一种静电传感实验系统及颗粒摩擦带电量的测量方法

摘要

本发明公开了一种静电传感实验系统，包括荷电颗粒生成装置和荷电颗粒静电电压测量装置；所述荷电颗粒生成装置包括由绝缘材料制成的摩擦接触筒及接触筒盖；所述荷电颗粒静电电压测量装置包括法拉第筒，以及与法拉第筒内筒电连接并与法拉第筒外筒绝缘的感应电压测量单元，所述法拉第筒在其垂直方向开有一同轴通孔。进一步地，本发明实验系统还包括荷电颗粒注入实验装置。本发明还公开了一种颗粒摩擦带电量的测量方法、一种荷电颗粒在液体介质中的感应电压测量方法，以及一种静电传感器的标定方法。本发明结构简单，操作方便，可根据实际情况开展多种试验，且具有一定抗电磁干扰能力，测量结果精确，灵敏度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种静电传感实验系统及颗粒摩擦带电量的测量方法，属于静电测量技术领域。

背景技术

静电常被认为是引起故障的原因，如从传统的观点来看，是石油、化工、粉碎加工等行业引起火灾、爆炸等事故的主要诱因之一。自上世纪50年代，基于静电感应原理开发用于气固两相中颗粒流动参数（如流速、流量和浓度）的测量。最近，静电感应技术被开发用于状态监测，已作为研究零部件摩擦磨损产生的磨粒监测的一种重要的在线监测方法。例如，一篇中国发明专利《油液磨粒在线监测方法及系统》（申请号为200810155902.7，申请日为2008.10.10.公开日为2009年3月25日）中公开了一种利用静电传感器对油液中的磨粒所带静电进行测量，并根据测量结果对油液中磨粒浓度进行实时在线监测的方法及系统。由于其原理是检测磨粒所携带的静电，因此对磨粒的材料无特殊限制，极大地扩展了应用范围。

实验研究显示，两配对副在润滑状态下产生的磨粒携带一定数量的电荷量，荷电磨粒悬浮在绝缘油液中，由于同油液介质的摩擦荷电和接触荷电可能导致荷电磨粒的电荷量发生变化。荷电磨粒与油液介质的相互作用机理仍然没有获得很好的解释，由此也导致静电传感器在对油液中磨粒所带静电进行测量时，其结果往往不准确，从而导致整个监测系统的可靠性难以得到保证。在飞机、舰艇发动机、传动系统等应用中，这个缺陷可能会导致极其严重的后果。因此有必要对各种磨粒产生摩擦静电，以及荷电磨粒与油液介质的相互作用进行准确的试验分析，从而为找到其作用机理提供依据。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种静电传感实验系统及颗粒摩擦带电量的测量方法，可准确测定颗粒在空气中与固体材料发生摩擦接触所携带的电荷量，为进一步研究及理论分析提供依据，且系统结构简单、使用方便。

本发明具体采用以下技术方案：

一种静电传感实验系统，包括荷电颗粒生成装置和荷电颗粒静电电压测量装置；所述荷电颗粒生成装置包括由绝缘材料制成的摩擦接触筒及接触筒盖；所述荷电颗粒静电电压测量装置包括法拉第筒，以及与法拉第筒内筒电连接并与法拉第筒外筒绝缘的感应电压测量单元，所述法拉第筒在其垂直方向开有一同轴通孔。

进一步地，所述荷电颗粒静电电压测量装置还包括一绝缘漏斗；所述绝缘漏斗的小开口端的尺寸与所述通孔的尺寸相对应，可通过所述同轴通孔固定于法拉第筒外筒上。

优选地，所述感应电压测量单元通过一安装于法拉第筒外筒侧壁的BNC接头，与法拉第筒内筒电连接并与法拉第筒外筒绝缘。

一种颗粒摩擦带电量的测量方法，采用上述静电传感实验系统，具体包括以下步骤：

步骤1、取特定材料、特定形状、特定粒径的单个或多个颗粒，放入所述摩擦接触筒并盖上接触筒盖；晃动摩擦接触筒一段特定的时间；

步骤2、将颗粒从摩擦接触筒中取出并等待一段特定时间，然后使颗粒通过所述法拉第筒上的同轴通孔自由下落；通过所述感应电压测量单元测量出感应电压值视为理论电压值，并根据感应电压计算得到颗粒所携带的静电电荷量；

