CN102305755B - 一种基于径向磁场的在线磨粒监测传感器及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于径向磁场的在线磨粒监测传感器及其监测方法，该传感器包括磁场激励源、铁芯、检测线圈和放大电路，磁场激励源产生的稳定静态磁场经铁芯优化形成稳定的径向磁场作用于油管，当油管中有磨粒通过检测线圈生成感应电压，放大电路对感应电压进行降噪、增幅处理输出。所述的监测方法通过上述传感器获得感应电压，经放大电路处理后得到有效电压信号，通过分析有效电压信号的波形，确定磨粒的运动速度、材质和大小信息。本发明采用稳定的径向磁场作为监测磁场，并通过铁芯对磁场的分布进行优化，能有效的提高传感器的灵敏度和精度，适用于液压系统的在线磨粒监测，能够为液压系统状态监测、故障诊断和寿命预测的需求提供服务。

Description

一种基于径向磁场的在线磨粒监测传感器及其监测方法

技术领域

本发明属于液压系统状态监测、故障诊断及寿命预测技术领域，具体涉及一种基于径向磁场的在线磨粒监测传感器及其监测方法。

背景技术

随着液压系统的广泛应用，人们对液压系统的可靠性的要求越来越高，因此液压系统的的状态监测、故障诊断和寿命预测技术已经业内研究的热点之一。

液压油作为液压系统的重要组成部分，起着传导力和运动、润滑与冷却等重要作用，这使得液压油中的污染物隐含着系统运行状态的大量信息。举例来说，在正常情况下，机械零件的磨损可分为三个阶段：磨合阶段、稳定磨损阶段、急剧磨损阶段。

其中，急剧磨损是器件发生故障的前兆，过度的磨损会损害液压器件并危害整个液压系统的安全。因此，油液中的信息对于液压系统故障的早期预警具有极大意义。利用油液磨粒监测传感器对油液中微粒的尺寸、形状、材质和浓度等指标进行监测，能够使操作人员及时掌握机器磨损程度和液压系统的运行状况，实时对设备进行监管，在液压系统内部元件发生急速磨损的前期便获得预警，能够在不良状况尚未发生时就对特定元件进行更换维修，从而减少维修范围并节省维修费用，降低事故率，提高系统的综合效能，有利于提高系统安全性和生产效率，为改善机器的工况和改进设计提供宝贵信息。因此为了实现液压系统的健康管理，延长液压元件的寿命，保证液压系统正常工作，油液的磨粒监测具有重要意义。

由于液压系统中的磨粒携带有大量摩擦副的信息，因此目前大多数分析手段都是基于光、电、磁等监测磨粒大小、形态、浓度等信息，从而实现液压系统的的状态监测、故障诊断和寿命预测。其中铁谱分析、光谱分析最为成熟，但是这两种分析方法都是离线的分析方法，无法实现对液压系统的实时监测，因此在线磨粒监测传感器的研究成为了研究的焦点。

在线监测传感器的设计原理，可以分为以下7类：即基于磁性搜集原理、基于电感测量原理、基于电容测量原理、基于电阻测量原理、基于光学测量原理、基于声学测量原理和基于x射线原理的在线监测传感器。

目前电感式在线污染监测传感器的研究取得了不小的成果。这些成果主要得益于其结构简单，可以快速、连续进行检测，能够同时获得铁磁和非铁磁材料的有关材质及其浓度的信息，甚至可以区别气泡和非金属颗粒。同时，这类传感器对油液本身没有过高的要求，除电源外不需要额外的发射源和接收装置，使其体积更容易控制，可靠性更高，可以应用在较为复杂的环境中。电感式在线污染监测传感器在具有明显的优势，但也存在着不足。首先是精度上有待提高，无法满足早期故障预测的全部需求；其次是监测结果的波动比较大，干扰严重。这些亟待解决的问题是今后研究的方向，同时表明，电感式在线磨粒监测传感器的研究从理论上和技术上都存在巨大的潜力和重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是：为液压系统的状态监测、故障诊断及寿命预测技术服务，提供了一种高精度，高可靠性的在线磨粒监测传感器及其监测方法，能实时的提供液压油内的磨粒的状态信息。

