CN109059745A - 用于油膜厚度测量的电容传感器标定方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器标定技术领域，为实时测量油膜厚度值、将所得油膜厚度值与电容传感器所测电压值拟合得到标定曲线，本发明，用于油膜厚度测量的电容传感器标定方法和装置，在三层复合基板表层上敷设油膜，所述三层复合基板表层为可加热层，三层复合基板上提供电容传感器安装通孔，通孔内所安装需要标定的电容传感器探头端面与所述三层复合基板表层平齐，所敷设油膜在电容传感器探头上方或附近位置，将光纤传感器安装在三层复合基板的上方，使得光纤传感器探头正对电容传感器探头端面，在三层复合基板边缘安装气动装置。本发明主要应用于实时测量油膜厚度传感器标定场合。
Description
技术领域
本发明属于传感器标定技术领域，特别是一种用于油膜厚度测量的电容传感器标定领域。
背景技术
油膜厚度测量在机械工程领域中的摩阻测量，结构优化与改进，故障诊断，安全运行等方面具有重要作用。例如活塞环油膜厚度测量是内燃机摩擦学的重要内容[1-2]。推力轴承润滑油膜特征参数测试是推力轴承实验研究的主要内容[3]。大型风洞试验中为了得到飞行器壁面摩阻系数，可通过测量敷设在飞行器壁面的油膜厚度变化来间接得到飞行器壁面的摩阻系数，对改善飞行器表面局部流动，降低摩阻，飞行器减阻优化设计等具有重要意义[4-6]。自Lewicki于1955年首次提出利用电容法测量油膜厚度以来，电容测量方法在油膜厚度测量领域得到了极大的发展。精确地油膜厚度测量是研究分析目标的润滑特性，计算摩阻系数，机械结构优化等的关键，因此必须对测量油膜厚度的电容传感器进行精确标定，使其在油膜厚度测量过程中提供准确的测量结果。但对于测量微米量级油膜厚度的电容传感器标定方法，却鲜有相关记载的文献。通常会间接采取经过简化后的理论计算方法得到较为粗燥的油膜厚度标定曲线[7],或者直接将测量的油膜厚度电压值作为最终的结果数据[8-9]间接对研究内容展开分析，从而造成分析结果只能定性而难以定量。为实现测量微米量级油膜厚度的电容传感器标定，需要寻求一种精度更高，测试更准的测量方法为标定过程提供准确的油膜厚度值。1995年，Fercher等人首次提出傅立叶域基于光学相干层析成像技术(OCT)的概念[10]，经Leitgeb等人证明发现傅立叶域OCT的信噪比和灵敏度比时域OCT高出几个数量级。对基于光学相干层析成像技术的测试精度和测量范围，诸多文献都有阐述和研究[11-12]。文献[12]搭建的扫频OCT系统，轴向分辨率为12μm,空气中的成像深度为3.7mm，完全满足测量微米量级油膜厚度的电容传感器的标定需求。因此本发明提出引入光学相干层析成像技术，对用于测量微米量级油膜厚度的电容传感器进行标定。
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发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在：
(1)提出一种主动加热油膜的实验方法。
(2)提出一种可实时测量油膜温度的实验方法。
(3)提出一种主动控制油膜厚度变化的气动实验方法。
(4)提出一种可实时测量油膜厚度值的实验方法。
(5)提出多段拟合和整体拟合的曲线拟合方法，将所得油膜厚度值与电容传感器所测电压值拟合得到标定曲线。
