气路碎屑监测静电传感器设计及模拟实验

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航空发动机滑油系统全流量静电传感器设计1.摘要（简介）静电传感器是一种用于航空发动机润滑油路中磨粒在线监测的新型传感器，对滑油系统中静电变化进行监测能够在发动机损伤的早期阶段实现故障的预测和诊断，避免发动机严重损伤和安全隐患。

为了对静电传感器的特性进行研究，改进了静电传感器的数学模型，设计了全流量静电传感器。

通过建立数学物理模型，并进行仿真试验，获得了传感器的标定曲线。

又进一步确定了传感器静态灵敏度在径向位置上的分布，同时验证了数学模型的正确性。

2.基本原理一般地讲，静电传感器测量方法可以分为接触式测量法和非接触式测量法。

接触式测量原理就是指感应金属探极与带电颗粒物有了直接的碰撞或者摩擦，带电颗粒将自身所带电荷传递到金属探极。

全流量静电传感器是基于静电感应原理，滑油系统中带电颗粒 Q 经过静电传感器时，将导致静电传感器的探极内部产生电子流动，为平衡附近的外来电荷，探极内部电荷重新分布并伴随电子流动（此过程中，带电体与静电传感器之间不必须有电荷的交换，探极电荷可由静电感应产生），进而静电传感器会产生感应电流并按比例转化为电压输出，经过调理电路处理后输出至采集系统并显示。

当带电颗粒 Q 离开传感器后，正负感应电荷将发生中和，传感器探极内部的电子将重新分布，使得探极呈电中性状态，因此监测得到的感应信号也将恢复至零。

以环形探级为例，当静电传感器金属探极附近有带电颗粒经过时，金属探极感应原理示意图如图所示3.传感器的建模：数学模型，物理模型（传感器由环形探极、绝缘层和金属屏蔽层组成，滑油从由绝缘材料制成的管道中流过，安装于绝缘管内壁处的环形探极用于感应流体中的静电信号，金属屏蔽层用于屏蔽外界的干扰）（难点：相关材料的填充，温度补偿，以及仿真结果的输出和分析）以及一些数学计算）4.数值模拟和实验5.实验结果分析6.结论。

静电检测技术与应用(精)

静电检测技术与应用
航空发动机故障在飞行故障中占有相当大的比例,是影响飞行安全的主要因素,研究发动机气路中颗粒的静电特征对于监控气路中各部件的工作状态具有十分重要的意义。

静电检测的对象为气路中由于发动机部件老化、磨损、碰摩、烧蚀故障而产生的荷电颗粒,研究和分析这些颗粒的静电特性,可以为故障类型的确定及维修决策的制定提供依据。

由于颗粒上的电荷量很小,现有的信号采集系统无法实现对其电荷量的采集,因此需要对静电传感器的感应信号做一些预处理,使信号的幅值达到信号采集系统所能测量的范围。

本文首先分析了静电监测传感器的基本原理及相关特性,并对气路中静电信号的特点做了归纳总结,实验结果表明传感器的输出信号微弱,背景噪声强,信噪比低;针对静电感应信号的这一特征,设计了传感器的前置放大器,该放大器具有电路简单、集成度高、体积小、噪声低、稳定性好等特点,并应用于气路颗粒静电信号的测量,试验结果表明该放大器可以对低频微弱信号进行有效的放大;然后对静电信号检测电路的噪声来源及影响因素进行了分析,根据噪声特点设计了相应的滤波电路,实现了对信号的降噪处理,结合前置放大器有效地改善了监测信号的信噪比;应用电路仿真分析软件Multisim10对设计的放大器、滤波器、积分电路等进行了仿真分析,并使用Protel99设计了相应的硬件电路;最后,在发动机气路模拟实验系统中的应用结果表明:电路设计基本达到了预期的效果,为后续的信号采集和处理奠定了基础。

