CN109959587B - 同轴电容传感器及发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机滑油监测领域，特别涉及一种同轴电容传感器及发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法。同轴电容传感器包括传感器滑油入口和传感器滑油出口；传感器滑油入口和传感器滑油出口分别与同轴电容传感器内部连通；同轴电容传感器内部设有中心轴承、电极支撑绝缘基体和电极板，若干电极支撑绝缘基体和中心轴承将同轴电容传感器内部由划分为多个探测子空间，电极板分别附于电极支撑绝缘基体上。本发明提供的同轴电容传感器可布置在滑油管道内部，避免了环境因素对测试结果的影响，能够高效在线检测滑油磨粒的特征，实现滑油磨粒在线全流域监测与诊断，反映发动机旋转部件摩擦副表面磨损状态的严重程度，保证了发动机进行安全可靠的工作。

Description

同轴电容传感器及发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法

技术领域

本发明涉及航空发动机滑油监测领域，特别涉及一种同轴电容传感器及发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法。

背景技术

航空发动机是在高温、高压、高速旋转条件下长期反复工作的复杂热力机械，在实际运行过程中，各零部件接触表面会相互摩擦，产生很大的摩擦力，造成发动机的内损耗。

同时，由于摩擦而产生的大量热会使零件过热，导致发动机不能正常工作甚至零件的损坏。这时，需要滑油在相互接触的零件表面形成一层油膜，以降低摩擦。

滑油除了润滑和冷却作用外，还是滚动和滑动面磨损磨粒的运输介质。磨粒是零部件磨损的直接产物而不是其二次效应，对其进行监测可以反映摩擦副表面磨损状态的严重程度，并进行寿命预测。

因此，滑油磨粒监测技术对有效控制发动机磨损类故障风险，保障飞机安全、可靠运行具有重要意义。

现有技术中，滑油磨粒监测可分为离线检测分析与机载在线监测两种方式，前者需要采集发动机中滑油样本，对其进行物理与化学方法分析，主要有光谱分析法和铁谱分析法，后者一般是采用电容、磁感应、超声、LC共振等可与滑油管道集成为一体的监测方法。

离线检测分析虽然响应快、精度高、磨粒特征信息丰富，仍然广泛应用于飞机检测，但高度依赖于设备与工作人员的经验，无法对信息形成及时有效的反馈。

在线监测不同于离线滑油检测需要采取样本，而是依赖于集成于发动机滑油系统上的机载传感器，进行实时数据采集，通过特定测量原理对磨粒进行监测。

目前滑油磨粒在线监测方法从物理效应角度主要可分为四大类：光学法、电磁法和能量法。其中光学法可进一步分为散射法、光度法和直接成像法，一般要和图形图像分析技术紧密结合，可检参数类型较多，但易受气泡影响，适用于流速较低场合；电磁法又可进一步细分为磁感应型、电阻型、电容型、电荷型和电感型，磁感应型一般适用于铁磁性磨粒监测，电感型则能区分铁磁性和非铁磁性颗粒，而电容型不能区分金属和非金属磨粒；能量法主要是利用滑油中磨粒对机械谐振、压力、微波等能量形式的间接影响来监测磨粒浓度和成分，一般不适合磨粒数量和大小的监测，此外传统电容传感器用于在线监测滑油磨粒，一般是将电极布置在滑油管道外表面，使得检测结果容易受环境因素的影响。

因此，对于如何利用电容传感器进行高效在线监测和诊断滑油磨粒数量和大小成为本技术领域需要解决的技术问题。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的问题，本发明提供一种同轴电容传感器，包括传感器滑油入口和传感器滑油出口；所述传感器滑油入口和传感器滑油出口分别与所述同轴电容传感器内部连通；

所述同轴电容传感器内部设有中心轴承、电极支撑绝缘基体和电极板，若干电极支撑绝缘基体和中心轴承将所述同轴电容传感器内部由划分为多个探测子空间，所述电极板分别附于电极支撑绝缘基体上。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述同轴电容传感器为圆台构型传感器或圆筒构型传感。

在上述技术方案的基础上，进一步地，电极板包括了平面电极和曲面电极，以在探测子空间内构成平面非平行电容器和曲面平行电容器。

本发明还提供一种发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法，采用如上任意所述的同轴电容传感器。

在上述技术方案的基础上，进一步地，包括以下步骤：

步骤a、携带磨粒的滑油进入所述探测子空间，同步采集不同探测子空间内多个电容传感器监测信号；

步骤b、从时频域提取两对非平行布置电容信号的特征，检测和诊断磨粒的形态和数量特征。

在上述技术方案的基础上，进一步地，步骤b中，所述探测子空间通过检测和诊断磨粒的形态特征时，利用不同形态磨粒与信号特征变化对应关系，以检测和诊断磨粒的形态特征。

在上述技术方案的基础上，进一步地，步骤b中，所述探测子空间识别磨粒通过时的信号脉冲变化，对磨粒数量进行定量监测与诊断。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述同轴电容传感器的多个所述探测子空间通过不同子空间内的电容传感信号的差分比较和补偿，消除环境因素如温度以及流速对诊断结果的影响。

