基于灵敏度分析的静电传感器优化设计

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1、第33卷第5期2012年5月仪器仪表学报ChineseJournalofScientificInslrumcnl基于灵敏度分析的静电传感器优化设计徐一鸣，左洪福，詹志娟，徐君军(南京航空航天大学W航学院南京210016)摘要：对用于金属接触损伤监测的静电传感器进行了优化设讣研究。利用高斯定律建立了传感器静电感应的解析模型，利用有限元分析方法获得了静电传感器的灵敏度空间分布规律。并在此基础上，针对不同的设让参数进行了有限元仿真分析，得出设计参数(感应面半径、烬蔽罩厚度、屏蔽罩内径、绝缘休介电常数、感应面内缩长度)对灵敏度空间分布

2、的影响，并在试验台上验证了不同设讣参数对接触损伤静电信号的影响，为传感器优化设计提供了依据。关键词：灵敏度;优化设计;静电传感器;磨损;右限元法中图分类号：TH117.1文献标识码：A国家标准学科分类代码：460.1540OptimaldesignofelectrostaticsensorbasedonsensitivityanalysisXuYiming,ZuoHongfu,ZhanZhijuan,XuJunjun(CollegeofCivilAviation,NanjingUniversilyojAeronautics&A

3、stronaulicstNanjing210016,China)Abstract:()j)tirnaldesignoftheelectrostaticsensorformelalconlacIdamagedetectionisinvestigated.AnanalyticalmodelispresentedbasedonGaussMlaw・Thespatialsensitivityoftheelectrostaticsensorisanalyzedwithfinitementmethod(FEM).Thedesignparam

4、etersarevariedintheanalysis.Theinfluencesofthedesignparameters(suchassensingsurfaceradius,shieldthickness,shieldinnerradius,insulatordielectricconstantandsensingsurfaceinnerdistance)onthespatialsensitivityareinvestigatedandverifiedontestrig,whichprovidesthebasisfor

5、theoptimaldesignofelectrostaticsensor.Keywords:sensitivity；designoptimization；electrostaticsensor；wearing；finiteclcmcnlrnclhocl(FEM)收稿日期：2011-06ReceivedDate:2011-06*基金项LI:国家门然科学基金与中国民航联合资助基金重点项0(60939003)资助1引言目前对于轴承、齿轮、轮轨等金属机构接触损伤的在线监控，多把振动与声咅的显著增加或者大磨粒的显著生成作为失效预警或诊

6、断。在实际机构工作中即使接触面出现大量麻点和涂层剥落，以上方法也并不一定能真正起到作用，或者仅仅在机构完全失效之询很短的吋间才能诊断出显著故障特征，这往往导致机构的不正常停机和非计划维修。利用静电感应技术丄对机构的接触损伤部位和产物进行非接触式的监测。其原理是棊于金属接触对在接触、擦伤、掉块、裂纹扩展、形成门层时，均会在表面产牛微量静电⑺5这一现象。该技术能够实现部件表面状态的实时监测,这给维修计划带来宽裕的准备时间,并使预知维修成为可能Q利用静电感应技术监测金屈接触损伤方面的研究已经有部分成果。德国慕尼黑技术大学齿轮研究中心

7、和美国南安普顿大学先后利用销盘试验、循环润滑的疲劳试验、FZG试验装置验证了静电感应信号作为金属部件表血•接触损伤先兆的可行性，此外该技术在F35战斗机PHM(prognosticsandhealthmanagement)系统上得到初步验证阖。传感器是静电感应技术的关键之一，但山于监测对象的静电信号过于微弱，难于监测，口噪声干扰较大，需要很好的屏蔽为了弥补以上的缺点和怵

8、难，对静电传感器的设计参数进行基于灵敏度的分析研究,作为英优化设计的依据。此工作对监测金属接触损伤、预防机构不止常停机貝有重要意义。2静电传感器模型静电传感器

9、被安装在滚伦滑轨摩擦磨损试验台上进行金属平板试验件的接触损伤试验（安装方式见图1）。平板试验件在传感器正下方水平往复运动，与金属滚轮之间的运动为滚-滑动摩擦。静电传感器垂直于试验平板进行安装,感应头与平板表面上点电荷的垂直距离为八水平距离为5当试验平板表血静电区域经过传感器感