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静电传感器

• 其次，由于固体颗粒的静电粘合特性会使
传感区域产生颗粒沉淀，致使在速度和浓度测量时产生较大的误差，而静电传感器只对运动颗粒产生反应，因此可以避免这种误差
•7
静电传感器的结构设计新颖，易于安装在大口径的输送管道中，因此具有很高的研究与应用前景。
•8
谢谢！
•9
在生产和输送过程中，发生研磨、搅拌以及高速运动，使得粉体与管壁之间的摩擦碰撞分离以及粉体自身颗粒的相互摩擦、碰撞分离固体断裂等，使粉尘带电。
•3
粉尘带电的估算
• 研究表明，气流输送时的
粉体带电量与充电电流、体积电荷密度、质量电荷密度有关，因此粉尘带电量可以精确地计算出来。
•4
静
探针3和仪表4 即可测出静电电位。
•5
采用静电传感器的意义
• 静电传感器对煤粉质量流
量测量是国际多相测量的一项新技术。
•6
采用静电传感器的意义
• 首先，静电传感器对处于气力输送管道中
各个位置的固体颗粒具有较高的敏感度，适合于稀相和浓相等各种条件下进行测试。
以气力输送管道中粉尘颗粒（如煤粉颗粒）质量流量的测量为例，介绍静电传感器的原理
•1
静电传感器的测量原理
• 利用气力输送过程中粉尘颗粒
产生静电电荷的机理，通过信号采集系统对静电信号进行转换和处理。
• 因此，静电传感技术的本质就
是静电电荷测量技术。
•2
粉尘介质的起电
• 粉体颗粒由分散介质组成，

航空发动机气路碎屑静电监测传感器设计与试验

２．ＡｖｉａｔｉｏｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＳｐｅｃｉａｌＣｏｎｄｉｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｉｒｎｇＳｅｎｓｏｒＴｅｃｈｎｏｌｏｙ，ｇＢｅｉｊｉｎｇ１０１１１１，Ｃｈｉｎａ）
航空发动机气路碎屑静电监测传感器动机气路碎屑静电监测传感器设计与试验
刘伟，黄漫国，刘德峰，张梅菊，王燕山
１０１１Ｉ１）（１．中航工业北京长城航空测控技术研究所，北京１０１１１１；２．状态监测特种传感技术航空科技重点实验室，北京
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＴｅｓｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｅｎｓｏｒｆｏｒＡｉｒｃｒａｆｔＥｎｇｉｎｅＧａｓＰａｔｈＤｅｂｒｉｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｅｎｓｏｒｆｏｒａｉｒｃｒａｆｔｅｎｇｉｎｅｇａｓｐａｔｈｄｅｂｒｉｓｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｅｌｅｃｔｉｃｒｃｈａｒｇｅｓｏｆｄｅｂｒｉｓａｎｄｔｈｅｐｉｎｒｃｉｐｌｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｏｆｓｅｎｓｏｒａｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｉｒｆｓｔｌｙ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｒｏｄｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｅｎｓｏｒａｎｄｉｎｒｇｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｉｎｒｇｓｅｎｓｏｒａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｉｎｒｃｉｐｌｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｏａｖｏｉｄｔｈｅｉｎｓｕｌａｔｅｄｓｌｅｅｖｅｉｓｂｒｏｋｅｎｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｅｘｃｅｓｓｉｖｅｐｒｅｓ－ｓｕｒｅ，ｔｈｅｃｌｅａｒａｎｃｅｉｔｆｂｅｔｗｅｅｎｐｒｏｂｅａｎｄｉｎｓｕｌａｔｅｄｓｌｅｅｖｅｉｓｃｌｃａｕｌａｔｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｅ－

用于滑油中碎屑在线监测的电容传感器设计与实现

用于滑油中碎屑在线监测的电容传感器设计与实现韩志斌;王奕首;孙虎;卿新林【摘要】设计了可集成于滑油管道的同轴电容传感器,可用于原位检测滑油中碎屑从而诊断航空发动机健康状态.建立同轴电容传感器的数学模型,采用数值仿真方法对电容传感器相关参数进行分析.结果表明:圆筒式电容传感器的电容值随碎屑数量的增加而增大,且大致呈现线性关系,随碎屑尺寸的增加而增大,且有较好的线性关系.确定合适的传感器设计参数,搭建试验台对同轴电容传感器进行初步实验验证,试验结果表明同轴电容传感器具有可行性.%A cylindrical capacitive sensor was developed,which has the advantages of high resolution,small size and designability,and can be easily installed on lubricant pipeline to monitor the debris in lubricant of aircraft engine.A theoretical model of the cylindrical capacitive sensor was set up to analyze several parameters' effectiveness on the performance of sensor,including the cross sectional area of the sensor,the distance between two poles and the permittivity.It is shown that the capacitance value of the sensor is increased with the increase of the debris number,as well with the increase of debris size;there are approximately linear relations for above two cases.Numerical simulations were conducted to determine the optimal parameters for preliminary experiments.Experiments were carried out to demonstrate the feasibility of the developed capacitive sensors.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2018(043)006【总页数】7页(P102-107,113)【关键词】润滑油;碎屑;在线监测;圆筒式电容传感器【作者】韩志斌;王奕首;孙虎;卿新林【作者单位】厦门大学航空航天学院福建厦门361005;厦门大学航空航天学院福建厦门361005;厦门大学航空航天学院福建厦门361005;厦门大学航空航天学院福建厦门361005【正文语种】中文【中图分类】TH165.3航空发动机结构复杂且运行工况恶劣，其旋转部件的异常磨损是造成发动机各种故障和突然失效的主要原因[1]。

