CN108317946B - 一种润滑油膜厚度的电容测量装置及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种润滑油膜厚度的电容测量装置及其测试方法，利用电容测量装置测量摩擦副系统工作时摩擦副之间的电容量，通过数据处理系统计算润滑油膜的厚度。电容测量装置包括主电源箱、三线电缆、BNT同轴连接器、补偿箱、主控系统。主控系统中包括：参照电容控制器、滤波器、PCT控制器、数据处理系统；经数据处理系统输出受试摩擦副形成的电压，然后推导出被测脂膜厚度所对应的电容，最终计算出受试摩擦副润滑油膜厚度；本发明所述的油膜厚度电容测量装置在利用测量摩擦副之间的电容的同时，降低了制造成本，适用于无损检测各类摩擦副的实时润滑情况。

Description

一种润滑油膜厚度的电容测量装置及其测试方法
技术领域
本发明公开了一种润滑油膜厚度的电容测量装置及其测试方法，属于电容检测的技术领域。
背景技术
弹流润滑油膜厚度是表征润滑状态的重要标志之一，决定着机械零件工作表面间的润滑状态，因而往往是弹流摩擦学研究中首先考虑的问题。油膜厚度是保证摩擦副可靠、稳定工作的最主要参数，为了保证轴承处于液体动力润滑状态，必须满足最小油膜度处大于轴承两表面高峰不平度的和，否则将出现接触摩擦，甚至会损害部件。因此，摩擦副之间润滑油膜厚度的测量，是对摩擦副运行状态进行诊断的关键技术，也是检测难度最大的参数。弹流润滑油膜厚度值一般处于微米级别，采用直接测量方式比较困难。电容测试法是一种比较成熟的技术，是润滑油膜测试技术中积累数据最多、使用经验最为丰富的方法，是一种公认的有效检测油膜厚度的方法。其原理是通过测量两物体之间的电容值来判断油膜厚度。如果已知润滑油的介电常数，根据油膜的电容值随油膜厚度增加而降低的变化关系，可相当准确地计算出油膜厚度。电容测试法是一种定量测量油膜厚度的简便方法，测量的油膜电容值的数值在皮法与微法量级。
发明内容
本发明目的在于提供一种简便可行的摩擦副间润滑油膜厚度测试装置及方法，结合电容测量技术，能够用于检测并获取实际工况中摩擦副润滑油膜厚度的信息。
为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种油膜厚度的电容测量装置，包括一个与受试摩擦副相连的补偿箱，所述补偿箱通过一条三线电缆和BNT同轴连接器与主控系统连接，通过所述主控系统中参照电容控制器将所述受试摩擦副电压传输至滤波器，受试摩擦副电压信号经所述滤波器分别传输给PCT控制器以及数据处理系统，经过所述数据处理系统转化为所述受试摩擦副的电容，最终通过公式计算出受试摩擦副之间的润滑油膜厚度，所述参照电容控制器、滤波器以及PCT控制器由主电源箱供电。
优选的，所述补偿箱中包含有8个并行排列的电容，用来补偿连接电缆引线的电感，减少电缆本身对测量的影响，受试摩擦副电压信号经补偿箱处理后传输至参照电容控制器。
优选的，所述参照电容控制器拥有3个电容选项(100pF，1nF，10nF)，可产生不同的参照电压Vr，进而利用参照电压与受试摩擦副电压Vt进行对比，经PCT控制器处理后得出PCT值，受试摩擦副电压信号经过参照电容控制器处理后传输至滤波器。
优选的，所述滤波器为一个低通滤波器，拥有5个截止频率选项：3、10、30、100KHz以及全通，低于滤波器选定截止频率的受试摩擦副电压信号将被传输至PCT控制器进行处理。
优选的，所述PCT控制器处理由滤波器传输的PCT信号，得出PCT电压值Vp。
优选的，所述主电源箱可进行外接电源或者充电电池供电。主电源箱中配有电源适配器，可适应99-255V的外接电源；充电电池为12V锂电池，闲置时可使用主电源箱中充电器进行充电。
一种采用前述装置实现润滑油膜的电容测试方法，包括下述步骤：
(1)对系统进行校准调试：将电容测试装置与样品电容(电容值Cs＝400nF)连接，开启补偿箱、参照电容控制器和滤波器电源，将参照电容值(Cr)设定为10nF，并将滤波器调至3KHz。
(2)受试电容器连接系统后的输出电压Vt可根据公式计算，式中受试电容值Ct＝样品电容值Cs＝400nF，Vmax为系统最大输出电压＝10V，参照电容Cr＝10nF。
(3)根据需要，逐个连接补偿箱中的电容，直到数据处理系统显示的输出电压等于第(2)步中计算出的输出电压Vt。因这几个电容为并联，补偿总电容即为所连接电容的和值。至此，校准调试步骤完成。校准完成后，受试摩擦副输出电压等于第(2)步中公式所计算出的输出电压Vt。
(4)进行摩擦副电容测试：用电缆将受试摩擦副表面测点位置与补偿箱连接起来，并将摩擦副表面测点与电缆连接处用环氧树脂封装，避免信号受外部干扰。
