采用柱形极板的电容式油液检测传感器

史皓天，张洪朋，曾 霖，孙广涛

(大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026)

0 引言

对机械设备而言，液压系统是保证其安全运行和工作效率的重要组成部分，需要保持正常的工作状态。液压油作为液压系统中的能量传递介质、磨擦副润滑剂和冷却剂，其性能直接影响到液压系统能否正常工作。资料显示，70%～80%的液压系统故障是由于液压油的污染造成的[1-2]。

液压油中的污染物主要为固体颗粒、水分和气泡[3]。其中水分会加速液压油氧化和添加剂降解，并会使油液乳化，降低其润滑性能，腐蚀液压元器件[4]。空气会诱发气穴、气蚀现象，导致液压系统产生振动和噪声，同时还会引起油温升高，加速氧化[5]。液压油中的污染物尺寸和浓度包含机械设备工作状态的重要信息，因此对液压油检测对于设备的故障诊断具有重要意义[6]。

现有的液压油污染物快速检测方法[7]主要包括光学法、声学法、电感法和电容法。光学检测法[8]具有检测灵敏度高、速度快的特点，但其无法检测油液中的气泡。声学检测法[9-11]检测精度较低，易受背景噪声和油温波动的干扰，并且超声波会将颗粒物分成更小的颗粒，造成油液的二次污染。电感法[12-13]可以区分铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒，但其检测精度有限，无法检测非金属颗粒。电容法[14-15]检测精度高，可以区分检测液压油中的气泡。随着微流控技术在油液检测中的应用[16-19]，有效缩短了油液中颗粒物与传感器检测元件的距离，从而极大地提高了检测精度。

本文将柱形极板电容器应用于微流控油液检测中，设计了一种可用来对液压油中的水滴和气泡进行区分的检测装置。水和空气通过该检测芯片的检测区域时，会改变两电极间介质的介电常数，产生相应电容脉冲信号，脉冲信号的方向表征了污染物的类型，脉冲信号的幅值说明了污染物的尺寸大小，脉冲个数即为污染物的数量，继而可实现对液压油中所含水和气泡两类污染物的检测。

1 传感器设计及理论分析

1.1 电容式传感器设计

电容式传感器设计如图1所示。该传感器主要包括检测流道、玻璃基片、PDMS基体和检测区域。流道中心由一直径300 μm的铝棒填充，形成外径800 μm、内径300 μm的环状通道，并在基体上设有油液入口和出口；检测区域是由一铜环和填充在流道内的铝棒组成的柱形极板电容器。

图1 电容式传感器设计

1.2 检测原理

电容式传感器的等效电路如图2所示。RP为并联损耗电阻，RS为串联损耗电阻，L为电容器及其外部引线电感[20]。忽略RP和RS，电容传感器在检测时的等效电容变化量ΔCe为

(1)

式中：ΔC为电容变化量；ω为外部激励电压的角频率。

图2 电容式传感器的等效电路图

图3为使用芯片检测区域的电容器示意图。该圆柱极板电容器的极板高度h为70 μm、内极板半径r为150 μm、外极板半径R为400 μm、两极板之间的距离d为250 μm，且R=r+d。根据圆柱极板电容器的计算公式，忽略边缘效应影响时，其电容值C为

(2)

由式(2)可知，电容值不仅与h、r和R等柱形电容器的几何参数有关，还取决于两电容极板间介质的介电常数ε。

图3 检测区域电容器

当颗粒物流经电容传感器检测区域时，会排挤出等体积的液压油，从而导致两电极间介质的介电常数的变化，为此引入了复介电常数[21-22]：

(3)

式中：σ为介质的电导率；j2=-1。

根据麦克斯韦方程组，检测区域内液压油混合物的复介电常数为

(4)

式中Φ为体积分数。

(5)

式中：Vp为颗粒体积；Vd为检测区域体积。

(6)