为此，本发明采取的技术方案是，用于油膜厚度测量的电容传感器标定方法，在三层复合基板表层上敷设油膜，所述三层复合基板表层为可加热层，三层复合基板上提供电容传感器安装通孔，通孔内所安装需要标定的电容传感器探头端面与所述三层复合基板表层平齐，所敷设油膜在电容传感器探头上方或附近位置，将光纤传感器安装在三层复合基板的上方，使得光纤传感器探头正对电容传感器探头端面，在三层复合基板边缘安装气动装置，利用气动装置使得油膜厚度发生动态、连续变化；分别采用分段拟合和整段拟合方式，拟合电容传感器所测电压值和光纤传感器在不同温度、气动装置不同吹送条件下所测油膜厚度值，得到标定曲线。
进一步，将气动装置和三层复合基板加热控制线与相应的控制模块相连接，通过控制模块与计算机相连接，利用计算机控制气动力大小和加热温度速率，并进而控制实验油层温度的大小；
进一步，将电容传感器与相应的电容传感器驱动模块相连接，通过相应的信号调理模块、数据采集模块，将所测电压信号上传至计算机；
进一步，将光纤传感器与相应的光纤传感器驱动模块相连接，通过相应的信号调理模块，数据采集模块，将所测油膜厚度值上传至计算机；
进一步，将热电偶传感器与相应的热电偶传感器驱动模块相连接，通过相应信号调理模块、数据采集模块，将所测油膜温度值上传至计算机。
用于油膜厚度测量的电容传感器标定装置，包括：三层复合基板、电容传感器探头、光纤传感器及其支架、气动装置、三层复合基板表层上敷设油膜，所述三层复合基板表层为可加热层，三层复合基板上提供电容传感器安装通孔，通孔内所安装需要标定的电容传感器探头端面与所述三层复合基板表层平齐，所敷设油膜在电容传感器探头上方或附近位置，通过支架，光纤传感器安装在三层复合基板的上方，光纤传感器探头正对电容传感器探头端面，气动装置位于三层复合基板边缘，利用气动装置使得油膜厚度发生动态、连续变化。
电容传感器探头外壳加工有外螺纹，所述通孔内有内螺纹，电容传感器从三层复合基板背部拧入通孔且所述内、外螺纹啮合，拧入程度以传感器探头端面与基板面平齐为准。
本发明的特点及有益效果是：
(1)与理论计算获得标定曲线相比，通过采用光学相干层析成像技术，该标定方法可获得实际的油膜厚度值与相应的电容传感器电压值，通过拟合油膜厚度值和电容传感器电压值得到的标定曲线是包含了油膜层实际物理性质，实际环境温度条件下的标定结果，而理论计算在计算前就简化了油膜层的物理参数和相关环境参数，因此该实验方法获得的标定曲线更为准确。
(2)采用基于光学相干层析成像技术，该技术的测量精度相比电容法更高，完全满足准确测量微米量级油膜层厚度需求，所提供的实验数据可靠，精确，作为数据溯源基准，为得到更为完善的标定曲线提供了必要的技术条件。
(3)在获取准确标定曲线的前提下，将电容法应用于相关机械工程领域测量油膜时，可直接得到油膜厚度值，与采用定性的油膜厚度电容值进行数据分析相比，采用定量的油膜厚度值进行相关领域研究则更为直接和具体。
附图说明：
图1示出本发明用于油膜厚度测量的电容传感器标定方法整体方案图。
图2示出本发明中三层复合基板结构和传感器安装细节图。
图3示出本发明中标定曲线拟合时所采用的分段拟合和整段拟合示例。
图1中：1为实验平台；2为左支撑块；3为右支撑块；4为三层复合基板；5为电容传感器；6为电容传感器电缆线；7为电容传感器驱动模块、信号调理模块和数据采集模块集成；8为气动实验装置；9为气动实验装置电缆线；10为气动实验装置控制模块；11为光纤传感器支架；12为光纤传感器；13为光纤传感器电缆线；14为光纤传感器驱动模块、信号调理模块和数据采集模块集成；15为复合基板加热温度控制电缆；16为复合基板加热温度控制模块；17为热电偶传感器电缆线；18为热电偶传感器驱动模块、信号调理模块和数据采集模块集成；19为电路集成箱体；20为计算机主机箱；21为显示器。