步骤3、分别改变所述颗粒的材料、形状、粒径、摩擦筒晃动时间以及颗粒从摩擦接触筒中取出的等待时间，重复执行步骤1、步骤2，即得到不同材料、不同形状、不同粒径的单个或多个颗粒在不同摩擦筒晃动时间、不同等待时间下的摩擦所产生的静电电荷量。

     上述技术方案可以准确获得不同材料、不同形状、不同粒径的颗粒在摩擦时所产生的静电电量或感应电压，但无法反映荷电磨粒与液体介质的相互作用。为此，本发明对上述实验系统进行进一步改进，从而实现对不同材料、不同形状、不同尺寸颗粒在液体介质中摩擦荷电进行定量分析。具体采用以下技术方案：

     该系统还包括荷电颗粒注入实验装置；所述荷电颗粒注入实验装置包括：注入漏斗、带有可调节流阀的实验导管、密闭容器、静电传感器、真空泵、支架；所述注入漏斗通过所述支架固定于所述密闭容器上方，其小开口端与所述实验导管的上端密闭连接；所述密闭容器通过其上部的两个通孔分别与所述真空泵及所述实验导管的下端密封连接；所述静电传感器安装于所述实验导管的中部。

根据上述改进系统，可得到一种荷电颗粒在液体介质中的感应电压测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1、沿注入漏斗边缘向所述密闭容器内持续注入液体介质，使漏斗中液面保持在某一固定位置，将可调节流阀开启到最大，并打开真空泵，通过调整可调节流阀的开度，调节液体介质流动速度；

步骤2、取特定材料、特定形状、特定粒径的单个或多个颗粒，放入所述摩擦接触筒并盖上接触筒盖；晃动摩擦接触筒一段特定的时间；

步骤3、预先将所述法拉第筒置于注入漏斗上方，将颗粒从摩擦接触筒中取出并等待一段特定时间，然后使颗粒通过所述法拉第筒上的同轴通孔自由下落至注入漏斗；通过所述感应电压测量单元测量颗粒的感应电压值视为理论电压值，并通过所述静电传感器进行感应电压信号测量；

步骤4、分别改变所述颗粒的材料、形状、粒径，以及液体介质，并重复执行上述步骤，即可得到不同材料、不同形状、不同粒径的荷电颗粒的理论电压值，以及在不同液体介质中静电传感器的测量电压值。

根据上述改进系统，还可得到一种无荷电颗粒在液体介质中的感应电压测量方法，其具体步骤如下：

步骤1、将特定材料、特定形状、特定粒径的单个或多个颗粒放到注入漏斗，通过所述静电传感器进行感应电压信号测量，颗粒的理论电压值为零；

步骤2、分别改变所述颗粒的材料、形状、粒径，以及液体介质，并重复执行上述步骤，即可得到不同材料、不同形状、不同粒径的无荷电的颗粒在不同液体介质中经过静电传感器所测量感应电压值。

所述液体介质根据实际实验需要，可以为航空发动机润滑油、机械系统液压油、齿轮油、机油、甚至水等。

    利用上述荷电颗粒在液体介质中的感应电压测量方法，还可以进一步得到一种静电传感器的标定方法：首先利用上述荷电颗粒在液体介质中的感应电压测量方法，获取不同材料、不同形状、不同粒径的颗粒的理论电压值，颗粒在不同液体介质中静电传感器的测量的感应电压值；然后通过对理论电压值和静电传感器的测量电压值进行比较，实现静电传感器的标定。

