应用平行极板式电容传感器检测润滑油品质的研究

摘要：分析和探讨了润滑油介电常数变化的微观原因，并基于介电常数测量原理，以实现润滑油质量的现场快速检测为目的，考虑灵敏度、信噪比、击穿电压等参数要求，设计了平行极板式电容传感器。采用谐振法对不同使用期的油样进行了测试实验，其中重复性测试数据的最大偏差为4．8％。应用计及边缘效应影响的计算公式对数据进行了处理，结果表明该传感器能在不改变机器内部油路结构的情况下快速有效地检测油液介电常数的变化，为科学判断润滑油使用状况提供依据。
关键词：润滑油；油液检测；介电常数；电容传感器

    润滑油在使用一段时间后，由于外界杂质的侵入和本身的氧化、凝聚、水解和分解等原因，会使油液的介电常数值发生变化。使用电容传感器测量油液的介电常数可以反映润滑油品质、磨损故障等信息。当前的离线油质分析仪不能完全准确地反映整体油液的质量信息，在油液中磨粒较大、分布不均匀的情况下尤为明显。本文设计了一种用于现场快速检测的电容传感器，该传感器成本低廉、使用方便，外接电路后可快速检测润滑油的使用状况。

1 润滑油介电常数测量原理
    润滑油是一种复杂的烃类混合物，可以把它作为一种电介质来考虑。随着润滑油使用期的增加，其性能衰变主要体现在以下几个方面：
    (1)润滑油内部组分长期与空气接触发生氧化反应；
    (2)粘度指数改进剂、抗氧剂、抗磨剂等添加剂损耗；
    (3)外部污染，包括水污染、乙二醇污染、固体颗粒污染等。
    润滑油被氧化、添加剂损耗会导致分子极性变化；
水的进入会产生H+，OH-离子；酸值的变化伴随着H+，RCOO-离子的产生；金属磨粒会产生自由电子。以上几种因素均会不同程度地改变油液内部极化成分的数量，从而导致介电常数值的变化，所以介电常数是反映油液老化、被污染以及磨损状况的一个综合参数。

    电介质的介电常数大小可通过测量平行板电容器的电容来间接获得。对于如图1所示的平行板电容器，多数文献采用了以下公式表达电容与内部介质的介电常数关系：
    C=ε0εrS／d               (1)
    式中：εr为内部介质的相对介电常数；ε0为真空介电常数；S为极板面积；d为两极板间距。
    上述公式是在极板长度a，宽度b远大于极板间距d的情况下推导出的，此时由于边缘效应影响而引起的附加电容可以忽略不计。但在实际应用中，因测量空间的限制，极板不可能为无限大。根据文献的研究成果，有限尺寸的平板电容器，计及边缘效应的电容近似表达式为：
   
   
    由此可以看出电容值C与介质的相对介电常数ε，具有理论上的线性关系，通过测量内部充满润滑油的电容器的电容值，就可以确定机油品质的劣化程度。

2 电容传感器设计
    考虑到现场离线快速检测的便捷性、稳定性要求，传感器采用平行极板式结构，其基本形状示意图如图2所示，主要由一对平行极板、外部固定装置和一个有机玻璃油槽组成。接线柱内嵌铜芯，与极板焊接在一起。由于在下一步的方案规划中，拟加入光电检测模块，所以在传感器左右两侧设计了凹槽，以使激光穿过油液，测量透光率。为避免外界电磁干扰，电极外面加上金属屏蔽罩。

    对于传感器材料的选择和尺寸的确定主要考虑以下因素：
    (1)用于电容传感器的电极材料主要有炭材料、金属氧化物和导电聚合物。本文选择成本低廉、导电性好、温度系数低、容易获取和加工的铜作为极板材料，并根据其标准规格和灵敏度要求确定极板厚度P=0．5mm。
    (2)极板尺寸和间距决定了传感器的大小和被测油量的多少。使用中的润滑油是成分复杂的混合物，尤其是摩擦产生的磨粒，大小和分布并不均匀。为了使测量更加准确，显然取油量越大越好，但现场操作又要求用最少的油样数量获得满意的数据，而且小型化的传感器更利于制成便携式检测系统。为了减弱边缘效应的影响，极板间距要尽量小，但间距的减小势必导致极板被击穿的可能性增加。综上所述并参考文献中的设计经验，初步确定极板长a=50 mm，宽b=30 mm，间距d=20mm。
    (3)油槽材料选择有机玻璃，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，这种材料表面光滑度高，不易粘着油液中的污染物，清洗方便；透射率高达92～93％，可透过可见光99％；强度高，韧性好，易于加工；能耐一般的化学腐蚀。根据加工的要求和有机玻璃的标准规格，拟定油槽壁厚为1．5mm。
    (4)聚四氟乙烯具有较高的机械强度和良好的绝缘性，且成本低、介质损耗小，因此选用该材料加工成固定装置。

3 实验验证
    采用谐振法对传感器进行了测试，测试电路由振荡电路、低通滤波放大电路、单片机计数器及显示模块组成，如图3所示。振荡电路将传感器的电容变化转化为频率的变化，此频率信号经滤波放大和分频后送入单片机计数器，由单片机进行数据处理，将得到的电容值显示在LCD上。测量之前要保证油槽的干燥以防混入水分，被测油样分别取自某型号柴油发动机和变速箱。

    首先对传感器进行了重复性测试，实验结果如表1所示。

    从表1中数据可看出，实验结果重复性很好，2种不同介质多次测量结果标准差分别为0．207，0．351，最大偏差分别为3.1％，4.8％，说明在确定的实验条件下，测得的数据是可靠的。空气的相对介电常数可视为1，从表中数据也可计算出传感器的杂散电容大约为6．9 pF。对不同使用期的油样进行了测量，每种油样均采用多次测量求平均值的方法得出最终数据，实验结果如表2所示。根据式(2)计算油样的相对介电常数值，计算时需减去杂散电容。绘制油品相对介电常数与使用期的关系曲线，如图4所示。

    从图中可以看出，不同种类润滑油的介电常数随机器运行时间增加的幅度有差别，这是由于各种油的成分以及所处工况均不相同导致的，但介电常数的变化趋势一致，都随使用期的增加而呈上升趋势。

4 结语
    本文基于介电常数测量原理研制了一种用于润滑油现场快速检测的电容传感器，该传感器具有以下优点：结构简单，不需要复杂的制造工艺，而且所选择的材料价格低廉；取油方便，不必对机器内部油路进行拆装即可实现现场快速检测；极板间电场强度相对均匀，这就使各种极化成分在检测场内的空间位置对测量结果的影响较小；玻璃油槽将油液与极板隔开，防止对极板造成污染，测量后容易清洗，避免了污染物沉积影响测量精度。实验验证了其稳定性和有效性，对于合理标定换油阈值、实现按需换油，具有重要的应用价值。