CN103217365A

CN103217365A - 一种在线油路磨粒监测装置

Info

Publication number: CN103217365A
Application number: CN2013101049275A
Authority: CN
Inventors: 古军; 詹惠琴; 白雷; 古天祥; 李硕
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: CN103217365B

Abstract

本发明提供了一种在线油路磨粒监测装置，通过在初始上电时，调节油路磨粒传感器的两组激励线圈上激励信号的幅度差和相位差，使油路磨粒传感器的两个激励线圈产生的磁场极性相反并在中间检测线圈处抵消。这样，在平常没有带磨粒的油液通过油路磨粒传感器时，检测线圈上只有一个较小的载波信号输出；当有磨粒的油液通过传感器时，产生的磨粒信号会调制在载波信号上，然后送入信号检测电路进行放大及解调，就能得到有效的磨粒信号，将此磨粒信号送入DSP进行处理，得到油液中磨粒的大小，个数及材质等参数，这些参数反映被监测机械设备的磨损情况，从而实时获得被测设备的健康状况，实现了在线油路磨粒的监测。

Description

一种在线油路磨粒监测装置

技术领域

本发明属于磨粒监测技术领域，更为具体地讲，涉及一种在线油路磨粒监测装置。

背景技术

在机械设备自动化水平不断提高的今天，机械设备的复杂程度也在不断提高，然而，随之而来的各种机械设备故障层出不穷，种类也多种多样。机械设备因长期运行导致疲劳损伤所引起的性能下降或功能失效，已成为引发各种故障的主要诱因。比如，机械设备的旋转部件，由于接触面的互相摩擦引起切削、磨损而导致其损伤，且损伤程度随时间的增加而增大。根据中国民航总局的统计资料，由机械故障引起的重大飞行事故占总事故的比率为37.9%。因此，及时的对机械设备的损伤状况进行分析，意义重大。

目前，大多数机械设备都会用到润滑油，许多复杂机械设备如汽车发动机、航空发动机等，都有自身的润滑油路系统。润滑油对机械设备来说，可以起到以下作用：①降低摩擦阻力以节约能源，减少磨损以延长机械寿命；②冷却，将摩擦热排出机外；③抗腐蚀防锈，保护摩擦表面不受外来侵蚀；④清净冲洗，把摩擦面积垢清洗排除。因此，在机械设备的润滑油液中含有大量分散的，材质各异的微粒。比如输油管线管壁上的剥落异物、由于操作不当而引入的外来污染物、机械部件磨损、烧蚀或疲劳剥落所产生的碎屑等等。其中，因磨损或切削剥落效应所产生的磨粒能在很大程度上反应机械设备的运行状态及健康状况。因此，对设备的润滑油液内的磨粒进行分析能在很大程度上反映出机械设备的损伤程度，进而得出机械设备的运行状况。目前，国内外比较成熟的润滑油液磨粒监测的方法主要有光谱、铁谱、能谱、颗粒计数和磁塞法，但多属于离线测量，这种测试方式存在反应慢、周期长、取样过程要求严格等缺点，不能快速连续进行检测进而及时反映机器运行状态。因取样数量的限制，在取油液时也很难得到有代表性的油样。有些设备体积庞大，构造复杂，价格也比较昂贵。因而，近年来，迫切需要进行在线油路磨粒分析，以提高磨粒检测速度，缩短分析周期，及时发现并早期预报突发性故障。

发明内容

本发明的目的在于克服现有磨粒监测的不足，提供一种在线油路磨粒监测装置，以提高磨粒检测速度，缩短分析周期，及时发现并早期预报突发性故障。

为实现以上目的，本发明在线油路磨粒监测装置，其特征在于，包括：

油路磨粒传感器，由一个中心带有管道的磁惰性骨架上绕制三组线圈构成；其中，位于两侧的两组线圈为一对反相串联的激励线圈，距两侧线圈一定距离的中间部分为一组检测线圈；中心的管道接入油路中，油液流过该管道；

激励信号源电路，用于产生两路频率相同、幅度差和相位差可调的激励信号，并分别输入到油路磨粒传感器的两组激励线圈；油路磨粒传感器的检测线圈产生感应信号，并输出到信号检测电路；初始上电时，调节两路激励信号的幅度差和相位差，使它们产生的磁场在中间检测线圈处方向相反而相互抵消，检测线圈处磁场强度降低，检测线圈没有带磨粒的油液通过时，输出的感应信号即载波信号幅值减小，以满足在带有磨粒的油液流过油路磨粒传感器时，磨粒导致检测线圈产生的感生电动势能作为调制信号对载波信号进行调制后，不会使后续信号放大与调理电路饱和，调节好，保持两路激励信号的幅度差和相位差，以输出稳定的载波信号用于调制信号对其的调制；