     本发明结构简单，操作方便，可根据实际情况开展多种试验，且具有一定抗电磁干扰能力，测量结果精确，灵敏度高。

附图说明

图1为荷电颗粒生成装置结构示意图；

图2为荷电颗粒静电电压测量装置结构示意图；

图3为荷电颗粒注入实验装置结构示意图；

图中标号名称：1、摩擦接触筒，2、接触筒盖，3、绝缘垫块，4、法拉第筒外筒，5、法拉第筒内筒，6、法拉第筒内筒盖，7、法拉第筒外筒盖，8、绝缘漏斗，9、导线，10、BNC接头，11、信号调理电路，12、信号采集卡，13、计算机，14、液体介质，15、液体容器，16、可调节流阀，17、静电传感器，18、支架，19、实验导管，20、注入漏斗，21、密封塞，22、真空泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明通过试验研究颗粒在空气中与固体材料发生摩擦接触携带一定量的电荷量以模拟摩擦磨损过程中磨粒的荷电，通过对其电荷量的测量获取其理论电压幅值，而后将荷电颗粒注入到液体介质中，当颗粒经过静电传感器时被检测到脉冲幅值，颗粒初始的理论电压值与经过液体介质相互作用后所测量的实际电压值的关系将反映颗粒与液体介质相互作用机理。同时还可将无荷电的颗粒直接注入到液体介质中，颗粒经过静电感应传感器时也被检测到脉冲幅值，这一幅值直接反映颗粒与液体介质相互作用机理。两者的对照将深入揭示颗粒在液体介质中的相互作用机制。

本发明的静电传感实验系统，包括荷电颗粒生成装置、荷电颗粒静电电压测量装置，以及荷电颗粒注入实验装置。下面分别对以上三种装置的结构及原理进行说明。

本发明的荷电颗粒生成装置，其结构如图1所示，包括摩擦接触筒1和接触筒盖2组成，接触筒盖2盖在摩擦接触筒1上构成封闭空间。将颗粒放入摩擦接触筒1和接触筒盖2，然后晃动，使颗粒与摩擦接触筒1充分摩擦，即可在颗粒上产生摩擦静电荷。由于聚四氟乙烯在静电序列中排在最容易带负电位置，所以本发明优选聚四氟乙烯作为荷电颗粒生成装置的材料；同时为研究不同材料摩擦带电的电荷趋势，也可以选择其他摩擦带电材料，颗粒摩擦带电受摩擦接触时间、分离时间影响，在本发明中可通过不同时间进行一系列实验，寻找到最适合的时间。

本发明的荷电颗粒静电电压测量装置是通过将现有法拉第筒进行改进得到。法拉第筒系统常用于测量电荷面密度，由内筒和外筒构成，内外筒分别加盖形成封闭结构，内筒用于测量，外筒用于屏蔽，内、外筒之间采用绝缘支架分隔，通过静电电压表与电容并联实现荷电物体电压值测量。本发明的法拉第筒也由内外筒组成，但采用贯通结构，其具体结构如图2所示，包括：法拉第筒外筒4、绝缘垫块3、法拉第筒内筒5、法拉第筒内筒盖6、带绝缘漏斗8的法拉第筒外筒盖7、导线9、BNC接头10、信号调理电路11、信号采集卡12和计算机13。绝缘垫块3通过环氧树脂粘附在法拉第筒外筒4内部与法拉第筒内筒5底部隔开绝缘并固定位置，法拉第筒内筒盖6盖在法拉第筒内筒5顶部，法拉第筒外筒盖7盖在法拉第筒外筒4顶部，整个法拉第筒的垂直方向上开有直径为10mm的同轴通孔，内孔边缘都涂覆一层环氧树脂。导线9焊接在法拉第筒内筒5外壁并连接到BNC接头10上，通过导线9连接到信号调理电路11进行信号放大、滤波，然后信号采集卡12进行实时采集到计算机13上，并将感应信号数据存储、分析。本具体实施方式中，法拉第筒内筒5和法拉第筒内筒盖6均采用紫铜材料，法拉第筒外筒4和法拉第筒外筒盖7均采用不锈钢材料，绝缘漏斗8和绝缘垫块3均采用聚四氟乙烯材料。当荷电颗粒经由同轴通孔通过法拉第筒时，会在法拉第筒内筒5上产生感应电荷，通过与法拉第筒内筒5连接的感应电压测量单元即可测量出感应电压或颗粒所携带电荷量。本具体实施方式中采用信号调理电路11、信号采集卡12和计算机13构成感应电压测量单元，用以测量荷电颗粒通过法拉第筒时所产生的感应电压。当然，也可以采用现有静电电压表与电容并联的方式实现感应电压或电荷量的测量。