用于气固两相流测量的方形静电传感器阵列建模及实验验证

用于气固两相流测量的方形静电传感器阵列建模及实验验证张帅;闫勇;钱相臣;胡永辉【摘要】To study the sensing mechanism of square-shaped electrostatic sensor arrays that compose of distributed strip-shaped electrodes, a mathematical model was proposed based on electrostatics theory and image method. Through simulating a moving point charge with different moving paths, the induced charge and current of different electrodes in the sensor arrays were derived from the proposed model. A gravity-fed particle flow test rig with a square-shaped pipe section was designed and constructed to evaluate the mathematical model. The square-shaped electrostatic sensor arrays were composed of two layers of strip-shaped electrodes, and 12 (3×4) strip-shaped electrodes were uniformly embedded in four flat pipe walls in each layer. By changing particle's position across the pipe section, outputs of different electrodes in the sensor arrays were obtained accordingly. The results show that experimental results are in line with simulation results from mathematical model, which indicates that the proposed model is effective in practice.%为研究由分布式条形电极组成的方形静电传感器阵列检测机理,基于静电学基本理论及镜像电荷法建立方形静电传感器阵列的解析式感应机理数学模型;基于该模型,采用点电荷模拟带电颗粒,研究在管道内不同区域处的移动带电颗粒激励下,静电传感器阵列中不同电极的感应电荷及感应电流输出特性.为验证数学模型,设计并搭建方形管道重力输送颗粒实验装置.方形静电传感器阵列包含2层分布式条形电极组,每层条形电极组中12个(3×4)条形电极均匀分布在方形管段截面的四面管壁上.控制颗粒在管道横截面不同位置下落,研究静电传感器阵列输出特性.研究结果表明:方形静电传感器阵列各电极的感应输出结果与仿真结果趋势一致,证明了数学模型的有效性.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(049)003【总页数】8页(P618-625)【关键词】气固两相流;方形管道;静电传感器;数学建模;镜像电荷法【作者】张帅;闫勇;钱相臣;胡永辉【作者单位】华北电力大学控制与计算机工程学院,北京,102206;华北电力大学控制与计算机工程学院,北京,102206;肯特大学工程与数字艺术学院,英国肯特,CT2 7NT;华北电力大学控制与计算机工程学院,北京,102206;华北电力大学控制与计算机工程学院,北京,102206【正文语种】中文【中图分类】TP212利用一定压强和速度的气流通过封闭管网来输送物料，是食品加工、冶金、火力发电等现代工业中普遍采用的粉状物料输送方式[1]。

金属屑信号传感器的设计和制作

金属屑信号传感器的设计和制作董玉荣【摘要】Metal scrap signal transducer was designed to detect and remove metal scrap in the lubricating oil system. The permanent magnet was used in the probe. Metal scrap can be in time to capture in the oil,and after a certain amount the transducer sends alarm signal via an external circuit. The self-sealing oil circuit device was designed to achieve online clearing which does not affect the system work. Actual results show that the transducer possesses structure delicacy, stable performance, good clearing scrap, and suitable for different types of equipment which need to detect and remove metal scrap.%金属屑信号传感器是一种检测和清除润滑油系统中金属碎屑的装置,传感器用永磁铁做探头,可及时捕捉油路中的金属屑,达到一定量时通过外部电路发出清屑报警信号;传感器内部设有自动密封油路机构,清屑过程中不影响系统正常工作,实现了在线清屑.实际使用结果证明:金属屑信号传感器结构精巧、性能稳定,清屑效果良好,适合不同行业多种设备滑油系统金属屑的检测和清除.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2012(000)011【总页数】3页(P16-17,21)【关键词】传感器;金属屑;信号;清屑【作者】董玉荣【作者单位】中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TP2120 引言随着大功率燃气轮机的仿制成功，国内在燃气动力装置方面又有了新的突破。