本发明一种基于径向磁场的在线磨粒监测方法，具体是：首先，利用磁场激励源产生一个稳定的静态磁场；接着，利用铁芯优化所产生的静态磁场使形成径向磁场作用于油管上；然后，在有磨粒通过布置有所述传感器的油管时，布置在铁芯的检测线圈的两端产生感应电压u：

$u=N\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

其中，N为检测线圈的匝数，Δφ为传感器磁回路的磁通量变化，Δt为磨粒的运动时间；

最后，将通过放大电路对检测线圈两端的电压信号进行抑制共模干扰、增大有效信号的幅值处理，最终放大电路输出有效电压信号，通过对有效电压信号进行处理得到磨粒的信息。

本发明一种基于径向磁场的在线磨粒监测传感器，主要包括：

一个布置在铁芯上用于产生一个稳定的静态磁场的磁场激励源；

一个优化所产生的静态磁场使形成径向磁场作用于油管的铁芯；

一个以上布置在铁芯的端面，并在油管中有磨砺通过时产生感应电压的检测线圈；

以及一个连接检测线圈的两端，对检测线圈两端所产生的感应电压进行抑制共模干扰、增大有效信号的幅值处理的连接放大电路。

本发明的优点和积极效果是：

(1)采用铁芯优化传感器磁路，能够有效的降低回路的磁阻，增大回路的磁通，有助于提高传感器的灵敏度；同时也能有效的规划油管中的的磁场分布。

(2)径向磁场布局相对于传统轴向布局，能使得传感器的敏感尺寸(磁场的轴向宽度)与激励源和检测线圈的几何尺寸解耦，因此径向磁场更容易提高单位面积内的磁通量，从而提高传感器的灵敏度。

(3)采用静态磁场能提高传感器的线性度同时减小由激励线圈参数变化导致的测量误差。以往的电磁型磨粒传感器都采用交流激励，产生交变磁场，传感器的非线性问题比较严重；而且激励的频率都在兆赫级甚至更高，激励线圈微小的参数漂移就会引起传感器的输出变化，因此容易引起测量误差。

附图说明

图1是传统电磁传感器施加轴向磁场的结构示意图；

图2是本发明基于径向磁场的在线磨粒监测传感器的结构示意图；

图3是磁场激励源采用激励线圈时的结构示意图；

图4是平头铁芯的磁场仿真图；

图5是尖头铁芯的磁场仿真图；

图6本发明的基于径向磁场的在线磨粒监测方法的流程示意图；

图7是气隙磁阻的等效模型图；

图8是磨砺在传感器中运动的示意图；

图9是本发明实施例模拟铁磁质磨粒通过本发明的传感器产生的电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图是实施例对本发明的在线磨粒监测传感器及其监测方法进行详细说明。

如图1所示，为一种传统电磁传感器在进行磨粒检测，线圈6直接缠绕在油管上构成磁场激励源，给油管5施加了一个轴向磁场。当磨粒进入传感器时，引起线圈6的电感变化，通过检测电感变化，可以一定程度的实现磨粒材质和大小的检测。

如图2所示，本发明的在线磨粒监测传感器主要包括磁场激励源1、铁芯2、检测线圈3和放大电路4。磁场激励源1产生一个稳定的磁势，通过铁芯2获得一个稳定的磁场径向作用于油管5上，当磨粒进入设置传感器位置的油管时，引起通过检测线圈3中的磁通量变化，从而在检测线圈3两端产生感应电压，产生的感应电压经由放大电路4放大，输出到外置的信号采集装置，信号采集装置对得到的感应电压进行处理后，即能获得磨粒大小、材质等相关信息。如图2所示，磁场激励源1设置在铁芯2上，检测线圈3布置在铁芯2的一个端面上，将油管5放置在铁芯2的空缺处。

磁场激励源1是传感器磁场的来源，可以由一定匝数的线圈组成，也可以由磁铁组成。例如，图2所示，磁场激励源1采用磁铁，如图3所示，磁场激励源1采用线圈组成。线圈构成的磁场激励源的磁势可以通过电流控制，而由磁铁组成的磁场激励源的磁势稳定性较好。

铁芯2是磁场的主要通路，采用电工纯铁加工而成。改变铁芯2的结构可以改变油管5中的磁场分布，从而实现优化磁场分布提高传感器性能。如图4所示，铁芯2的端面采用平头结构和如图5采用尖头结构，通过软件仿真的结果，可以发现两种结构产生的磁场分布有较大的区别，因此通过改变铁芯2的结构可以改变油管5中的磁场分布。