将式(5)、式(6)代入式(4)中可得油液混合物的复介电常数为

(7)

则圆柱极板电容器电容的变化量ΔC为

(8)

将式(8)代入式(1)中，即可得电容传感器在检测时的等效电容变化量ΔCe。

(9)

由式(7)、式(9)可知，当芯片和激励电压确定后，颗粒体积Vp越大时，油液混合物的复介电常数就越大，电容变化值也就越大，从而电容变化量的大小表征了颗粒物的尺寸。

当水颗粒通过检测区域时，由于其介电常数为80，大于液压油的介电常数(约为2.6)，使输出的电容值增大，产生正向的脉冲信号。当气泡通过检测区域时，由于空气的介电常数约为1，小于液压油的介电常数，使输出的电容值减小，产生负向的脉冲信号。通过对脉冲信号方向的判断，可以实现对水颗粒和气泡的区分检测。

2 实验介绍

2.1 电容式传感器制作

实验所用微流控芯片采用模塑法加工制得，传感器的制作过程如图4所示。

图4 电容式检测芯片制作过程

首先将厚度70 μm、内径800 μm的铜环套在直径800 μm的铜棒上，并将铜环的出线端焊接在玻璃基片上；然后配制15 g的PDMS胶，抽真空后将其浇筑在玻璃基片上，并放入干燥箱中烘烤固化1 h；接着将固化好的PDMS胶中的铜棒抽出，并用打孔器在芯片上钻出油液入口和出口；最后向流道正中心插入直径300 μm的铝线并用橡胶管固定，形成一环状检测流道。至此，传感器制作完成。

2.2 检测系统的搭建

图5 检测系统

微量注射泵用来驱动液压油，使其定速通过检测芯片；电容式检测芯片用来检测油液中的颗粒物；显微镜可实时观察芯片的检测状况；阻抗分析仪既能为芯片施加激励，又能够测取信号，并将数据传输到计算机；LabVIEW 软件可显示和保存采集到的信号，经MATLAB软件对数据进行处理分析，实现对所检测到的颗粒物的统计。

2.3 油液样品制备

本实验中，采用电子天平、振动器、超声波振荡器等设备来制备实验所需液压油样品。

为制取含200～220 μm气泡的油液，可直接将990 μL液压油装入容量为1 mL的塑料管中密封(此时管中已含有10 μL的空气)，并将塑料管置于振动器中振动1 min，再用超声波振荡器振荡2.5 min即可。与上述方法类似，将5 μL的空气和995 μL的液压油密封在塑料管中，在振动器上振动1.5 min，再用超声波振荡器振荡5 min，就能产生110～130 μm的气泡。

为制备实验所需50～60 μm的水滴，首先将5 μL蒸馏水和995 μL液压油装入容量为1 mL的塑料密封管中，将密封管放置在振动器上振动3 min后用超声波振荡器振荡6 min即可。在制备含铁颗粒的液压油样品时，可使用电子天平称取5 mg粒径为20 μm左右的铁颗粒，将其混入100 mL液压油中，并充分振荡，防止铁颗粒沉淀在塑料管底部。

3 结果分析

3.1 激励电压幅值对电容检测的影响

在实验中发现，激励电压幅值对检测分辨率有一定的影响。为此对于含有粒径200～220 μm气泡的液压油样品，保证其他参数一致，微量注射泵驱动流量设为300 μL / min，激励电压频率保持0.3 MHz,激励电压幅值设定区间为0.5～2 V(阻抗分析仪可施加的激励电压幅值最高为2 V)，激励电压激励频率每增加0.5 V进行一次测量实验。分别摘取电压幅值为1 V和2 V时的检测信号片段，如图6所示。并且对各种情况下检测信号的本底噪声、平均信号幅值以及信噪比进行了计算统计，如表1所示。