信号检测电路，用于将感应信号放大，并将调制信号提取出来，输出到信号采集电路；

信号采集电路，用于对调制信号进行采集，然后送入DSP中进行分析处理；

DSP，用于对采集的调制信号即磨粒信号进行分析处理，得到油液中磨粒的大小，个数及材质等参数，这些参数反映被监测机械设备的磨损情况，从而实时获得被测设备的健康状况，实现了在线油路磨粒的监测。

本发明的目的是这样实现的：

本发明在线油路磨粒监测装置，通过在初始上电时，调节油路磨粒传感器的两组激励线圈上激励信号的幅度差和相位差，使油路磨粒传感器的两个激励线圈产生的磁场极性相反并在中间检测线圈处抵消。这样，在平常没有带磨粒的油液通过油路磨粒传感器时，检测线圈上只有一个较小的载波信号输出；当有磨粒的油液通过传感器时，产生的磨粒信号会调制在载波信号上，然后送入信号检测电路进行放大及解调，就能得到有效的磨粒信号，将此磨粒信号送入DSP进行处理，得到油液中磨粒的大小，个数及材质等参数，这些参数反映被监测机械设备的磨损情况，从而实时获得被测设备的健康状况，实现了在线油路磨粒的监测。

附图说明

图1是本发明在线油路磨粒监测装置一种具体实施方式原理框图；

图2是图1所示油路磨粒传感器纵向截面结构及磁场分布图；

图3是图1所示激励信号源电路的原理图；

图4是图3所示激励信号源1的激励信号幅度调节原理图；

图5是图1所示信号检测电路的原理图；

图6是图5所示检波电路在检波同步与不同步是各点的信号波形图；

图7是图1所示信号检测电路各级信号波形图；

图8是自动调平衡流程图；

图9是没有带磨粒的油液通过时的磨粒信号波形图；

图10是带有磨粒的油液通过时的磨粒信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明在线油路磨粒监测装置一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图1所示，本发明线油路磨粒监测装置包括油路磨粒传感器1、激励信号源电路2、信号检测电路3、信号采集电路4、DSP5以及上位机6。

如图1所示，油路磨粒传感器1由一个中心带有管道的磁惰性骨架101上绕制三组线圈构成，其中，位于两侧的两组线圈102为一对反相串联的激励线圈，距两侧线圈102一定距离的中间部分为一组检测线圈103；中心的管道接入油路中，油液流过该管道。

激励信号源电路2产生两路频率相同、幅度差和相位差可调的激励信号，并分别输入到油路磨粒传感器1的两组激励线圈102；油路磨粒传感器1的检测线圈103产生感应信号，并输出到信号检测电路3；初始上电时，调节两路激励信号的幅度差和相位差，使它们产生的磁场在中间检测线圈103处方向相反而相互抵消，检测线圈103处磁场强度降低，检测线圈103没有带磨粒的油液通过时，输出的感应信号即载波信号幅值减小，以满足在带有磨粒的油液流过油路磨粒传感器1时，磨粒导致检测线圈103产生的感生电动势能作为调制信号对载波信号进行调制后，不会使后续检测电路3饱和。

在本实施例中，激励信号源电路2包括控制逻辑电路201、激励信号源1202、激励信号源2203以及同步检波信号发生器204。

激励信号源1202、激励信号源2203用于产生所述的两路频率相同、幅度差和相位差可调的激励信号，同步检波信号发生器204用于产生同步检波控制信号提供给信号检测电路3对感应信号进行解调，同步检波控制信号的频率与两路激励信号的频率相同，相位可调，使检测电路3能对感应信号进行同步检波。

控制逻辑电路201接收来自DSP的调幅调相控制信号，控制激励信号源1202、激励信号源2203以及同步检波控制信号发生器204以产生所述的激励信号和同步检波控制信号。

在本实施例中，信号检测电路3包括前置放大电路、同步检波电路以及低通滤波和后级放大电路。前置放大电路对感应信号进行放大，得到前置放大信号；前置放大信号分为两路，一路送入同步检波电路，依据同步检波控制信号对感应信号进行检波，检波后输出到低通滤波和后级放大电路进行滤波和放大，得到调制信号即磨粒信号并送入采集电路4，另一路直接送入采集电路4中。

信号采集电路4依据DSP输出的采集通道选择控制信号，选择前置放大信号或磨粒信号进行采集，然后将采集信号送入DSP中进行分析处理。

DSP5在初始上电时，DSP控制下进行平衡调节：DSP5输出采集通道选择控制信号给采集电路4，使其选择前置放大信号进行采集，然后，DSP输出调幅调相控制信号给激励信号源电路2，改变调节两路激励信号的幅度差和相位差，同时根据采集电路4的采集信号幅度值，选择没有带磨粒的油液通过时，采集信号幅值最小的幅度差值和相位差值，此时，输出的感应信号即载波信号幅值减小到最小，不会使后续检测电路3饱和。