在上述技术方案的基础上，进一步地，还包括诊断和检测滑油磨粒质量变化量的方法，包括以下步骤：

结合所述同轴电容传感器检测出电容的变化ΔC，测得介质流速的变化Δv，介质温度的变化Δt；

记电容与介质流速、介质温度以及磨粒质量的关系分别为C_v＝f(v)，C_t＝g(t)，C_m＝h(m)；

由上述三种因素引起的电容变化分别为ΔC_v＝f(v+Δv)-f(v)，ΔC_t＝g(t+Δt)-g(t)，ΔC_m＝h(m+Δm)-h(m)；

得到ΔC_m＝ΔC-ΔC_v-ΔC_t，即可得到磨粒质量的变化量。

本发明提供的同轴电容传感器通过巧妙设计，可将布置在滑油管道内，避免了环境因素对测试结果的影响，同时能够通过多组电容的配合，能够高效在线检测滑油磨粒的数量和形态特征，可以实现滑油磨粒在线全流域监测，所谓全流域即为滑油管道的所有流域，且能够反映发动机旋转部件摩擦副表面磨损状态的严重程度，并进行寿命预测，保证发动机安全可靠工作，具有重要的实际应用价值。

本发明提供的同轴电容传感器，可用于发动机滑油磨粒的在线监测与诊断方法中，当磨粒进入传感网络中，由于磨粒的介电常数远大于滑油的介电常数，从而电容增大，产生脉冲信号，通过测量脉冲信号数量和大小即可测出磨粒的相对大小。

而不同形态(如球状、细长型、扁平型)磨粒在流经传感器子空间受到的电场影响不同，会导致不同类型电容传感器(等长度非平行板电容器和不等长度平行板电容器)具有不同的响应信号特征(如信号宽度、峰值变化速率等)，因此，本发明提供的同轴电容传感器可以由响应信号特征判断磨粒形态。

本发明提供的同轴电容传感器用电极板将滑油磨粒传感器内部划分为多个流动探测子空间，可通过不同子空间的电容传感信号的差分比较和补偿，消除环境因素如温度以及流速对诊断结果的影响；同轴电容传感网络能够与滑油管道集成，在保证滑油管道流量的情况下，不以牺牲滑油流量为代价来提高精度，能够实现全流域滑油磨粒在线监测。

此外，优选方案中，同轴电容传感器的圆台构型或圆筒构型等，可集成于滑油管道，使其结构兼容性得到提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的圆台构型传感器实施例结构示意图；

图2为本发明提供的圆筒构型传感器实施例结构示意图；

图3为本发明实施例1中的一个探测子空间的示意图；

图4为本发明提供的同轴电容传感器信号测试波形图一；

图5为本发明提供的同轴电容传感器信号测试波形图二；

图6为本发明提供的同轴电容传感器信号测试波形图三。

附图标记：

10传感器滑油入口 20传感器滑油出口 30中心轴承

40电极支撑绝缘基体 50电极板 60探测子空间

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供一种同轴电容传感器，如图1、2和3所示，包括传感器滑油入口10和传感器滑油出口20；所述传感器滑油入口10和传感器滑油出口20分别与所述同轴电容传感器内部连通；

所述同轴电容传感器内部设有中心轴承30、电极支撑绝缘基体40和电极板50，若干电极支撑绝缘基体40和中心轴承30将所述同轴电容传感器内部由划分为多个探测子空间60，所述电极板50分别附于电极支撑绝缘基体40上。

具体地，一实施例如图1所示，所述同轴电容传感器为圆台构型传感器；另一实施例如图2所示，所述同轴电容传感器为圆台构型传感器为圆筒构型传感；当然，根据具体需要，在本专利发明构思的基础上，还可以设计其它构型的同轴电容传感器。

如图1-6所示，本发明提供的同轴电容传感器在应用于航空发动机滑油磨粒在线监测与诊断时的具体实现步骤如下：

当携带磨粒的滑油从传感器滑油入口10流入，流经由电极支撑绝缘基体40和中心轴承30划分的多个探测子空间60，每个探测子空间60内布置有电极板50，电极板50分为平面电极和曲面电极，所述电极板50分别附于电极支撑绝缘基体40上；探测子空间60内的电极板50构成的电容对当携带磨粒的滑油进行探测。对同一探测子空间的多个信号，可以采取现有的小波变换和傅里叶变换等信号处理技术，识别磨粒通过时的信号变化，具体处理后的信号变化如图4所示，图中，一个脉冲就代表有一个碎屑通过，依此便可对磨粒数量进行定量计数。

