液压油水污染在线连续检测传感器研究

孙衍山;邓可;王钧

【摘 要】采用聚酰亚胺水分子选择性覆膜，设计一种新型连续曲率双螺旋电容水污染传感器。分析该新型传感器的基本原理并建立数学建模，介绍其组成和软件算法流程。测试结果表明：该新型传感器可在线连续地检测液压油液中的水分，且含水率检测精度高。该传感器已成功用于液压装置的实时状态监控，为大型设备的主动维护提供依据。%A new type of sensor for water contamination detection was designed by using capacitance with PI selective film for water molecules and double spiral lines with continuously curvature.The basic principle of new type of sensor was analyzed,and its mathematic model was established.Its composing and software algorithm flow were

introduced.The test re⁃sults show that this new type of sensor can be used in on⁃line detection of water in hydraulic oil continuously,and the de⁃tection precision of water content is high.This type of sensor has already been used successfully in real time state monito⁃ring for hydraulic device,which provides references for active maintenance of large type of equipments.

【期刊名称】《润滑与密封》 【年(卷),期】2015(000)007 【总页数】5页(P102-105,132)

【关键词】液压油;水污染;在线检测;电容传感器

【作 者】孙衍山;邓可;王钧

【作者单位】天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 天津300072; 北京航峰科伟装备技术股份有限公司 北京100141;北京航峰科伟装备技术股份有限公司 北京100141;北京航峰科伟装备技术股份有限公司 北京100141 【正文语种】中 文 【中图分类】TN206

随着现代液压技术的应用,液压装置的使用条件正向高压、高转速和高精度方向发展,液压系统的可靠性和元件寿命问题显得更为突出和重要。同时，随着液压技术的应用与发展，人们认识到液压系统及元件的寿命与油液的清洁度有很密切的关系[1-3]。液压油的污染主要有颗粒污染、水污染等。对于颗粒物污染，现在一般都比较重视，并采取了相应的措施进行控制。而对水、空气、微生物等污染，目前还没有给予足够的重视。

水污染对润滑油的质量和使用性能来说是致命的。当温度降低时，它会导致润滑油的流动性能和黏温性能变差，并会堵塞油路和滤清器；当温度升高时，水会汽化而导致油路产生气阻，会严重加速设备磨损；同时水还会使油品乳化，增加油泥，加快有机物对设备部件的腐蚀，且还会使添加剂因水解而失去功效[4]。同时，水与油液中的硫和氯(某些添加剂中含有硫，原件表面净化过程中往往残留氯)作用产生硫酸和盐酸，对原件有强烈的腐蚀作用[5]。液压油的吸水饱和度一般为2×10-4～ 3×10-4(质量分数)。液压油在使用过程中，由于冷凝、泄漏等原因很容易混入水分，而研究表明，当液压油中的水含量超过0.05%(质量分数)时，会对液压系统产生严重的危害作用[6]。当油液中同时存在固体颗粒污染和水时，元件的磨损和油液的品质恶化造成的腐蚀比单独存在固体颗粒或水时的危害要严重得多，这是

由于固体颗粒的磨损使元件暴露出新的表面，更容易被水产生的酸类物质腐蚀。油液中同时存在固体颗粒污染和水时，几乎使油液的氧化报废寿命变为正常寿命的1/10。

在线连续地对油液中的水分进行检测，能及时发现水污染并预警，避免产生严重的事故，对液压设备的可靠运行，实现现代设备管理由传统的计划维修向先进的主动维护(预知性维修)转变具有重要的意义。

高分子电容型薄膜湿度传感器是最优秀的一类湿度传感器,它具有响应范围宽、响应速度快、湿滞小、精度高、温度系数小、长期稳定性好的特点。聚酰亚胺是高分子电容型湿度传感器最广泛采用的材料之一[7]，聚酰亚胺(PI) 高分子薄膜传感器具有耐热、高温介电稳定性好、耐化学腐蚀、温度系数小、与硅工艺兼容等特性[8]。而且,敏感薄膜聚酰亚胺的预聚物聚酰胺酸可以溶于有机溶剂,这种具有一定黏性的混合溶液可用类似半导体工艺中的匀胶的方法旋涂在电极上,再在一定的温度下使有机溶剂挥发,再升温,使聚酰胺酸脱水固化形成聚酰亚胺薄膜。运用该工艺,聚酰亚胺薄膜的膜厚容易控制,重复性很高,制作的湿度传感器成本低,精度高,有利于大批量生产。

当油液的含水率发生变化时,PI膜暴露于油液中的部分可通过吸湿、脱湿和水分子的扩散作用使电极之间的PI层的含水量发生变化,达到平衡时,PI膜微孔隙中水分子浓度与油液中水分子浓度相当。研究表明:PI膜的电容量与相对含水率在很大范围内存在线性关系,所以测量介质膜电容的变化量即可得到油液的相对含水率。电容式油液水污染传感器的工作原理是基于两电极之间介质膜的介电常数εr仅仅随油液含水率的变化而变化,从而导致电容C的变化，避免了油液中添加剂、混油、衰化等其他因素产生的介电常数变化对油液含水率检测的交叉敏感度的影响。 1973年，芬兰维萨拉(Vaisala)的Santorn首次提出了高分子聚合物电容式湿敏原件的基本结构。该结构是在一基体上设置2个平板电容，通过共用上电极将其串