本发明的荷电颗粒注入实验装置，如图3所示，包括：注入漏斗20、带有可调节流阀16的实验导管19、静电传感器17、密封塞21、液体容器15、真空泵22、支架18、信号调理电路11、信号采集卡12和计算机13等组成。实验导管19螺纹连接注入漏斗20与静电传感器17，可调节流阀18连接在静电传感器17下方，通过导管接入到液体容器15内，液体容器15用密封塞21将瓶口封严，密封塞21另一处开孔接真空泵22，真空泵22抽真空吸出液体容器15内空气，从而加快注入漏斗20内液体介质向下流动。注入漏斗20和静电传感器17均通过支架18进行支撑，保证其垂直放置。液体容器15内两导管均应在液面以上。为了便于数据的比较，本具体实施方式中采用与荷电颗粒静电电压测量装置中相同的感应电压测量单元采集处理静电传感器17的测量信号。液体容器15中的液体介质14可根据实际试验需要选择，例如可更换为航空发动机润滑油、机械系统液压油、齿轮油、机油、甚至水等。实验导管19的材料和长度可以调整和更换。整个管道的内径可根据实际工况环境调整为不同尺寸。使用时，沿注入漏斗20边缘向所述液体容器15内持续注入液体介质14，使注入漏斗20中液面保持在某一固定位置，将可调节流阀16开启到最大，并打开真空泵22，通过调整可调节流阀16的开度调节液体介质14流动速度。

采用上述荷电颗粒生成装置和荷电颗粒静电电压测量装置即可实现颗粒的摩擦产生静电并对产生的静电进行准确测量，具体方法如下：

操作员手戴绝缘手套，将接触筒盖2取下，在摩擦接触筒1中放入一个或多个颗粒，然后盖上接触筒盖2封严，用力摇晃时计时器开始计时，以10s摩擦接触时间进行实验，时间结束时，将摩擦接触盖2取下，而后颗粒以3s的脱离摩擦带电产生装置，即完成颗粒的摩擦带电。重复实验十次表明该组实验结束。而后分别以其他条件不变时，在30s、1min、3min、5min、10min的摩擦接触时间进行实验，以开展不同摩擦接触时间对摩擦带电影响。测试实验结果表明，摩擦接触时间3min为测试结果一致性最好。当在其他条件均不变情况下，只改变颗粒不同分离时间为5s、10s、20s等，以开展不同分离时间对摩擦带电影响。测试实验结果表明，分离时间5s为测试结果一致性最好。类似地，只分别改变颗粒材料、、颗粒形状、颗粒粒径等试验参数进行多次试验，即可完成不同材料、不同形状、不同粒径的单个或多个颗粒在不同摩擦筒晃动时间、不同等待时间下的摩擦带电。

将通过上述摩擦带电后分离的颗粒垂直注入到荷电颗粒静电电压测量装置的绝缘漏斗8中，颗粒运动通过法拉第筒，在法拉第筒内筒5上产生感应电压，利用与法拉第筒内筒5连接的感应电压测量单元即可测量出感应电压，该测量结果可视为荷电颗粒全部电荷量的理论静电电压值。为保证数据准确性，可多次重复试验然后取平均值。

利用本发明实验系统还可以实现对静电传感器的标定、颗粒等效直径与颗粒测量理论电压值、颗粒感应电压值之间的定量关系式的建立等不同实验目的。下面分别以上述两种实验为例来进行说明。

传感器的标定，就是用相对标准的量来确定测试系统输出量与输入量之间的对应关系的过程，同时最大限度地消除测量系统中的系统误差。正如背景技术部分所谈到的，荷电磨粒与油液介质的相互作用机理没有获得很好的解释，由此也导致静电传感器在对油液中磨粒所带静电进行测量时，其结果往往不准确，从而导致整个磨粒静电监测系统的可靠性难以得到保证。因此，有必要模拟磨粒在循环润滑系统中的实际环境对磨粒静电监测中所使用的静电传感器进行精确标定，利用本发明实验系统即可实现该目的。标定过程具体如下：