平衡调节完毕后，DSP5输出调幅调相控制信号，保持选择的两路激励信号的幅度差和相位差，以输出稳定的载波信号用于调制信号对其的调制；同时，DSP5输出采集通道选择控制信号给采集电路4，使其选择磨粒信号进行采集，并采集的调制信号即磨粒信号进行分析处理，得到油液中磨粒的大小，个数及材质等参数，这些参数反映被监测机械设备的磨损情况，从而实时获得被测设备的健康状况，实现了在线油路磨粒的监测。

在本实施例中，DSP5还将监测的情况通过RS232接口发送给上位机6。

本发明在线油路磨粒监测装置为一种在线式油液磨粒监测技术，其具有监测连续性、实时性、实况与分析结论的同步性。

本发明在线油路磨粒监测装置能够根据磨粒信号的分析实现如下功能：

1、确定油路中的铁磁质或抗磁质金属磨粒尺寸和数量；

2、对磨粒进行分级，统计出变化趋势；

3、当检测到的磨粒尺寸超出一定标准时，发出报警信号，提醒异常情况发生。

下面结合附图对各个部分进行详细说明。

一、油路磨粒传感器结构

为了达到在线监测的目的，本发明在线油路磨粒监测装置采用了电感式油路磨粒传感器。该类传感器基于油路油液中铁磁质或抗磁质磨粒与线圈之间的电磁感应原理设计，最主要的部件即为电感线圈，在电感线圈上通入激励信号，线圈内部和周围即会产生磁场，当被测铁磁质或抗磁质的磨粒通过线圈时，就会造成内部磁场扰动，进而改变线圈的磁通量，导致线圈的电感量发生变化，电感量变化将会产生感生电动势，此感生电动势即为所需的磨粒信号。

为了提高油路磨粒传感器的灵敏度及抗干扰能力，本发明采用了基于以上基本原理而设计的三线圈结构的油路磨粒传感器，如图2所示。其具体结构为，在一个中心带有管道的磁惰性骨架101上绕制三组线圈，其中两侧线圈为一对反相串联的激励线圈102，距两侧线圈一定距离的中间部分为一组检测线圈103。将两路频率固定，幅度差和相位差可调的交流激励信号U_i=U_mcos(wt)引入两侧激励线圈102，分别调节两路激励信号的幅度差和相位差，使两路激励信号产生的磁场在中间检测线圈103处方向相反，相互抵消，检测线圈103没有带磨粒的油液通过时，输出的感应信号即载波信号幅值减小，以满足在带有磨粒的油液流过油路磨粒传感器时，磨粒导致检测线圈103产生的感生电动势能作为调制信号对载波信号进行调制后，不会使后续信号放大与调理电路饱和，调节好，保持两路激励信号的幅度差和相位差，以输出稳定的载波信号用于调制信号对其的调制。

所以当油液中没有磨粒通过油路磨粒传感器时，检测线圈会输出一个与两侧线圈上的激励信号同频，但幅值微弱的载波信号U_o=U_omcos(wt)，一般情况下，该载波信号的幅值不应大于100uV。带有磨粒的油液流过油路磨粒传感器过程，首先磨粒经过一侧的激励线圈102，会引起一侧的激励线圈102在检测线圈处产生的磁场发生变化，进而引起检测线圈103的磁场扰动，打破检测线圈103处的磁平衡状态，导致检测线圈103产生感生电动势，此感应电动势幅值和相位与油液中磨粒的大小，材质等参数相关，这些参数反映被监测机械设备的磨损情况，从而实时获得被测设备的健康状况，实现了在线油路磨粒的监测。

同理，磨粒经过一侧的激励线圈102时，也会使检测线圈103产生感生电动势，但会与第一次产生的电动势相位相反。这两次感应电动势会合成一个类似正弦波的信号U_s=U_smcos(w_smt)并调制在载波信号U_o=U_omcos(wt)上输出，输出信号用公式可表示为U_w=U_om*[1+m_acos(w_smt)]cos(wt)，其中m_a=U_sm/U_om，为调制系数。

由于带有磨粒的油液流过油路磨粒传感器时，铁磁质和抗铁磁质对激励线圈102磁场的作用相反，前者增强磁场，后者削弱磁场，导致检测线圈103输出的调制信号相位相反，由此可区分通过油路磨粒传感器的油液中所含磨粒的材质。在磨粒材质不变的情况下，磨粒的尺寸越大，对磁场影响越大，检测线圈输出感应调制信号的幅值越大，由此可区分通过油路磨粒传感器的油液中所含磨粒的尺寸。因为油路磨粒传感器是电磁敏感型器件，为了减少周围环境的电磁干扰对传感器的影响，应将油路磨粒传感器装入铁质外壳内。