检测线圈3是传感器的核心部件，布置在铁芯2的端面上。检测线圈3的几何尺寸和安装位置对传感器的输出都有重要影响。如图2所示，本发明实施例采用单检测线圈结构，布局在铁芯的端面上。也可在铁芯2的两个端面上各布局一个几何尺寸相同的线圈做为检测线圈3，组成检测线圈3的两个线圈可采取差分连接的形式连接后再与放大电路4连接，放大电路4得到的输出电压信号在一定程度上能反映磨粒的径向位置信息；组成检测线圈3的两个线圈也可采用串联形式进行连接后再与放大电路4连接，则能降低磨粒径向分布对检测线圈3两端输出电压的影响。

由于传感器工作环境一般都较为复杂，存在较大的电磁干扰，而检测线圈3的感应电压又很微弱，所以有效信号基本上都是淹没在干扰中的，因此需要在放大电路4中实现对检测线圈3输出的电压信号去除干扰，增大有效信号的幅值、提高输出信号的信噪比等功能。为了减少干扰，对检测线圈3进行电磁屏蔽；同时放大电路4采用差分放大模式，能够有效的抑制共模干扰；除此之外放大电路4的电源采用线性电源，减小放大电路4自身的电气噪声。

如图6所示，本发明一种在线磨粒监测方法，具体是：

首先，通过磁场激发源1激发静态磁场。

接着，通过铁芯2优化所产生的静态磁场，使之形成径向磁场作用于油管5上。

然后，当磨粒通过布置有所述传感器的油管5时，引起径向磁场中磁通量的变化，从而使得检测线圈2的两端产生感应电压。

最后，将检测线圈2两端产生的感应电压通过放大电路4处理，放大电路4对检测线圈2两端的电压信号进行抑制共模干扰、增大有效信号的幅值处理，最终输出有效电压信号。再对得到的有效电压信号经过模拟信号到数字信号的转化，并经过相应的计算处理后，能获得磨粒大小、材质等相关信息，这些信息可被用于液压系统的状态监测、故障诊断及寿命预测。

具体检测方法的原理如下：当磨粒通过传感器时回路中磁阻的变化，从而引起检测线圈中的磁通量变化，由法拉第电磁感应定律可知，检测线圈两端会相应的产生感应电压u，如公式(1)所示。

$u=N\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

u为检测线圈的输出电压，N为检测线圈的匝数，Δφ为传感器磁回路的磁通量变化，Δt为磨粒的运动时间。

在传感器磁回路中，总磁阻等于铁芯的磁阻与气隙的磁阻之和，其中气隙磁阻可以等效为有限条磁路r₁～r_n的磁阻并联，其拓扑关系如图7所示。所以回路的总磁通为

$\mathrm{\φ}=\frac{F}{R}=\frac{F}{R_S+R_A}=\frac{F}{R_S+\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{r_i}}}---\left(2\right)$

F为磁场激励源1产生的磁势，当磁场激励源1为一定匝数的激励线圈时，F＝N₀I，下面具体就以磁场激励源1为一定匝数的激励线圈来说明。N₀为激励线圈的匝数，I为激励线圈中的电流，R_S为铁芯的磁阻，R_A为气隙的磁阻，r_i为第i条磁路的磁阻。

由于铁芯磁阻远远小于气隙的磁阻，即R_S＜＜R_A所以

$\mathrm{\φ}\≈N_{0}I\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{r_i}---\left(3\right)$

假设磨粒从无穷远处沿x轴方向向传感器运动，所述的x轴方向为油管轴向方向。如图8所示，t时刻磨粒所在的位置为P，经过磨粒的气隙中磁感线的长度为l_p，则传感器磁回路的磁通变化为：

$\mathrm{\Δ\φ}={\mathrm{\φ}}_P-{\mathrm{\φ}}_0=N_{0}I(\frac{1}{R_P}-\frac{1}{R_0})---\left(3\right)$

φ_P为磨粒在位置P时传感器磁回路的总磁通，φ₀为磨粒在无穷远处时传感器磁回路的总磁通，R_P为磨粒在位置P时传感器磁回路的磁阻，R_O为磨粒在无穷远处时传感器磁回路的磁阻。

