上的線性關系，通過測量內(nèi)部充滿潤滑油的電容器的電容值，就可以確定機油品質的劣化程度。

2 電容傳感器設計
    考慮到現(xiàn)場離線快速檢測的便捷性、穩(wěn)定性要求，傳感器采用平行極板式結構，其基本形狀示意圖如圖2所示，主要由一對平行極板、外部固定裝置和一個有機玻璃油槽組成。接線柱內(nèi)嵌銅芯，與極板焊接在一起。由于在下一步的方案規(guī)劃中，擬加入光電檢測模塊，所以在傳感器左右兩側設計了凹槽，以使激光穿過油液，測量透光率。為避免外界電磁干擾，電極外面加上金屬屏蔽罩。

    對于傳感器材料的選擇和尺寸的確定主要考慮以下因素：
    (1)用于電容傳感器的電極材料主要有炭材料、金屬氧化物和導電聚合物。本文選擇成本低廉、導電性好、溫度系數(shù)低、容易獲取和加工的銅作為極板材料，并根據(jù)其標準規(guī)格和靈敏度要求確定極板厚度P=0．5mm。
    (2)極板尺寸和間距決定了傳感器的大小和被測油量的多少。使用中的潤滑油是成分復雜的混合物，尤其是摩擦產(chǎn)生的磨粒，大小和分布并不均勻。為了使測量更加準確，顯然取油量越大越好，但現(xiàn)場操作又要求用最少的油樣數(shù)量獲得滿意的數(shù)據(jù)，而且小型化的傳感器更利于制成便攜式檢測系統(tǒng)。為了減弱邊緣效應的影響，極板間距要盡量小，但間距的減小勢必導致極板被擊穿的可能性增加。綜上所述并參考文獻中的設計經(jīng)驗，初步確定極板長a=50 mm，寬b=30 mm，間距d=20mm。
    (3)油槽材料選擇有機玻璃，化學名稱為聚甲基丙烯酸甲酯，這種材料表面光滑度高，不易粘著油液中的污染物，清洗方便；透射率高達92～93％，可透過可見光99％；強度高，韌性好，易于加工；能耐一般的化學腐蝕。根據(jù)加工的要求和有機玻璃的標準規(guī)格，擬定油槽壁厚為1．5mm。
    (4)聚四氟乙烯具有較高的機械強度和良好的絕緣性，且成本低、介質損耗小，因此選用該材料加工成固定裝置。

3 實驗驗證
    采用諧振法對傳感器進行了測試，測試電路由振蕩電路、低通濾波放大電路、單片機計數(shù)器及顯示模塊組成，如圖3所示。振蕩電路將傳感器的電容變化轉化為頻率的變化，此頻率信號經(jīng)濾波放大和分頻后送入單片機計數(shù)器，由單片機進行數(shù)據(jù)處理，將得到的電容值顯示在LCD上。測量之前要保證油槽的干燥以防混入水分，被測油樣分別取自某型號柴油發(fā)動機和變速箱。

    首先對傳感器進行了重復性測試，實驗結果如表1所示。

    從表1中數(shù)據(jù)可看出，實驗結果重復性很好，2種不同介質多次測量結果標準差分別為0．207，0．351，最大偏差分別為3.1％，4.8％，說明在確定的實驗條件下，測得的數(shù)據(jù)是可靠的?？諝獾南鄬殡姵?shù)可視為1，從表中數(shù)據(jù)也可計算出傳感器的雜散電容大約為6．9 pF。對不同使用期的油樣進行了測量，每種油樣均采用多次測量求平均值的方法得出最終數(shù)據(jù)，實驗結果如表2所示。根據(jù)式(2)計算油樣的相對介電常數(shù)值，計算時需減去雜散電容。繪制油品相對介電常數(shù)與使用期的關系曲線，如圖4所示。

    從圖中可以看出，不同種類潤滑油的介電常數(shù)隨機器運行時間增加的幅度有差別，這是由于各種油的成分以及所處工況均不相同導致的，但介電常數(shù)的變化趨勢一致，都隨使用期的增加而呈上升趨勢。

4 結語
    本文基于介電常數(shù)測量原理研制了一種用于潤滑油現(xiàn)場快速檢測的電容傳感器，該傳感器具有以下優(yōu)點：結構簡單，不需要復雜的制造工藝，而且所選擇的材料價格低廉；取油方便，不必對機器內(nèi)部油路進行拆裝即可實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測；極板間電場強度相對均勻，這就使各種極化成分在檢測場內(nèi)的空間位置對測量結果的影響較?。徊Ａв筒蹖⒂鸵号c極板隔開，防止對極板造成污染，測量后容易清洗，避免了污染物沉積影響測量精度。實驗驗證了其穩(wěn)定性和有效性，對于合理標定換油閾值、實現(xiàn)按需換油，具有重要的應用價值。