二、激励信号源电路

本发明在线油路磨粒监测装置要求在没有带磨粒的油液通过油路磨粒传感器1时，油路磨粒传感器的两侧激励线圈102所产生的磁场在中间检测线圈103处达到几乎抵消的平衡状态（由于磨粒信号很微弱，在几十微伏，需要进行放大，其载波幅值也相应比较低，以免后续放大时出现饱和现象）。然而，由于漆包线绕制工艺和传感器骨架加工精度的限制，两个激励线圈102的电感量和内阻的不同，使中间检测线圈103处磁场正好完全抵消是比较难的。当没有磨粒经过油路磨粒传感器1时，检测线圈103也将会产生一个比较强的感应信号，其频率和激励线圈102的输入信号一致，若此感应信号即载波信号幅值过大，则会导致后续高倍数放大电路截止，致使磨粒信号无法提取。在没有带磨粒的油液通过油路磨粒传感器1时，为了使检测线圈103中的磁场趋近于零磁场，可通过调节两个激励线圈输入的激励信号的幅度差和相位差来实现。

为了提高油路磨粒传感器1的测量精度，本实施例，如图3所示，采用一种性能优越的双通道信号发生器作为两组激励线圈102的激励信号源。本实施例中，采用了直接数字合成(Direct Digital Synthesis，简称DDS)技术，它具有良好的输出特性与调制特性，又具有高稳定性与高分辨率的特点，同时输出信号的波形、频率、相位和幅值均可程控。

本实施例所用到的激励信号源1202、激励信号源2203基于FPGA设计，采用直接数字合成技术控制激励信号的频率和幅值。根据模块化设计的思想，由DDS基本原理，将激励信号源电路2分为如图3所示的四大模块：

（1）控制逻辑电路201：包含相位累加器、相位寄存器、频率控制字寄存器、两个加法器以及SPI接口以及幅度调节DAC。在时钟控制下，每个时钟相位累加器将频率控制字寄存器存储的频率控制字与相位寄存器存储的数据进行相加，并存入相位寄存器中，与此同时，相位寄存器存储的数据分为两路，一路直接作为地址输出给激励信号源1202，另一路与SPI接口接收的来自DSP的激励信号相位控制字相加，然后作为地址输出给激励信号源2203，来自DSP的同步检波控制信号相位调节控制字，作为初始相位输出给同步检波控制信号发生器204；幅度调节DAC接收来自DSP的激励信号幅度控制数据，并转为相应幅值的模拟信号作为调幅参考电压输出给激励信号源1202；

（2）激励信号源1

在激励信号源1202中，根据输入的地址，在波形数据存储器中进行查找，输出相应的波形数据到DAC1中进行数模转换，得到相应的模拟信号，然后进行滤波及功率驱动，得到一路激励信号，并输出到油路磨粒传感器1的一组激励线圈102；其中DAC1的参考电压端接调幅参考电压，从而可以对该路激励信号的幅度进行调整，从而实现两路激励信号的幅度差调节。

（3）激励信号源2

在激励信号源2203中，根据输入的地址，在波形数据存储器中进行查找，输出相应的波形数据到DAC2中进行数模转换，得到相应的模拟信号，然后进行滤波及功率驱动，得到另一路激励信号，并输出到油路磨粒传感器1的一组激励线圈102。

（4）、同步检波控制信号发生器

同步检波控制信号发生器204为一个与两路激励信号同频，但初始相位可变的方波信号发生器，根据DSP传来的同步检波控制信号控制字作为输入初始相位值，调节方波的初始相位得到同步检波控制信号控制字，并输出到信号检测电路3。

在本实施例中，波形地址为同一相位累加器产生，且激励信号源1202、激励信号源2203中的波形数据存储器储存的波形完全相同，因此输出的两路激励信号以及同步检波控制信号的频率是完全相同的。同时，激励信号源1202中模数转换的参考电压可调，该路激励信号的幅度可以调整，从而实现两路激励信号的幅度差调节；激励信号源2203输入的地址是相位累加器累加的地址与来自DSP的激励信号相位控制字相加得到，通过调节来自DSP的激励信号相位控制字就可以改变该路激励信号的相位，从而实现两路激励信号的相位差调节，同理，同步检波控制信号发生器204输入的初始相位为来自DSP的同步检波控制信号控制字，通过调节来自DSP的同步检波控制信号相位调节控制字就可以改变同步检波控制信号的相位，从而使信号检测电路3实现同步检波。

激励信号源1的激励信号幅度调节原理如图4所示，

数模转换器（DAC）是整个激励信号源的关键部分，波形的质量决定于D/A的转换分辨率与转换速度。当数模转换器产生一个波形，由若干个阶梯构成，数模的位数越多，分辨率便越高，输出的阶梯信号越平滑，高阶谐波分量越小。为了获得连续平滑的输出信号，一个周期的波形需用更多的幅值点来描述，因此应考虑采用较高位宽的DA。在本实施例中，波形数据的数模转换器采用了DAC904，它是一个14位并联数字输入，拥有125MSPS转换速率的电流输出型数模转换器，输出的建立时间为2.5ns。由于DAC904为差分电流输出型器件，因此其输出端接一个差分运放完成电流转换为电压输出的功能。