图2中：22为三层复合基板基础层；23为三层复合基板中间层；24为三层复合基板加热层；25为被测油膜；26为热电偶传感器；27为热电偶传感器。
图3中：a为采取分段拟合方法对实验数据进行拟合的效果示例图；b为采取整段拟合方法对实验数据进行拟合的效果示例图。图中的电压值和油膜厚度值均为归一化后的实验结果。
具体实施方式
针对测量微米量级油膜厚度的电容传感器缺乏相应标定方法的问题，本发明主要解决的问题是：(1)模拟工程实际领域中油膜所处环境，提供一种可敷设油膜并可主动加热油膜的三层复合基板(2)为了得到不同油膜厚度对应的电容传感器所测电压值，在复合基板上提供电容传感器安装通孔。(3)为了实时得到被测油膜温度值，提出一种以复合极板安装通孔为中心，在中间层嵌入热电偶传感器的实验方法。(4)为了使得油膜厚度发生动态、连续变化，提供一种可主动控制油膜厚度变化的气动实验装置。(5)为了得到油膜厚度的动态、连续变化值，基于光学相干层析成像技术，将光纤传感器探头垂直对准复合极板上的油膜，实时测量油膜厚度变化值，因此提供了相应的传感器支架和夹具。(6)为了得到准确的标定曲线，分别采用分段拟合和整段拟合方式，拟合电容传感器所测电压值和光纤传感器所测油膜厚度值，得到标定曲线。
本发明是这样实现的：
用于油膜厚度测量的电容传感器标定方法，在复合极板提供的安装孔位置，安装需要标定的电容传感器,使得电容传感器探头端面与复合极板面平齐。用于标定的电容传感器为当前工程测量中技术成熟的电容传感器，该类传感器可将测量的油膜厚度变化量转化为电路中的变化电压值。
进一步，利用预先提供的支架和夹具，将光纤传感器安装在复合极板面的上方，使得光纤传感器探头正对电容传感器探头端面，但两者之间要保持一定距离。所使用的光纤传感器通过接受被测油膜反射的光强程度，并通过相关电路处理，最终计算出油膜厚度值。
进一步，将气动控制装置和复合加热极板控制线与相应的控制模块相连接，通过控制模块与计算机相连接，可利用计算机控制气动力大小和加热温度速率，并进而控制实验油层温度的大小。
进一步，将电容传感器与相应的电容传感器驱动模块相连接，通过信号调理模块，数据采集模块等，将所测电压信号上传至计算机。
进一步，将光纤传感器与相应的光纤传感器驱动模块相连接，通过信号调理模块，数据采集模块等，将所测油膜厚度值上传至计算机。
进一步，将热电偶传感器与相应的热电偶传感器驱动模块相连接，通过信号调理模块，数据采集模块等，将所测油膜温度值上传至计算机。
进一步，在复合基板上敷设一层油膜，并通过计算机控制复合极板加热油膜层，通过热电偶传输至计算机的温度值，观测被测油膜温度，当达到预定实验温度时，停止加热。
进一步，通过计算机启动气动实验装置，在复合极板表面形成流场，通过控制流场强度的大小来控制复合极板油膜厚度的动态变化。
进一步，实时保存电容传感器回传至计算机的电压值和光纤传感器回传至计算机的油膜厚度值。
进一步，测量完毕后，采用曲线拟合技术，对保存的电压值和油膜厚度值进行拟合，得到标定曲线。
本发明具有下述优点：(1)克服了简化理论计算获得标定曲线不准确性的缺点，实现了油膜厚度实验标定的目的(2)三层复合基板为敷设不同种类油膜提供了载体，可在不同种类滑油形成的油膜厚度下，对电容传感器进行标定。(3)三层复合基板的加热功能，使得标定过程可在不同的初始温度下进行，进而可获得不同温度对应下的电容传感器标定曲线。(4)计算机控置的气动实验装置，可主动控制油膜层变化速率，因此可获得不同油膜层变化速率下的电容传感器标定曲线。(5)基于光学相干层析成像技术，保证了微米量级的油膜层厚度可被实时准确测量，为进一步准确获得电容传感器的标定曲线提供了技术保障。(6)根据实测数据，可采用分段拟合或整体拟合方式，多样的拟合方式，为适应非线性下的数据关系，得到更为准确的电容传感器的标定曲线提供了保障。