(a)激励电压幅值为1 V

(b)激励电压幅值为2 V图6 200～220 μm气泡检测输出信号

激励电压幅值/V本底噪声/10-16F平均幅值/10-15F信噪比0.59.7614.381.272.901.53.151.083.4322.460.923.74

由图6和表1可知，随着激励电压幅值由0.5 V递增至2 V，所测得的信号本底噪声呈降低态势；激励电压幅值为0.5 V时并无明显信号幅值，而激励电压从1 V至2 V变化时，信号平均幅值逐渐降低；激励电压幅值为2 V时所得信号的信噪比最大，相比1 V时的信噪比增幅量达28.97%，考虑到信号幅值会随颗粒物尺寸的减小而降低，因此具有更高的信噪比有助于提高检测精度，故实验激励电压幅值选用2 V较合理。

3.2 水颗粒和气泡的区分检测

将阻抗分析仪的激励电压设置为2 V，频率设为0.3 MHz，并将微量注射泵的流量设为300 μL/ min，分别对含有50～60 μm水颗粒的液压油样品和含有110～130 μm气泡的液压油样品进行了检测，并摘取部分检测信号片段，如图7、图8所示。

图8 110～130 μm气泡检测输出信号

从图7、图8可以看出，水滴和气泡引起传感器电容变化的方向是相反的，这与检测原理一致，从而可以实现对水滴和气泡的区分检测。同时通过电容检测结果可以看出，虽然水滴的粒径比气泡的粒径小，但其产生的脉冲信号幅值却大于气泡所得脉冲幅值，这是由于水与液压油介电常数的差值为77.4，而空气和油液的介电常数差值仅为1.6，从而使得电容检测对水滴更灵敏。

㉑刘玉东:《社区概念在中国语境下的实质内涵》，《江西师范大学学报》(哲学社会科学版)2011年第3期。

实验中，由于颗粒物通过检测区域时，其径向分布位置是不同的(同一颗粒位于两极板边缘时电容变化量最大，位于两极板中央时电容变化量较小[23])，同时考虑到颗粒物的粒径也在一定范围内变化，因而导致产生的脉冲幅值会在一定范围内有所波动。

实际情况下，液压油中含有少量机械内部摩擦产生的金属磨损颗粒，正常磨损时，油液中的金属颗粒物的尺寸通常是10～20 μm[13]，为此选用了含有粒径20 μm铁颗粒的液压油样品来研究油液中微小金属颗粒对检测结果的影响。仍将阻抗分析仪的激励电压设置为2 V，频率为0.3 MHz，微量注射泵的流量设为300 μL/ min。摘取部分铁颗粒的检测信号片段如图9所示。

图9 20 μm铁颗粒检测输出信号

该信号图中并无脉冲信号的出现，这是因为当粒径20 μm的铁颗粒通过检测区域时，由于其体积太小，因而对极板间介质介电常数的改变量极其微小，所产生的电容增加值被噪声所覆盖，即可认为液压油中含有的微量金属颗粒对水滴和气泡的区分检测并无明显影响。

4 结论

本文设计了一种电容式液压油传感器，该传感器将铝棒固定在检测流道中心，从而和流道旁的铜环组成了一柱形极板电容器。通过搭建检测系统进行实验，研究了激励电压幅值对电容检测的影响，实验表明当电压幅值从0.5 V递增至2 V，所测得的信号幅值以及信号本底噪声都逐渐降低,然而激励电压幅值为2 V时具有更高的信噪比，因而选用2 V的激励电压幅值可以提高传感器检测精度。该电容式传感器实现了对液压油中50 μm水滴和110 μm气泡的区分检测及计数，且其对于水滴检测更灵敏，这是由水滴和气泡两者的介电常数差异造成的。本文提出的电容式油液检测传感器基于微流控技术，具有体积小、检测精度高的优点，对液压油液中水分和空气快速检测提供了技术支持，从而达到液压系统的故障预防和延长液压设备工作寿命的目的。