在本实施例中，激励信号的幅度调节功能是采用一个12bits分辨率的幅度调节DAC（DAC7513）输出连接到数模转换器DAC(DAC904)的参考电压Vref端的方式，幅度调节的分辨率为ΔU_m=U_m/4096。此幅度调节方式是一种数字化控制模数转换器输出波形幅度的方法，它通过采用两个DAC级联的方式，第一级为幅度控制DAC，第二级为波形合成DAC。采用此种方法能使幅度调节在微控制器的控制下自动完成，方便快捷，且精度较高，避免了人工手动调节速度慢，精度较低，操作繁琐等缺点。DAC7513为一种兼容SPI协议的串行D/A，DAC7513的输入为DSP通过SPI（串行外设总线）线送来的幅度控制信号，其输出信号与基准电压按比例相减后作为DAC904的参考电压，调节DAC7513的输出电平，就可以调节DAC904的基准电压，达到幅度控制的目的。

由于路磨粒传感器1的阻抗相对较低，因此需要用较大的功率才能驱动其激励线圈102以产生足够强度的磁场。理论上，激励线圈102的电流越大，则磨粒的感应信号越强，但实际上较大的激励电流也会带来较大的噪声，且在路磨粒传感器1阻抗固定的情况下，要提高激励电流必须增大电源电压，较高电压的直流电源不易获取，也没有必要。经过实际调试，+-12V电源供电已足以满足设计要求指标，因此，功率放大部分也与其他部分电路一样统一采用了+-12V电源供电。在本实施例中，功率放大部分电路采用运放与功率对管构成的互补推挽电路（OCL电路）级联的方式，运放完成电压放大功能，互补推挽功率管完成电流放大功能。

三、信号检测电路

在本实施例中，如图5所示，信号检测电路3包括前置放大电路301、同步检波电路302以及低通滤波和后级放大电路303。

1、前置放大电路

当带有磨粒的油液通过磨粒检测传感器1时，其输出的感应信号非常微弱 (μV级)。因此，必须采取低噪声前置放大电路301对感应信号进行放大处理，否则放大电路中引入的噪声干扰会使检测线圈103输出的感应信号发生畸变，甚至完全淹没与磨粒信息相关的有用信号。

为了更好的对感应信号中磨粒信号进行提取与处理，我们需要将检测线圈103输出的感应信号放大5万倍左右，才能满足后续信号提取电路（检波和滤波）的输入电平要求，单级放大电路很难满足高放大倍数的要求，因此前置放大电路301采用了两级放大电路。前置放大电路301对整个信号的提取起关键性作用，要求其在完成较高倍数电压放大任务的同时也能不失真的还原信号，简单来说就是要达到低噪声高倍数放大的要求。在本实施例中，前置放大电路301采用两级正向放大运放级联的形式，第一级为100倍放大，第二级为500倍放大，因此，两级电路共提供了50000倍的电压放大倍数。

因为要求前置放大部分进行低噪声高倍数放大，因此对于前置放大电路301部分来说，运放型号的选择相当重要。所选择的运放应具有较高的增益带宽积，较小的输入失调电压和温漂，以及较低的噪声电压，OPA211为一款低噪声运算放大器，且具有较高的压摆率，因此在上述指标方面表现较好。另外，为了增大输入阻抗，减小磨粒检测传感器1输出内阻的影响，采用同相放大电路。因此，本实施例中采用了两个OPA211构成的同相放大器级联来作为两级低噪声前置放大器。

2、同步检波电路

相位同步检波电路抗干扰能力强，有利于检测某一频段的微弱信号。同步检波是一种幅值解调电路，其特点是输入信号为两路，一路为需要解调的调幅信号，另一路为参考信号。相位同步检波电路主要通过参考信号来选择解调的频率和鉴别调幅信号的相位，其具体工作特点如下：

（1）具有窄带通滤波功能。它能够使输入信号特定频率分量通过而抑制其他频率分量。对输入信号不同频率分量呈现不同的传递函数。这样可以实现抑制高频干扰的目的。

（2）具有对调制信号进行解调的功能。同步检波电路的原理不同于包络检波，它通过一个与载波信号同频同相的参考信号与调幅调制信号相互作用（混频或控制调幅调制信号作全波整流），滤去载波成分，得到有用信号。