空气粉尘浓度检测器电路设计与软件编程论文

空气粉尘浓度检测器电路设计与软件编程论文空气粉尘浓度检测器电路设计与软件编程论文本设计以ATmega382p单片机为控制中心，由GP2Y1010AU0F 光学空气质量传感器测量空气粉尘浓度，通过单片机内置的10位A/D 转换将模拟的电压信号转换成数字信号，得到粉尘浓度值，并由LCD1602显示屏显示出来。

同时，设置浓度预警值并同测量值一起显示在显示屏上。

当测量浓度超过预警值时，仪器就会报警。

0 引言随着人类工业和经济的快速发展，我们的环境污染越来越严重。

除废气、废水外，颗粒状粉尘、烟尘向大气排放所造成的污染已成为一个十分突出的问题。

PM2.5，PM10，PM0.1及其吸附的重金属粒子是雾霾的重要组成部分[1]。

2012年2月，《环境空气质量标准》新增了对PM2.5的检测指标，PM2.5成为空气质量标准之一。

数据表明，我国空气质量超标的城市中68%都存在可吸入颗粒物的问题[2]。

由此可以看出粉尘对人类健康和生产的危害十分严重。

所以，粉尘浓度的检测和控制具有重要的意义。

1 系统工作原理单片机选用ATmega328p，粉尘浓度传感器选用夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器，按键部分通过电阻与按键串联将信号输入模拟口，通过读取模拟值的不同判断按键值，显示部分采用LCD1602并用采取I2C总线的8位远程I/O扩展口芯片PCF8574进行引脚简化。

将粉尘检测器电源开关打开，当传感器得到一个由粉尘浓度转换得来的0～5V的`电压信号时，进入单片机，经过处理后转变为十进制数通过I/O口在显示屏上显示出精确数值。

数值量随输入电压的扰动而变化。

同时键盘设定预警值送入单片机，与测量值一同显示出来。

当采集的当前粉尘浓度大于预警值时，单片机驱动蜂鸣器报警。

2 系统电路设计2.1 电路总体设计以ATmega328p单片机为核心，主要包括单片机处理模块，信号采集模块，独立按键模块，显示模块和蜂鸣器报警模块。

系统通过信号采集模块采集空气中的粉尘，得到0～5V的电压信号后，由单片机内部自带的10位ADC进行模数转换得到粉尘浓度，与此同时，通过独立按键模块设定浓度预警值，通过液晶显示模块将粉尘浓度和预警值同时显示在显示屏上。

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碎屑与探极表面径向距离的增大，传感器输出电压幅值迅速减小；碎屑与探极表面径向距离一定时，碎屑与探极末端轴向距离越大，传感器输出电压幅值越小。此外，还进一步分析了实验过程中一些难以避免的影响测量结果的因素。
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要：基于静电感应原理，结合航空发动机尾喷管结构和模拟实验环境要求，设计了一种用于气路荷电碎屑监测的
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第２７卷第５期
５８
燃气涡轮试验与研究
ＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈ
Ｖｏ１．２７．ＮＯ．５Ｏｃｔ一２Ｏ１４
２０１４年１０月
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Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｅｒｏ — ｅｎｇｉｎｅｎｏｚｚｌｅａｎｄｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｅｎｓｏｒｆｏｒｃｈａｒｇｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｇａｓｐａｔｈｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｅｎｓｏｒｉｎｃｈａｒｇｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｗａｓｐｒｏｖｅｄｂｙｃｈａｒｇｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｃｈａｒｇｅ，ａｎｄｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｕｒｆａｃｅｏｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｅｒｅａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｏｒｅｔｈｅｃｈａｒｇｅｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｓ，ｔｈｅｂｉｇｇｅｒｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｓｅｎｓｏｒｉｓ；ｔｈｅｓｅｎｓｏｒｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｒａｐｉｄｌｙａｓｔｈｅｒａｄｉａｌｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｄｅｂｒｉｓａｎｄｔｈｅｓｕｆａｒｃｅｏｆｔｈｅ
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关键词：航空发动机；气路故障；荷电碎屑监测；静电传感器；模拟实验；探极表面
中图分类号：Ｖ２６３．６文献标识码：Ａ文章编号：１６７２ — ２６２０（２０１４）０５ — ００５８ — ０５