CN103558127B - 一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于测控设备技术领域，公开了一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统，包括激励单元、流管、第一激励线圈、第二激励线圈、感应线圈及检测单元，第一激励线圈、感应线圈、第二激励线圈依次同心固定在流管上，且第一激励线圈、第二激励线圈关于感应线圈对称，缠绕方向相反，匝数相同，激励单元的一端接第一激励线圈的首端，第一激励线圈尾端连接第二激励线圈的首端，第二激励线圈的尾端连接激励单元的另一端，感应线圈和检测单元相连。本发明能够实现对油液中的磨粒监测，可针对不同磨粒进行频率调节，且安装方便，测试不易受振动、电磁辐射等外界环境条件的干扰。

Description

一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统

技术领域

本发明涉及全液流金属磨粒传感器，特别是涉及一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统，属于测控设备技术领域。

背景技术

油液被比喻为机械设备的血液，其中蕴含中丰富的信息，对于油液中磨粒的监测就可以得知机械设备的运行状态，对于设备的早期故障预报有着重要的意义。传统的油液监测技术主要是采用离线的方法，如：颗粒计数法、光谱法等，可实现对油品和油中固体杂质的离线监测，但其缺陷在于：由于需要先取样再分析，不仅费力费时、成本高，而且测定结果的返回具有滞后性，因此在许多应用领域的应用受到很大的局限。鉴于此，在线监测技术成为本领域技术人员的研究方向之一，按原理可以分为光学型、电磁型、导电型和超声型四大类，但均尚处于理论研究阶段。

因此，能否设计一种新型的油液磨粒在线传感器测试系统以克服上述一种或多种缺陷，成为本领域技术人员有待解决的技术难题。

发明内容

本发明旨在提供一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统，安装方便，不易受振动、电磁辐射等外界环境条件的干扰，并且能够针对不同磨粒进行频率调节。

本发明是通过如下技术方案实现的：该差动式油液磨粒在线传感器测试系统包括激励单元、流管、第一激励线圈、第二激励线圈、感应线圈及检测单元，其中第一激励线圈、感应线圈、第二激励线圈依次同心固定在流管上，且第一激励线圈、第二激励线圈关于感应线圈对称，第一激励线圈和第二激励线圈缠绕方向相反，匝数相同，激励单元的一端接第一激励线圈的首端，第一激励线圈尾端连接第二激励线圈的首端，第二激励线圈的尾端连接激励单元的另一端，第一激励线圈、第二激励线圈由激励单元驱动，产生的磁场大小相等方向相反，感应线圈和检测单元相连。

优选地，激励单元包括顺次连接的单片机DDS、差分放大电路、电压电流转化电路和传感器激励源，通过单片机DDS调节频率参数，激励单元对第一激励线圈和第二激励线圈施加高频交流电，没有磨粒通过时，两个激励线圈产生大小相同方向相反的磁场，由于互感会对感应线圈产生互感电动势E₁、E₂，

E₁＝-jωM₁I（1）

E₂＝-jωM₂I（2）

E_o＝E₁-E₂＝-jω(M₁-M₂)I（3）

由

得到

其中E_o为感应电动势，M₁为第一激励线圈对感应线圈的互感系数，M₂为第二激励线圈对感应线圈的互感系数，ω为激励源频率，I为激励电流，j为交流电复数表示法中虚数单位，N_o为感应线圈的匝数，为第一激励线圈对感应线圈的平均磁通量，为第二激励线圈对感应线圈的平均磁通量。

优选地，单片机DDS中包括单片机和DDS芯片，DDS芯片为AD9850，单片机为STC10F08XE，STC10F08XE单片机与AD9850之间的接口采用并行总线连接。

优选地，检测单元包括顺次连接的锁相放大单元、低通滤波单元和信号显示单元。

优选地，还包括骨架、传感器左外壳、橡胶圈和传感器右外壳，流管和骨架集成到一起，传感器左外壳、传感器右外壳分别与骨架过渡配合，之间分别装有橡胶圈。

优选地，传感器左外壳和传感器右外壳均为金属外壳，其间采用焊接连接。

优选地，第一激励线圈和第二激励线圈内径为10mm，外径半径为20mm，宽度为2mm，采用直径为0.28mm的铜线，匝数为97匝。

优选地，感应线圈内径为10mm，外径为17mm，宽度为2mm，匝数为99匝。

优选地，第一激励线圈、第二激励线圈和感应线圈之间的间隙均为2.5mm。

优选地，当磨粒进入第一激励线圈时，第一激励线圈对中心点的磁感应强度B₁为

$B_1=\frac{4k{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{IN}}_1{r}_a^3}{3m{[r^2+x^2]}^{\frac{3}{2}}}---\left(5\right)$