模拟乘法器电路和模拟开关电路是两种常用的相位同步检波电路。模拟乘法器构成的相位同步检波电路，其输出信号大小与参考信号成正比，对参考信号频率和幅值要求较高，而且存在非线性误差。模拟开关型相位同步检波电路的检波质量不受参考信号幅值的影响，只对参考信号的频率及相位有较高要求，这在实际使用中较易实现。因此，在的相位同步检波电路采用了模拟开关电路，其电路原理图如图5中间部分所示，将前置放大电路301放大后的感应信号作为待解调信号Ua，来自激励信号源电路3的同步检波控制信号为参考信号Us输入模拟开关型相位同步检波电路，Uo检波输出感应信号。

待解调信号Ua为前置放大电路301输出的信号，此信号为一个与激励信号同频的载波信号，当有磨粒通过时，磨粒信号会以调幅调制的方式调制在此载波信号上。

参考信号Us为来自激励信号源电路3的同步检波控制信号，作为模拟开关控制信号，用来控制同步检波电路302中的双一刀二掷模拟开关，实现同步检波。

参考信号Us周期性的方波信号，要求其与待解调信号的载波信号同频。显然，在模拟开关型相位同步检波电路中，控制单元响应速度将限制其上限选择频率。在本实施例中，选择频率比较低，因而对模拟开关的频率要求不高。在本实施例中，除了频率外，还要求控制模拟开关的参考信号Us相位可调且具有极高的相位分辨率，只有调节控制模拟开关参考信号Us的相位使其与带解调信号同相，才能使得模拟开关检波输出的信号幅值抖动较小，有利于磨粒信号的提取。在本实施例中，因为控制模拟开关的参考信号Us由激励信号源电路2中的相位累加器逻辑产生，所以通过改变产生同步检波控制信号即参考信号Us的相位累加器的初始相位累加值，可以达到改变参考信号Us相位的目的。当调节来自DSP的同步检波控制信号相位调节控制字即初始相位累加值到一定值时，相位同步检波电路的输出信号抖动会明显减小，此时说明控制模拟开关的参考信号Us已与待解调信号即前置放大电路301输出的信号同步，在这里，我们将这个使参考信号Us与待解调信号Ua同步的初始相位累加值称为最佳检波相位控制字。

经过试验发现，在硬件电路参数﹑激励信号参数固定的情况下，不同的油路磨粒传感器1有不同的最佳检波相位控制字，这主要是由于油路磨粒传感器1的工艺参数不同所导致的。因此每一个新的油路磨粒传感器1在使用之前，都应该通过实验测试找到其最佳相位控制字，以后在使用该油路磨粒传感器1时直接将控制模拟开关的参考信号Us的初始相位设定为此最佳相位检波控制字即可使模拟开关完成同步检波工作。

模拟开关完成同步检波后送入的后级差分放大电路，实现了差分减法运算，得到检波信号，后级差分放大电路由三片运算放大器构成，本实施例中采用低噪声、低漂移，低输入失调电流的运算放大器。

3、低通滤波和后级放大电路

低通滤波和后级放大电路对同步检波电路输出的检波信号进行滤波，得到磨粒信号并进行放大，在本实施例中，放大倍数为5。

信号在经过同步检波电路后，还因该通过低通电路对波形进行平滑，滤除高频成分，这样利于后级AD采集转换电路对信号的转换以及DSP处理电路对信号的分析计算。

滤波器的种类较多，按滤波器是否使用有源元器件（放大器），可分为有源滤波器和无源滤波器两大类。有源滤波器引起按通带滤波特性分类，有源滤波器可分为：最大平坦型（巴特沃思型）滤波器、等波纹型（切比雪夫型）滤波器、线性相移型（贝塞尔型）滤波器椭圆滤波器(考尔滤波器)等。其中，椭圆滤波器相比其他类型的滤波器，在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动，非常适合作为本实施例中同步检波过后的滤波电路，以达到平滑波形而又不损失有用频谱成分的目的。本实施例中滤波电路采用了高阶集成滤波器件MAX293，它是一种可编程式开关电容型8阶椭圆滤波器，不需要外接电阻电容，而且能通过编程使滤波截止频率在0.1hz—25Khz范围内调整。经过低通滤波过后的信号，幅值较小，还需要经过一级运放作为末级放大，便可得到适合DSP进行分析处理的信号。在本实施例中，滤波及末级放大部分电路结构如图5右部所示。

4、各级波形

图6显示了检波同步和不同步情况下检波电路各点的信号波形。

如图6所示，在检波不同步是输出信号抖动会明显，可以通过调节DSP的同步检波控制信号相位调节控制字，使检波达到同步。

信号检测电路3各级信号波形如图7所示，包括前置放大电路输出感应信号（图5标记V1处），同步检波后的感应信号（图5标记V2处）以及经过滤波及后级放大后的磨粒信号（图5标记V3处）。

在平常没有带磨粒的油液通过油路磨粒传感器1时，各点的信号波形如图7中（a）所示。当带有磨粒的油液经过油路磨粒传感器1时，各点的信号波形如图7中（b）所示。由图7可知，在带有磨粒的油液经过油路磨粒传感器1时，感应信号经过同步检波电路后，被测信号包络已被提取出来，再经过低通滤波放大电路，就可得较为平滑的类正弦波磨粒信号。