将公式(3)带入公式(4)，得

$\mathrm{\Δ\φ}=N_{0}I[(\underset{i=1,i\≠p}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{r_i}+\frac{1}{r_p^{\′}})-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{r_i}]=N_{0}I(\frac{1}{r_p^{\′}}-\frac{1}{r_p})---\left(4\right)$

r_p为磨粒在无穷远处时第p条磁路的磁阻，r′_p为磨粒在位置P时第p条磁路的磁阻。

将磨粒等效为长方体，其几何尺寸为：a_δ为磨粒的长，b_δ为磨粒的宽，h_δ为磨粒的高，磨粒的高为沿磁感线方向的长度。

由长方体磁阻计算公式

$r=\frac{l}{{\mathrm{\μ}}_{a}s}---\left(5\right)$

l为长方体的高，s为长方体的底面积，μ_a为长方体内物质的绝对磁导率。可得等效长方体的磨粒的磁阻为：

$r_p=\frac{l_p}{a_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\μ}}_0}---\left(6\right)$

$r_p^{\′}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0}(\frac{l_p-h_{\mathrm{\δ}}}{a_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}}+\frac{h_{\mathrm{\δ}}}{a_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}\mathrm{\μ}})=\frac{1}{a_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\μ}}_0}[l_p-(1-\frac{1}{\mathrm{\μ}})h_{\mathrm{\δ}}]---\left(7\right)$

μ₀为真空磁导率，μ为磨粒的相对磁导率。l_p为磨粒在位置P时气隙中磁感线的长度。

将公式(7)(8)带入公式(5)得

$\mathrm{\Δ\φ}=N_{0}I{\mathrm{\μ}}_0{a}_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}[\frac{1}{l_p-(1-\frac{1}{\mathrm{\μ}})h_{\mathrm{\δ}}}-\frac{1}{l_p}]=N_{0}I{\mathrm{\μ}}_0{a}_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}\frac{(1-\frac{1}{\mathrm{\μ}})h_{\mathrm{\δ}}}{[l_p-(1-\frac{1}{\mathrm{\μ}})h_{\mathrm{\δ}}]l_p}---\left(8\right)$

由于μ＞0且l_p＞＞h_δ，因此

$\mathrm{\Δ\φ}\≈N_{0}I{a}_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}{h}_{\mathrm{\δ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0(\mathrm{\μ}-1)}{\mathrm{\μ}}\frac{1}{{l_p}^2}---\left(9\right)$

由于是传感器中气隙磁力线的长度是油管轴向位置x的函数，即l_p＝l(x)，所以由公式(10)可知

$\mathrm{\Δ\φ}\left(x\right)={\mathrm{Fa}}_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}{h}_{\mathrm{\δ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0(\mathrm{\μ}-1)}{\mathrm{\μ}}\frac{1}{l{\left(x\right)}^2}=N_{0}I{a}_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}{h}_{\mathrm{\δ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0(\mathrm{\μ}-1)}{\mathrm{\μ}}\frac{1}{l{\left(x\right)}^2}---\left(11\right)$

由公式(1)(11)，可得传感器的输出电压

$u=N\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δ\φ}\left(x\right)}{\mathrm{\Δt}}=N\underset{\mathrm{\δt}\→0}{\mathrm{llim}}\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}^{\′}\left(x\right)\mathrm{\δx}}{\mathrm{\δt}}=\mathrm{N\Δ}{\mathrm{\φ}}^{\′}\left(x\right)\underset{\mathrm{\δt}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\δx}}{\mathrm{\δt}}$

$=-2N{\mathrm{Fa}}_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}{h}_{\mathrm{\δ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0(\mathrm{\μ}-1)}{\mathrm{\μ}}\frac{l^{\′}\left(x\right)}{l{\left(x\right)}^3}v---\left(12\right)$