步骤1、沿注入漏斗20边缘向所述液体容器15内持续注入液体介质14，使注入漏斗20中液面保持在某一固定位置，将可调节流阀16开启到最大，并打开真空泵22，通过调整可调节流阀16的开度调节液体介质14流动速度；

步骤2、取特定材料、特定形状、特定粒径的单个或多个颗粒，放入所述摩擦接触筒1并盖上接触筒盖2；晃动摩擦接触筒一段特定的时间；

步骤3、预先将所述法拉第筒置于注入漏斗20上方，将颗粒从摩擦接触筒1中取出并等待一段特定时间，然后使颗粒通过所述法拉第筒上的同轴通孔自由下落至注入漏斗20；通过所述感应电压测量单元测量荷电颗粒的理论电压值，并通过所述静电传感器17进行感应电压信号测量； 

步骤4、分别改变所述颗粒的材料、形状、粒径，以及液体介质，并重复执行上述步骤，即可得到不同材料、不同形状、不同粒径的荷电颗粒在不同液体介质中的理论电压值、静电传感器17的测量电压值；

步骤5、通过对理论电压值和静电传感器17的测量电压值进行比较，实现静电传感器17的标定；由于理论电压值与感应电压值（即分别为输入与输出）保持很好的线性关系，可以用一条直线对校准数据进行拟合。此直线就称为拟合直线，所求得的方程为拟合方程。

直线拟合的方法有很多种，如最小二乘法、平均选点法、断点法等。其中，最小二乘法精度比较高，以下介绍最小二乘法。

已知一组实验数据                                                ，得到它们的近似函数关系 y＝f (x)。偏差有正有负, 为使所有偏差的绝对值都较小且便于计算, 可由偏差平方和最小 来确定近似函数。 

根据最小二乘法，假定是一组测量值，是相应的拟合值， 为均方差，则拟合目标可以表达为

式中：为第次测量值；为测量次数；为相应的拟合值。

测量获得的拟合结果期望最小。

建立颗粒等效直径与颗粒测量理论电压值之间的定量关系，其具体步骤如下：

步骤1、由于颗粒与固体表面接触摩擦情况下使颗粒荷电，由于荷电过程的随机性和过程复杂性，其荷电量可建立如下指数关系：

                                   

式中：为与颗粒材料和荷电介质等有关的常数，可由实验确定；为颗粒等效直径；为由实验确定的常数，通常在1.2～1.6。

步骤2、通过法拉第筒测量的颗粒荷电量为颗粒所携带的全部电荷量，这些电荷量被感应电压测量单元全部检测到，获得颗粒理论电压值：

式中：为系统电容，可用精密万用电桥或其他电容测量仪测量获得；的常数。

建立颗粒等效直径与颗粒注入装置中由静电传感器所测量的感应电压值之间的定量关系，其具体步骤如下：

步骤1、由于颗粒与固体表面接触摩擦情况下使颗粒荷电，由于荷电过程的随机性和过程复杂性，其荷电量可建立如下指数关系：

                                   

式中：为与颗粒材料和荷电介质等有关的常数，可由实验确定；为颗粒等效直径；为由实验确定的常数，通常在1.2～1.6。

步骤2、当荷电颗粒放入到注入漏斗中，由于液体介质与颗粒相互作用下使颗粒荷电进一步发生变化，由于安装在颗粒注入装置上的静电传感器尺寸的限制，其敏感元件的长度不能很大，所以在传感器上仅感应到颗粒荷电量的一部分，设为，根据高斯定理得到：

                                        

式中：为常数；为静电传感器的敏感元件的面积；为颗粒距离静电传感器的敏感元件的距离。公式表明，静电传感器表面的感应电荷量正比于颗粒荷电量，反比于两者的距离的平方。

步骤3、基于静电感应原理，由静电传感器测量的液体介质中颗粒荷电量变化转换成感应电流信号，并通过感应电流经过调理电路转换为感应电压输出，获得的实际输出感应电压值为：

               

式中：为由静电传感器绝缘体电阻、信号调理电路输入阻抗确定；为以恒定速度的荷电磨粒沿直线经过全流量在线磨粒静电传感器探极附近；探极与电荷运动方向垂直距离；的常数；是以为变量的函数。

    以上具体实施例仅是为便于公众理解，并非对本发明技术方案的限定。