四、自动调平衡机制

油路磨粒传感器1工作状态的平衡，主要是指油路磨粒传感器1两侧激励线圈102输入的激励信号产生的磁场基本对等，能否抵消更多的成分，让中间线圈102感应出来的感应信号幅度尽量小。这样当带有磨粒的油液留经油路磨粒传感器1时，调制效果更加明显。感应信号幅度如果过大，后面的放大电路会饱和，检波电路也不能正常工作。本实施例中油路磨粒传感器1、信号检测电路3的具体实施例表明，当没有带磨粒的油液通过油路磨粒传感器1时，中间的检测线圈103输出的感应信号在100mV以下，对于磨粒信号的识别、检波及信号的处理较为有利，因此，将平衡的其标准定为：中间感应线圈输出信号在100mV以下。

本发明在线油路磨粒监测装置的自动调平衡功能主要是通过DSP、采集电路以及信号检测电路来实现。如果超出同步检波电路能够接受的正常幅值范围，则DSP能够通过SPI协议向激励信号源电路2发送调幅及调相控制数据，并时实监视。前置放大电路放大输出的感应信号的变化，重新找到两路激励波形的在油路磨粒传感器1中所产生磁场的平衡状态。

平衡状态受温度、抖动影响很大，要随时对其监控。因此，分为初始调平衡和动态调平衡。两个正弦信号的抵消，主要与幅度和相位相关，由于同时受两个变量制约，也没有线性关系可循，于是采用扫描的方式。DSP利用SPI协议，与激励信号源电路通信，对幅度、相位实现调节。对于幅度，实际上是调节幅度调节DAC的输出，该DAC为n位，那么调幅的码值范围是0～(2^n-1)；而对于相位，设有m位用于调相，那么可调节相差的码值范围是0～(2^m-1)。每改变一个幅度或相位值，都延迟一定时间等待稳定，DSP都会采集信号检测电路3的前置放大电路输出信号，判断其幅度大小（设激励信号和感应信号的频率为f,为了能较准确地获取峰值，需要密集地采样数据，因此采样率设置为f的50倍，即每个周期采样点数为50，这里采集100个点以保证采样至少两个周期）。

由于存在激励信号源中放大电路的温漂，激励信号源功率输出级的功率管温漂，油液温度变化等因素，本发明在线油路磨粒监测装置在初次调平衡后会失去平衡状态，即两路激励线圈产生的磁场失去在检测线圈处的平衡抵消状态，这样就会引起油路磨粒传感器1输出的感应载波信号变化，甚至超出后续同步检波电路的正常工作范围，导致测量失效，因此动态调平衡功能在对在线油路磨粒监测装置的稳定长时间运行是至关重要的。

调平衡机制的过程如图8所示。首先遍历幅度控制数据，对一路激励信号的幅度进行调节，采集电路采集信号检测电路中前置放大电路输出信号，记录幅值最小时的幅度控制数据，得到最佳幅度控制数据发送到激励信号源电路；然后，遍历相位控制字，对另一路激励信号的相位进行调节，采集电路采集信号检测电路中前置放大电路输出信号，记录幅值最小时的相位控制字，得到最佳相位控制字发送到激励信号源电路，完成平衡的调整。需要说明的是幅度控制数据的最小值，得到的激励信号幅度应小于另一路激励信号的幅度，幅度控制数据的最大值，得到的激励信号幅度应大于另一路激励信号的幅度；相位控制字是从负到正遍历，得到的激励信号相位从滞后到超前另一路激励信号的相位。

如图9、10是信号检测电路输出端，实际测得的磨粒信号波形图，从图9、10可以看到，本发明在线油路磨粒监测装置可以实时准确地完成在线油路磨粒的监测。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种在线油路磨粒监测装置，其特征在于，包括：

油路磨粒传感器，由一个中心带有管道的磁惰性骨架上绕制三组线圈构成；其中，位于两侧的两组线圈为一对反相串联的激励线圈，距两侧线圈一定距离的中间部分为一组检测线圈；中心的管道接入油路中，油液流该管道；

2.根据权利要求1所述的在线油路磨粒监测装置，其特征在于，所述的激励信号源电路包括控制逻辑电路、激励信号源1、激励信号源2以及同步检波信号发生器;

激励信号源1、激励信号源2用于产生所述的两路频率相同、幅度差和相位差可调的激励信号，同步检波信号发生器用于产生同步检波控制信号提供给检测电路对感应信号进行解调，同步检波控制信号的频率与两路激励信号的频率相同，相位可调，使检测电路能对感应信号进行同步检波；