在上述步骤的基础上，进一步从时域和频域提取电容信号特征，综合利用信号特征变化对磨粒形态进行定性识别。由于不同形态(如球状、细长型、扁平型)磨粒在流经传感器环形缩小空间受到的电场影响不同，会导致不同类型电容传感器(平面非平行电容器和曲面平行电容器)具有不同的响应信号特征(如信号宽度、峰值变化速率等)；如图4～6所示，对比图4和图5，假设滑油中磨粒通过传感器的时间为t0～t1，在相同时间内，观察磨粒的波形(磨粒流经传感器会旋转)，可判断磨粒的大致形状，图4的波形较为平缓且波峰变化较慢，可判断其磨粒的形状大致为球状(磨粒旋转过程中电容变化不大)，图5的波形波动较大且波峰变化快，可判断其磨粒的形状大致为细长型或扁平形(具体形状可通过实验进行验证)；图4和图6为同一磨粒在相同时间内通过同一探测子空间，由不同的类型电容传感器(图4为平面非平行电容器和图6为曲面平行电容器)测得的波形，两图的波形基本一致，不同的只是波形幅值；故可利用同一探测子空间内的不同电容传感器获取的时域信号特征，进行多层次融合，建立磨粒不同形态特征和信号特征的相关性映射或表征，以进一步优化和判断磨粒的不同形态特征。

通过不同形态磨粒在两对电极板上的投影映射，建立磨粒形态特征与电容变化的耦合关系，为磨粒形态定性识别提供依据。

通过不同子空间的电容传感信号的差分比较和补偿，消除环境因素如温度以及流速对诊断结果的影响。具体地，电容与介质流速、介质温度以及磨粒质量的关系分别为C_v＝f(v)，C_t＝g(t)，C_m＝h(m)；当介质流速、介质温度以及磨粒质量分别变化Δv，Δt以及Δm后，由三种因素引起的电容变化分别为ΔC_v＝f(v+Δv)-f(v)，ΔC_t＝g(t+Δt)-g(t)，ΔC_m＝h(m+Δm)-h(m)。在实际检测中，发动机磨损产生的磨粒质量情况是未知的，能测出的参数为介质流速的变化Δv，介质温度的变化Δt，以及电容的变化ΔC，根据实验测试，可知电容与介质温度、流速以及磨粒质量都存在线性关系，因此可得ΔC_m＝ΔC-ΔC_v-ΔC_t，进而可得到磨粒质量的变化量，从而实现对磨粒的诊断和监测。

尽管本文中较多的使用了诸如传感器滑油入口、传感器滑油出口、中心轴承、电极支撑绝缘基体、电极板、探测子空间等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种同轴电容传感器，其特征在于：包括传感器滑油入口(10)和传感器滑油出口(20)；所述传感器滑油入口(10)和传感器滑油出口(20)分别与所述同轴电容传感器内部连通；

所述同轴电容传感器内部设有中心轴承(30)、电极支撑绝缘基体(40)和电极板(50)，若干所述电极支撑绝缘基体(40)和中心轴承(30)将所述同轴电容传感器内部划分为多个探测子空间(60)，所述电极板(50)分别附于所述电极支撑绝缘基体(40)上；

所述电极板(50)包括平面电极和曲面电极，以在所述探测子空间(60)内构成平面非平行电容器和曲面平行电容器。

2.根据权利要求1所述的同轴电容传感器，其特征在于：所述同轴电容传感器为圆台构型传感器或圆筒构型传感。

3.一种发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法，其特征在于：采用如权利要求1或2所述的同轴电容传感器。

4.根据权利要求3所述的发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、携带磨粒的滑油进入所述探测子空间，同步采集不同探测子空间内多个电容传感器监测信号；

步骤b、从时频域提取两对非平行布置电容信号的特征，检测和诊断磨粒的形态和数量特征。

5.根据权利要求4所述的发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法，其特征在于：步骤b中，所述探测子空间检测和诊断磨粒的形态特征时，利用不同形态磨粒与信号特征变化对应关系，以检测和诊断磨粒的形态特征。

6.根据权利要求4所述的发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法，其特征在于：步骤b中，所述探测子空间识别磨粒通过时的信号脉冲变化，对磨粒数量进行定量监测与诊断。

7.根据权利要求4所述的发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法，其特征在于：通过所述同轴电容传感器的多个所述探测子空间内的电容传感信号的差分比较和补偿，消除环境因素温度以及流速对诊断结果的影响。

8.根据权利要求4所述的发动机滑油磨粒在线监测与诊断方法，其特征在于，还包括诊断和检测滑油磨粒质量变化量的方法，包括以下步骤：

结合所述同轴电容传感器检测出电容的变化ΔC，测得介质流速的变化Δv，介质温度的变化Δt；

记电容与介质流速、介质温度以及磨粒质量的关系分别为C_v＝f(v)，C_t＝g(t)，C_m＝h(m)；

由上述三种因素引起的电容变化分别为ΔC_v＝f(v+Δv)-f(v)，ΔC_t＝g(t+Δt)-g(t)，ΔC_m＝h(m+Δm)-h(m)；

得到ΔC_m＝ΔC-ΔC_v-ΔC_t，即可得到磨粒质量的变化量。

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