(5)调试参照电容控制器中参照电容值：从可选的三个参照电容值中的10nF开始选择，如输出电压值Vt大于5V，则选用1nF；如输出电压值Vt任然大于5V，则选用100pF。
(6)调节滤波器：依次选择通滤波器的5个截止频率对输出信号消噪，选择输出信号噪声信号最小的截止频率。
(7)上述步骤正确完成后，PCT控制器输出值Vp即受试摩擦副在某一段单位测试时间内出现干摩擦(油膜厚度为0)的比例。
(8)经数据处理系统输出的电压值Vt即为受试摩擦副电容形成的电压，然后可根据公式Vt＝Vmax×Cr÷(Cr+Ct)可计算出被测脂膜厚度所对应的电容Ct。
(9)根据公式
Figure BDA0001612524820000041
可以计算出膜厚值d，式中εr为材料相对静态介电常数，对于真空来说，其值为1，ε0为真空节点常数值(8.854×10-12Fm-1)，A为摩擦副重合面积。
本发明与现有技术相比，具有以下优点与突出效果：
本发明采用电容测量技术可以有效获得摩擦副接触点处油膜厚度，从而为摩擦副的摩擦学特性研究创造条件。该方法能够检测实际工况下摩擦副间润滑状况，有利于及时发现局部润滑失效甚或碰磨情况。
附图说明
图1为本发明装置的示意图；
图2为主电源箱示意图；
图3为润滑油膜厚度的电容测量装置详细结构图；
图4为通过本装置与方法获取的不同电容值的摩擦副输出电压Vt随着参照电容值变化的部分趋势图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。本说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。
如图1所示，一种润滑油膜厚度的电容测量装置包括：主电源箱、三线电缆、BNT同轴连接器、补偿箱、主控系统。主控系统中包括：参照电容控制器、滤波器、PCT控制器、数据处理系统。经数据处理系统输出受试摩擦副形成的电压，然后推导出被测脂膜厚度所对应的电容，最终计算出受试摩擦副润滑油膜厚度。
主电源箱基本结构如图2所示。主电源箱可进行外接电源或者充电电池供电。主电源箱中配有电源适配器，可适应99-255V的外接电源；充电电池为12V锂电池，闲置时可使用主电源箱中充电器进行充电。两种电源供给方式可实现不同场所的应用。主电源箱给参照电容控制器、滤波器以及PCT控制器供电。
润滑油膜厚度的电容测量装置详细结构如图3所示。受试摩擦副电压信号经过补偿箱调整后，经过三线电缆以及BNT同轴连接器传输至主控箱；信号经过主控箱中参照电容控制器处理后传输至滤波器，信号经过滤波器降噪后同时传输至数据处理系统与PCT控制器；最终由数据处理系统输出受试摩擦副电压数值以及PCT电压数值。受试摩擦副电压数值经过计算后可转化为受试摩擦副润滑油膜厚度；PCT电压数值可反映受试摩擦副在某一段单位测试时间内出现干摩擦(油膜厚度为0)的比例。
上述的润滑油膜厚度的电容测量方法具体包含以下步骤：
(1)对系统进行校准调试。
具体调试过程包括：将电容测试装置与样品电容(电容值Cs＝400nF)连接，开启补偿箱、参照电容控制器和滤波器电源，将参照电容值(Cr)设定为10nF，并将滤波器调至3KHz；受试电容器连接系统后的输出电压Vt可根据公式Vt＝Vmax×Cr÷(Cr+Ct)计算，式中受试电容值Ct＝样品电容值Cs＝400nF，Vmax为系统最大输出电压＝10V，参照电容Cr＝10nF；根据需要，逐个连接补偿箱中的电容，直到数据处理系统显示的输出电压等于计算出的输出电压Vt。因这几个电容为并联，补偿总电容即为所连接电容的和值。至此，校准调试步骤完成。校准完成后，受试摩擦副输出电压等于计算出的输出电压Vt；
(2)进行摩擦副电容测试。
具体测试过程包括：用电缆将受试摩擦副表面测点位置与补偿箱连接起来，并将摩擦副表面测点与电缆连接处用环氧树脂封装，避免信号受外部干扰；调试参照电容控制器中参照电容值：从可选的三个参照电容值中的10nF开始选择，如输出电压值Vt大于5V，则选用1nF，如输出电压值Vt任然大于5V，则选用100pF；依次选择通滤波器的5个截止频率对输出信号消噪，选择输出信号噪声信号最小的截止频率；上述步骤正确完成后，PCT控制器输出值Vp即受试摩擦副在某一段单位测试时间内出现干摩擦(油膜厚度为0)的比例；经数据处理系统输出的电压值Vt即为受试摩擦副电容形成的电压
(3)获取测点膜厚数值
本发明优选实施例的膜厚数值小于100微米，选用数据处理系统输出的被测摩擦副电压值，然后可根据公式Vt＝Vmax×Cr÷(Cr+Ct)可计算出被测脂膜厚度所对应的电容Ct。再根据公式
Figure BDA0001612524820000061