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
第一步：安装电容传感器
本发明中提到的5电容传感器与4复合基板安装孔为螺纹配合，螺纹配合保证了在标定数据测试过程中，传感器的整体稳定性，可消除传感器因振动引入的测试误差。在电容传感器探头外壳加工外螺纹，复合基板安装孔加工内螺纹，且传感器探头外螺纹与复合基板的内螺纹加工都应该保证不会对传感器性能和基板功能造成影响。将5电容传感器从4基板背部拧入，拧入程度以传感器探头端面与基板面平齐为准。
第二步：安装光纤传感器
本发明中提到的12光纤传感器是用于测量5电容传感器探头端面上方油膜厚度。因此在安装光纤传感器时，必须保证12光纤传感器探头正对5电容传感器探头。为了保证12光纤传感器探头与5电容传感器探头正对，要求11光纤传感器支架具有水平方向距离可调功能。另外为了保证测量效果，应该在实验开始时，调整12光纤传感器探头与5电容传感器探头之间的距离，在不同距离下观察测试效果，找到最佳测试距离。为了保证12光纤传感器探头与5电容传感器探头之间的距离可调，要求11光纤传感器支架具有垂直方向距离可调功能。
将12光纤传感器安装在11光纤传感器支架上，调节11光纤传感器支架的水平位移和垂直位移，确保12光纤传感器探头与5电容传感器探头正对，且两探头竖直方向处于一个合适的距离范围内。
第三步：调节气动实验装置
本发明中提到的8气动实验装置为主动控制油膜厚度提供了气动力源。气动力流动方向对控制油膜厚度效果起到了至关重要的作用。在标定实验开始前，必须确保气动力流向与4复合基板平面平行。
调整8气动实验装置的喷口方向，确保喷口轴线方向与4复合基板平面平行。
第四步：连接电缆线
依次将6电容传感器电缆线与7电容传感器驱动模块、信号调理模块和数据采集模块集成相连接；将9气动实验装置电缆线与10气动实验装置控制模块相连接；将13光纤传感器电缆线与14光纤传感器驱动模块、信号调理模块和数据采集模块集成相连接；将15复合基板加热温度控制电缆与16复合基板加热温度控制模块相连接；将17热电偶传感器电缆线与18热电偶传感器驱动模块、信号调理模块和数据采集模块集成相连接；将19电路集成箱体与20计算机主机箱相连接；将21显示器与20计算机主机箱相连接。
第五步：敷设油膜
因为本发明针对油膜层厚度处于微米量级时电容传感器的标定，因此在4复合基板表面敷设油膜时，可选择在5电容传感器探头区域附近，采取滴液的方式，使油滴处于传感器探头端面正上方及附近；也可以选择在4复合基板整个表面敷设一层油膜；然后通过第六步形成薄油膜层。
选择将要测量的滑油，将适量的油滴放置在4电容传感器探头区域附近。或者在4复合基板整个表面敷设一层油膜。
第六步：开始实验
此部分包含以下步骤。
(1)首先在第五步的基础上，通过计算机启动8气动实验装置，然后通过计算机控制8气动实验装置的气流大小，直至4复合基板表面的油膜层趋于均匀并处于测量范围内；
(2)然后通过计算机启动24复合基板加热层，并通过计算机控制24复合基板加热层加热速率，并通过26和27热电偶传感器传回至计算机的温度数据观测油膜温度值，一旦4复合基板表面的油膜温度达到实验人员要求的温度后，停止24复合基板加热层的加热功能。