控制逻辑电路接收来自DSP的调幅调相控制信号，控制激励信号源1、激励信号源2以及同步检波控制信号发生器以产生所述的激励信号和同步检波控制信号。

所述信号检测电路包括前置放大电路、同步检波电路以及低通滤波和后级放大电路。前置放大电路对感应信号进行放大，得到前置放大信号；前置放大信号分为两路，一路送入同步检波电路，依据同步检波控制信号对感应信号进行检波，检波后输出到低通滤波和后级放大电路进行滤波和放大，得到调制信号即磨粒信号并送入采集电路，另一路直接送入采集电路中。

信号采集电路依据DSP输出的采集通道选择控制信号，选择前置放大信号或磨粒信号进行采集，然后将采集信号送入DSP中进行分析处理；

DSP在初始上电时，DSP控制下进行平衡调节：DSP5输出采集通道选择控制信号给采集电路，使其选择前置放大信号进行采集，然后，DSP输出调幅调相控制信号给激励信号源电路，改变调节两路激励信号的幅度差和相位差，同时根据采集电路的采集信号幅度值，选择没有带磨粒的油液通过时，采集信号幅值最小的幅度差值和相位差值，此时，输出的感应信号即载波信号幅值减小到最小，不会使后续检测电路饱和；

平衡调节完毕后，DSP输出调幅调相控制信号，保持选择的两路激励信号的幅度差和相位差，以输出稳定的载波信号用于调制信号对其的调制；同时，DSP输出采集通道选择控制信号给采集电路，使其选择磨粒信号进行采集，并采集的调制信号即磨粒信号进行分析处理，得到油液中磨粒的大小，个数及材质等参数，这些参数反映被监测机械设备的磨损情况，从而实时获得被测设备的健康状况，实现了在线油路磨粒的监测。

3.根据权利要求2所述的在线油路磨粒监测装置，其特征在于，所述的控制逻辑电路201包含相位累加器、相位寄存器、频率控制字寄存器、两个加法器以及SPI接口以及幅度调节DAC；在时钟控制下，每个时钟相位累加器将频率控制字寄存器存储的频率控制字与相位寄存器存储的数据进行相加，并存入相位寄存器中，与此同时，相位寄存器存储的数据分为两路，一路直接作为地址输出给激励信号源1，另一路与SPI接口接收的来自DSP的激励信号相位控制字相加，然后作为地址输出给激励信号源2，来自DSP的同步检波控制信号相位调节控制字，作为初始相位输出给同步检波控制信号发生器204；幅度调节DAC接收来自DSP的激励信号幅度控制数据，并转为相应幅值的模拟信号作为调幅参考电压输出给激励信号源1；

在所述激励信号源1中，根据输入的地址，在波形数据存储器中进行查找，输出相应的波形数据进行数模转换，得到相应的模拟信号，然后进行滤波及功率驱动，得到一路激励信号，并输出到油路磨粒传感器的一组激励线圈；其中模数转换的参考电压为调幅参考电压，从而可以对该路激励信号的幅度进行调整，从而实现两路激励信号的幅度差调节；

在所述的激励信号源2中，根据输入的地址，在波形数据存储器中进行查找，输出相应的波形数据进行数模转换，得到相应的模拟信号，然后进行滤波及功率驱动，得到另一路激励信号，并输出到油路磨粒传感器的一组激励线圈；

所述的同步检波控制信号发生器中为一个与两路激励信号同频，但初始相位可变的方波信号发生器，根据DSP传来的同步检波控制信号控制字作为输入初始相位值，调节方波的初始相位得到同步检波控制信号控制字，并输出到信号检测电路。

4.根据权利要求3所述的在线油路磨粒监测装置，其特征在于，所述的同步检波电路为模拟开关型相位同步检波电路，将前置放大电路放大后的感应信号作为待解调信号，来自激励信号源电路的同步检波控制信号为参考信号输入模拟开关型相位同步检波电路，得到检波输出，并送入低通滤波和后级放大电路进行滤波和放大，得到调制信号即磨粒信号并送入采集电路。

5.根据权利要求3所述的在线油路磨粒监测装置，其特征在于，所述平衡调节为：

遍历幅度控制数据，对一路激励信号的幅度进行调节，采集电路采集信号检测电路中前置放大电路输出信号，记录幅值最小时的幅度控制数据，得到最佳幅度控制数据发送到激励信号源电路；然后，遍历相位控制字，对另一路激励信号的相位进行调节，采集电路采集信号检测电路中前置放大电路输出信号，记录幅值最小时的相位控制字，得到最佳相位控制字发送到激励信号源电路，完成平衡的调整。需要说明的是幅度控制数据的最小值，得到的激励信号幅度应小于另一路激励信号的幅度，幅度控制数据的最大值，得到的激励信号幅度应大于另一路激励信号的幅度；相位控制字是从负到正遍历，得到的激励信号相位从滞后到超前另一路激励信号的相位。