其中r_a为磨粒半径，μ₀为真空磁导率，μ_r为铁颗粒相对磁导率为，r为线圈内径，外径为R，m为第一、二激励线圈和感应线圈宽度，N₁为激励线圈匝数，I电流采用正弦交流电，设传感器中心为坐标原点，取轴向为x轴，沿右向为正，取径向为y轴，沿向上为正，x为磨粒横坐标；

设感应线圈的平均面积S＝πr²，规定沿x轴向左为正，则

第二激励线圈对感应线圈产生的磁通量为

将（6）（7）代入（4）化简得到

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1，采用电磁型磨粒监测技术实现对油液中的磨粒监测，安装方便，不易受外界振动的干扰；

2，可检测出油液中铁磁性、逆铁磁性两类金属颗粒；

3，在传感器骨架外包裹一层金属外壳，不易受外界电磁辐射的干扰；

4，给出了优化的传感器设计尺寸，线圈的设计参数，激励单元频率能够针对不同磨粒进行频率调节。

附图说明

图1为本发明的差动式油液磨粒在线传感器系统结构示意图；

图2为本发明的差动式油液磨粒在线传感器系统原理框图；

图3为激励单元1中的单片机DDS电路图；

图4为激励单元1中的差分放大电路的电路图；

图5为激励单元1中的电压电流转化电路的电路图；

图6为本发明的差动式油液磨粒在线传感器系统等效电路图；

图7为本发明的差动式油液磨粒在线传感器系统剖视图；

图8为采用本发明在线测试的试验结果图；

图9为采用本发明在线测试不同尺寸磨粒的感应电动势变化图。

符号说明

1——激励单元2——第一激励线圈3——感应线圈

4——骨架5——第二激励线圈6——流管

7——检测单元8——磨粒9——传感器左外壳

10——橡胶圈11——传感器左外壳

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下通过具体实施方式结合附图对本发明进行详细的说明。需要说明的是，下面的实施例仅为对本发明作进一步描述以利理解之用，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，该差动式油液磨粒在线传感器测试系统，包括激励单元1、流管6、第一激励线圈2、第二激励线圈5、感应线圈3及检测单元7，其中第一激励线圈2、感应线圈3、第二激励线圈5依次同心固定在流管6上，且第一激励线圈2、第二激励线圈5关于感应线圈3对称，第一激励线圈2和第二激励线圈5缠绕方向相反，匝数相同，激励单元1的一端接第一激励线圈2首端，第一激励线圈2尾端连接第二激励线圈5首端，第二激励线圈5尾端连接激励单元1的另一端，第一激励线圈2、第二激励线圈5由激励单元1驱动，产生的磁场大小相等方向相反，感应线圈3和检测单元7相连。

在一优选实施例中，如图2所示，激励单元1包括顺次连接的单片机DDS、差分放大电路、电压电流转化电路和传感器激励源，且频率参数可以通过单片机DDS调节；检测单元7包括顺次连接的锁相放大单元、低通滤波单元和信号显示单元。

DDS（DirectDigitalSynthesizer，即直接数字式频率合成器）产生一定频率的正弦波形，经过差分放大后驱动电压控制型恒流电路，产生正弦型电流激励源对激励线圈进行激励。

单片机DDS中包括连接的单片机和DDS芯片，在一优选实施例中，DDS芯片选用AD9850（图3示出了其周围电路），单片机采用STC10F08XE单片机，STC10F08XE单片机与AD9850之间的接口采用并行总线连接，对AD9850进行设置，使用4X4按键输入设定频率值，单片机接收到按键输入的键值后调用按键处理程序，将输入键码转换为频率值，并通过并行接口发送至AD9850。

图4示出了以AD公司的多个高速运放芯片OP07AQ为核心形成的差分放大电路。由于AD9850输出正弦信号的中心点不是0V，因此采用差分放大电路对AD9850输出的正弦信号进行差分放大，分别对差分信号SinA-SinB及SinB-SinA进行差分放大，得到两路相位相差90度的正弦信号，其中一路正弦信号用于接电压控制型恒流控制电路，并同时与另一路信号输出至后续的锁定放大电路提供两路相位相差90°的参考信号。

如图5所示为电压电流转化电路的一具体实施例，为了减小线圈的发热，要严格控制电流的大小，所以要将电压源转化为电流源。可控电压从插头P1输入，经运放AR1将其转换成对应的电流，从插头P2输出。

如图6所示为本发明的差动式油液磨粒在线传感器系统等效电路图，其检测原理如下：

激励单元1对第一激励线圈2和第二激励线圈5施加高频交流电，当没有磨粒通过时，两个激励线圈产生大小相同方向相反的磁场，由于互感，会对感应线圈3产生互感电动势E₁、E₂，