联起来。近年来，为了改善高分子聚合材料的稳定性，日本研究人员利用微机械技术制成了有叉指结构的薄电极电容，克服了高分子聚合膜的膨胀问题和元件性能的漂移问题。

但是，无论平板电容还是叉指电容结构，都存在着电容电磁场梯度变化不均匀，因此会使部分电场泄漏出高分子聚合物膜的空间范围。在高分子聚合物膜范围外，电容的变化就不仅与水分相关，还与液压油的基础油状态、添加剂状态甚至是油液中金属颗粒造成的油液介电常数变化都有关系。因此需要设计出一种新型的电容传感器结构，可以使电容传感器中电磁场梯度变化均匀，不会使电容的电场由于不连续而泄漏造成不准确。

前期的研究给出了具有任意结构形状的电容传感器的数学模型[9]：

由偏微分方程问题求电势分布函数V(x，y，z)在单一平面状态时难以得到解析解，因此需要利用数值方法得到可以在工程实际中应用的近似结果。引入有限元方法，化为等价的条件变分问题[10]:

通过仿真优化，采用了高绝缘常数材质、变曲率双螺旋结构，可使电容传感器电磁场梯度变化均匀，适合激励调制电容检测。实际优化参数为传感器线条连续变化曲率双螺旋结构，传感器如图1所示，线宽优选6.5 μm，间距6.5 μm，第n圈的圆半径为6.5 μm的n倍，每一圈圆和下一圈圆之间实现优选采用变曲率弧y=ax3线逐段连接线条，其中a为使连接点上满足弧的曲率等于圆的曲率。 当变曲率弧的线段的长短为随着弧长的变长，弧的曲率等于下一个n+1倍6.5 μm半径的弧的曲率。该传感器形状经试制实测了几种常见的液压油液，并与普通电容传感器、PI覆膜经典交叉指状传感器及绝对方法——卡尔费休实验室标准含水率检测方法结果进行了比较。如表1所示，对于各种常用的液压油液，PI覆膜变曲率双螺旋电容传感器重复性精度更高。

由于液压油的颗粒污染、水污染、温度等参数都需要在线检测，结合液压工程机械

设备的各种实际应用，设计了一套新型液压油颗粒污染、水污染和油液温度多参数、在线连续检测传感器。该检测传感器能检测油液的各种主要失效，能适应各种液压设备复杂的现场环境。

液压油在线连续检测多参数传感器系统框图如图2所示。

系统由密封防湿放水外壳和抗震及电磁兼容保护层进行保护，系统内部通过抗震电源进行供电。油液流过流通池，经光片区域检测颗粒污染，然后经过高动态减压阀使油液压力降低，然后流过含水检测传感器和油液温度传感器。DDS交流电桥驱动PI覆膜变曲率双螺旋油液含水率检测传感器进行检测，CPU根据油液颗粒污染度、温度和含水率信息综合判断送液晶显示和与计算机通信，同时也可根据人机交互键盘输入的指定报警信息进行实时报警。

液压油在线连续检测多参数传感器系统软件及算法程序流程如图3所示，整个程序是在FPGA和ARM-CPU中分部实现的。系统内部各部分都有对应检测功能或驱动功能程序，系统开始运行时先启动光电检测AD，得到原始遮光信号。通过FPGA实时运算解析出颗粒个数、颗粒尺寸和颗粒遮挡脉冲宽度信息并记录为历史数据，FPGA利用颗粒个数和颗粒尺寸及其历史信息跟据FARIMA[11]模型算法计算出预报颗粒分布，并根据颗粒分布和脉冲宽度信息加权平均提取出流速信息，CPU根据流速信息进行数据补偿计算颗粒污染度。DDS交流电桥驱动与PI覆膜变曲率双螺旋油液含水率检测传感器相连，CPU连接液晶显示和与计算机通信的硬件模组，CPU也连接人机交互键盘读取输入信息。 设计的传感器系统的关键参数如表2所示。

第三方CMA实验室——北京航科测润滑技术有限公司，采用该新型传感器对10#航空液压油含水率进行了检测，并比对了卡尔费休法的含水率检测结果，如表3所示。可见，卡尔费休法测试结果与新型传感器测试结果最大误差为1.3%。这表明，新型传感器含水率检测精度远远高于8%的国家油液含水率检测精度验收标

准，且高于同类产品3%的精度性能。

研究开发的传感器已经成功应用于多个行业，其中典型的包括飞机液压系统、工程机械、电厂、钢铁厂、海洋钻井及船舶行业等。表4为用户及第三方进行比对测试的数据。

采用聚酰亚胺水分子选择性覆膜和连续曲率双螺旋电容设计了一种液压油水污染新型传感器，通过第三方实验室测试和用户测试结果比对，可看出该新型传感器解决了液压油水污染在线检测存在的主要技术问题，含水率检测精度高。该新型传感器可以检测矿物油、合成油或磷酸脂油，既适合检测液压油也能检测润滑油、变压器油(绝缘油)、汽轮机油(透平油)、齿轮油、发动机油、航空煤油等，可广泛应用于航空航天、电力、石油、化工、交通、港口、冶金、机械、汽车制造等领域，为大型设备的主动维护提供了依据。

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