(3)打开计算机实时采集和存储数据功能，给5电容传感器和12光纤传感器供电，开启8气动实验装置，开始实验。
第七步：数据处理
实验结束后，即可对计算机储存的油膜厚度值和对应的电压值进行拟合，绘制标定曲线。并且在实验过程中根据26和27热电偶传感器实时传回至计算机的温度数据，可对标定曲线中的点，标记出相应温度值。接下来主要描述根据油膜厚度值和对应的电压值采取分段拟合和整段拟合的方式，得出标定曲线的过程。
如果采用分段拟合方式对监测的实验数据进行拟合，则需要根据所测得的实验结果，确定分段界限，可将整个实验过程的实验点分为两段或多段，图3a展出的是将实验结果分成了两段。然后分别对第一段实验数据和第二段实验数据进行曲线拟合。如果采用整段拟合的方式，则不需要分段，选择整个实验数据作为拟合数据即可。在实际操作中，实验人员可对两种拟合方式都进行尝试，最终根据拟合效果来决定选用合适的拟合方式。本发明中，以采用多项式拟合方法为例，图3a采用3阶多项式分别对第1段数据和第2段数据进行拟合，拟合效果良好，图3b采用3阶多项式对整体实验数据进行拟合，与分段拟合结果相比，拟合程度较低，拟合效果较差。
Claims (4)
1.一种用于油膜厚度测量的电容传感器标定方法，其特征是，在三层复合基板表层上敷设油膜，所述三层复合基板表层为可加热层，三层复合基板上提供电容传感器安装通孔，通孔内所安装需要标定的电容传感器探头端面与所述三层复合基板表层平齐，所敷设油膜在电容传感器探头上方或附近位置，将光纤传感器安装在三层复合基板的上方，使得光纤传感器探头正对电容传感器探头端面，在三层复合基板边缘安装气动装置，利用气动装置使得油膜厚度发生动态、连续变化；分别采用分段拟合和整段拟合方式，拟合电容传感器所测电压值和光纤传感器在不同温度、气动装置不同吹送条件下所测油膜厚度值，得到标定曲线。
2.如权利要求1所述的用于油膜厚度测量的电容传感器标定方法，其特征是，进一步，将气动装置和三层复合基板加热控制线与相应的控制模块相连接，通过控制模块与计算机相连接，利用计算机控制气动力大小和加热温度速率，并进而控制实验油层温度的大小；
进一步，将电容传感器与相应的电容传感器驱动模块相连接，通过相应的信号调理模块、数据采集模块，将所测电压信号上传至计算机；
进一步，将光纤传感器与相应的光纤传感器驱动模块相连接，通过相应的信号调理模块，数据采集模块，将所测油膜厚度值上传至计算机；
进一步，将热电偶传感器与相应的热电偶传感器驱动模块相连接，通过相应信号调理模块、数据采集模块，将所测油膜温度值上传至计算机。
3.一种用于油膜厚度测量的电容传感器标定装置，其特征是，包括：三层复合基板、电容传感器探头、光纤传感器及其支架、气动装置、三层复合基板表层上敷设油膜，所述三层复合基板表层为可加热层，三层复合基板上提供电容传感器安装通孔，通孔内所安装需要标定的电容传感器探头端面与所述三层复合基板表层平齐，所敷设油膜在电容传感器探头上方或附近位置，通过支架，光纤传感器安装在三层复合基板的上方，光纤传感器探头正对电容传感器探头端面，气动装置位于三层复合基板边缘，利用气动装置使得油膜厚度发生动态、连续变化。
4.如权利要求3所述的用于油膜厚度测量的电容传感器标定装置，其特征是，电容传感器探头外壳加工有外螺纹，所述通孔内有内螺纹，电容传感器从三层复合基板背部拧入通孔且所述内、外螺纹啮合，拧入程度以传感器探头端面与基板面平齐为准。
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