可以计算出膜厚值d，式中εr为材料相对静态介电常数，对于真空来说，其值为1，ε0为真空节点常数值(8.854×10-12Fm-1)，A为摩擦副重合面积。数据处理系统为荷兰SKF公司生产的Lubcheck系统。
图4为通过本装置与测试方法获取的不同电容值的摩擦副输出电压Vt随着参照电容值变化的部分趋势图。通过整合试样表面形貌信息、接触区油膜载荷信息等，可以藉此研究摩擦副在各种因素影响下的油膜厚度变化特性。

Claims (6)

1.一种润滑油膜厚度的电容测量装置，其特征在于，包括一个与受试摩擦副相连的补偿箱，补偿箱通过一条三线电缆和BNT同轴连接器与主控系统连接，通过主控系统中参照电容控制器将受试摩擦副电压传输至滤波器，受试摩擦副电压信号分别传输给PCT控制器以及数据处理系统，经过数据处理系统转化为受试摩擦副的电容，最终通过公式计算出受试摩擦副之间的润滑油膜厚度，参照电容控制器、滤波器以及PCT控制器由主电源箱供电；
所述的补偿箱包含有8个并行排列的电容，用来补偿连接电缆引线的电感，减少电缆本身对测量的影响，受试摩擦副电压信号经补偿箱处理后传输至参照电容控制器；所述参照电容控制器拥有的3个电容选项，分别为100pF、 1nF及10nF，所述参照电容控制器利用3个电容选项产生不同的参照电压Vr，进而利用参照电压与受试摩擦副电压Vt进行对比，经PCT控制器处理后得出PCT值，PCT值反映的是在1秒测试时间内，受试摩擦副电压值Vt大于参照电压Vr的时间，受试摩擦副电压信号经过参照电容控制器处理后传输至滤波器。
2.根据权利要求1所述的润滑油膜厚度的电容测量装置，其特征在于，所述滤波器为一个低通滤波器，拥有5个截止频率选项：3、10、30、100KHz以及全通，低于滤波器选定截止频率的受试摩擦副电压信号将被传输至PCT控制器进行处理。
3.根据权利要求2所述的润滑油膜厚度的电容测量装置，其特征在于，所述的PCT控制器处理由滤波器传输的PCT信号，经过处理后得出PCT电压值Vp，该电压值在实际应用中反映的是受试摩擦副在某一段单位测试时间内出现干摩擦的比例。
4.根据权利要求1所述的润滑油膜厚度的电容测量装置，其特征在于，所述的主电源箱为外接电源；主电源箱中配有电源适配器，可适应99-255V的外接电源。
5.根据权利要求1所述的润滑油膜厚度的电容测量装置，其特征在于，所述的主电源箱通过充电电池供电；充电电池为12V锂电池，通过主电源箱中的充电器进行充电。
6.一种润滑油膜厚度的电容测试方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任一项所述的润滑油膜厚度的电容测试装置实现，包括以下步骤：(1)对系统进行校准调试：将电容测试装置与样品电容（电容值Cs=400nF）连接，开启补偿箱、参照电容控制器和滤波器电源，将参照电容值（Cr）设定为10nF，并将滤波器调至3KHz；
(2)受试电容器连接系统后的输出电压Vt可根据公式计算，式中受试电容值Ct=样品电容值Cs=400nF，Vmax为系统最大输出电压=10V，参照电容Cr =10nF；
(3)根据需要，逐个连接补偿箱中的电容，直到数据处理系统显示的输出电压等于第（2）步中计算出的输出电压Vt，因这几个电容为并联，补偿总电容即为所连接电容的和值，至此，校准调试步骤完成，校准完成后，受试摩擦副输出电压等于第（2）步中公式所计算出的输出电压Vt；
(4)进行摩擦副电容测试：用电缆将受试摩擦副表面测点位置与补偿箱连接起来，并将摩擦副表面测点与电缆连接处用环氧树脂封装，避免信号受外部干扰；
(5)调试参照电容控制器中参照电容值：从可选的三个参照电容值中的10nF开始选择，如输出电压值Vt大于5V，则选用1nF；如输出电压值Vt仍然大于5V，则选用100pF；
(6)调节滤波器：依次选择通滤波器的5个截止频率对输出信号消噪，选择输出信号噪声信号最小的截止频率；
(7)上述步骤正确完成后，PCT控制器输出值Vp即受试摩擦副在某一段单位测试时间内出现干摩擦，即油膜厚度为0的比例；
(8)经数据处理系统输出的电压值Vt即为受试摩擦副电容形成的电压，然后可根据公式Vt=Vmax×Cγ÷（Cγ+Ct）可计算出被测脂膜厚度所对应的电容Ct；
(9)根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
可以计算出膜厚值d，式中
Figure 680355DEST_PATH_IMAGE002
为材料相对静态介电常数，对于真空来说，其值为1，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为真空节点常数值8.854×10-12，A为摩擦副重合面积。
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