$=-2N{N}_0{\mathrm{Ia}}_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}{h}_{\mathrm{\δ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0(\mathrm{\μ}-1)}{\mathrm{\μ}}\frac{l^{\′}\left(x\right)}{l{\left(x\right)}^3}v$

v为磨粒的相对于传感器沿X轴的速度。

由式(12)可以看出，通过本发明的能够获得电压u的值，检测线圈的匝数N、激励线圈的匝数N₀、激励线圈中的电流I和传感器磁力线的长度l(x)为传感器的已知参数，真空磁导率μ₀和磨粒的相对磁导率μ为物理常量，μ通过磨粒在传感器运动的时间，即输出一个电压波形的时间，计算出磨粒的运动速度v，通过输出电压幅值的范围根据式(12)推断出磨粒的材质从而得到μ大小；最终解出磨粒的等效体积a_δb_δh_δ。

实际液压系统中磨粒的产生主要是由于各摩擦副的两个面相互摩擦产生的，磨粒的大小在几微米到几毫米之间。由于磨粒在实际液压管道中的分布和速度可控性差，不利于直观的反应本传感器的实际性能。因此在实施例中，是采用蜡柱模拟液柱携带磨粒在管道中运动。具体实施过程是将一颗磨粒封装在蜡柱中，在气压的作用下使之沿管道，快速通过传感器。采集磨粒通过传感器过程中，传感器的输出电压，波形如图9所示。

实验波形表明，当磨粒通过传感器时能产生明显的电压波形。通过分析波形可以得到磨粒磁特性信息，通过波形产生的时间能够得到磨粒的运动速度，依据公式(12)通过电压波形的最大幅值能够得到磨粒的大小信息，因此本发明能够有效的实现磨粒的在线监测。

Claims (1)

1.一种基于径向磁场的在线磨粒监测方法，其特征在于，利用一种在线磨粒监测传感器，该在线磨粒监测传感器包括：一个布置在铁芯上用于产生一个稳定的静态磁场的磁场激励源；一个优化所产生的静态磁场使形成径向磁场作用于油管的铁芯；一个以上布置在铁芯的端面，并在油管中有磨粒通过时产生感应电压的检测线圈；以及一个连接检测线圈的两端，对检测线圈两端所产生的感应电压进行抑制共模干扰、增大有效信号的幅值处理的连接放大电路；具体在线磨粒监测的方法是：

首先，利用磁场激励源产生一个稳定的静态磁场；

接着，利用铁芯优化所产生的静态磁场使形成径向磁场作用于油管上；

然后，在有磨粒通过布置有所述传感器的油管时，布置在铁芯的检测线圈的两端产生感应电压u：

$u=N\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

其中，N为检测线圈的匝数，Δφ为传感器磁回路的磁通量变化，Δt为磨粒的运动时间；所述的传感器磁回路的磁通量变化Δφ为：

$\mathrm{\Δ\φ}\left(x\right)={\mathrm{Fa}}_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}{h}_{\mathrm{\δ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0(\mathrm{\μ}-1)}{\mathrm{\μ}}\frac{1}{l{\left(x\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，F为磁场激励源的磁势，a_δ为等效为长方体的磨粒的长，b_δ为等效为长方体的磨粒的宽，h_δ为等效为长方体的磨粒的高，磨粒的高为沿磁感线方向的长度，μ₀为真空磁导率、μ为磨粒的相对磁导率，l(x)为传感器中气隙的磁力线的长度，x为沿油管轴向上的位置；

最后，通过放大电路对检测线圈两端的电压信号进行抑制共模干扰、增大有效信号的幅值处理，最终放大电路输出有效电压信号，通过对有效电压信号进行处理得到磨粒的信息；

所述的对有效电压信号进行处理得到磨粒的信息，具体是：将式(2)代入式(1)，得到：

$u=-2{\mathrm{NFa}}_{\mathrm{\δ}}{b}_{\mathrm{\δ}}{h}_{\mathrm{\δ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0(\mathrm{\μ}-1)}{\mathrm{\μ}}\frac{l^{\′}\left(x\right)}{l{\left(x\right)}^3}v---\left(3\right)$

通过所述在线磨粒监测方法获得感应电压u，检测线圈的匝数N，磁场激励源产生的磁势F和传感器磁力线的长度l(x)为传感器的已知参数，真空磁导率μ₀和磨粒的相对磁导率μ为物理常量，通过磨粒在传感器运动的时间，得到磨粒的相对于传感器沿油管轴向运动的速度v，通过输出电压幅值的范围判断出磨粒的材质从而确定μ大小，最终根据式(3)得到磨粒的等效体积a_δb_δh_δ。

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