E₁＝-jωM₁I（1）

E₂＝-jωM₂I（2）

E_o＝E₁-E₂＝-jω(M₁-M₂)I（3）

由

得到

其中E_o为感应电动势，M₁为第一激励线圈2对感应线圈3的互感系数，M₂为第二激励线圈5对感应线圈3的互感系数，ω为激励源频率，I为激励电流，j为交流电复数表示法中虚数单位，N_o为感应线圈3的匝数，为第一激励线圈2对感应线圈3的平均磁通量，为第二激励线圈5对感应线圈3的平均磁通量。

如图7所示，该差动式油液磨粒在线传感器测试系统还包括骨架4（流管6和骨架集成到一起）、传感器左外壳9、橡胶圈10和传感器右外壳11，第一激励线圈2和第二激励线圈5优选内径为10mm，外径半径为20mm，宽度为2mm，采用直径为0.28mm的铜线，匝数为97匝，感应线圈3优选内径为10mm，外径为17mm，宽度为2mm，匝数为99匝，第一激励线圈2和第二激励线圈5和感应线圈3之间的间隙均为2.5mm，骨架4和传感器右外壳11过渡配合，且之间装有橡胶圈10，传感器左外壳9和骨架6同样采用过渡配合，之间装有橡胶圈10，传感器的线从传感器右外壳11上部的接线柱引出。

在一优选实施方式中，传感器左外壳9和传感器右外壳11为金属外壳，其间采用焊接连接，能够减小外界环境的干扰。

当磨粒8进入第一激励线圈2时，假设磨粒进入第一激励线圈2瞬间，时间刚好为0，由于磨粒很小，可以近似看成多个圆形载流导线的叠加，则第一激励线圈2对中心点的磁感应强度B₁为

$B_1=\frac{4k{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{IN}}_1{r}_a^3}{3m{[r^2+x^2]}^{\frac{3}{2}}}---\left(5\right)$

其中r_a为磨粒半径，μ₀为真空磁导率，μ_r为铁颗粒相对磁导率为，r为线圈内径，外径为R，m为第一、二激励线圈和感应线圈宽度，N₁为激励线圈匝数，I电流采用正弦交流电，假设传感器中心的为坐标原点，取轴向为x轴，沿右向为正，取径向为y轴，沿向上为正，x为磨粒横坐标。

设感应线圈3的平均面积S＝πr²，规定沿x轴向左为正，则

第二激励线圈5对感应线圈3产生的磁通量为

将（6）（7）代入（4）化简得到

由式（8）可以看出，感应电动势E_o与磨粒半径与电流I，电流源频率ω成比例，当除磨粒尺寸以外的参数一定时，可以通过E_o，反映磨粒的大小。实际情况中，由于磨粒的尺寸很小，产生的感应电动势信号很微弱，给检测带来了很大困难，本发明中，可以通过适当调节电流源频率ω，增大感应电动势信号。

由于磨粒很小，本发明将磨粒塑封在热塑管中，模拟油液中的磨粒通过传感器的情况，信号显示使用示波器，当将磨粒完成进入和退出传感器时，采集到的信号显示如图8所示，从图中可以看到两个类似与正弦的波形，图中左侧波形，先正后负，右侧波形，先负后正，这是因为，左侧波形是磨粒进入传感器产生，而右侧波形是磨粒返回时产生，当传感器接入油路时，含有磨粒的油液只能从一个方向进入，则只会产生一种波形。从图中还可以看到，产生波形的最大值为24mv，对应磨粒为450um。

如图9所示，可以看到不同粒度的磨粒通过传感器对应的电压峰值，因而反过来从峰值可以反映磨粒的大小，可以实现对油液中磨粒的监测。

本发明给出了优化的传感器设计尺寸，线圈的设计参数，激励单元频率能够针对不同磨粒进行频率调节，初始频率设定为107kHz，当针对小磨粒不能监测时，可以通过操作面板，提高激励频率，实现对小磨粒的监测。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充，或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。尽管本发明是通过上述的优选实施例进行描述的，但是其实现形式并不局限于上述的实施方式。应该认识到在不脱离本发明主旨的情况下，本领域技术人员可以对本发明做出不同的变化和修改。

Claims (8)

1.一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统，其特征在于，包括激励单元(1)、流管(6)、第一激励线圈(2)、第二激励线圈(5)、感应线圈(3)及检测单元(7)，其中所述第一激励线圈(2)、感应线圈(3)、第二激励线圈(5)依次同心固定在所述流管(6)上，且所述第一激励线圈(2)、第二激励线圈(5)关于所述感应线圈(3)对称，所述第一激励线圈(2)和第二激励线圈(5)缠绕方向相反，匝数相同，所述激励单元(1)的一端接所述第一激励线圈(2)的首端，所述第一激励线圈(2)尾端连接所述第二激励线圈(5)的首端，所述第二激励线圈(5)的尾端连接所述激励单元(1)的另一端，所述第一激励线圈(2)、第二激励线圈(5)由激励单元(1)驱动，产生的磁场大小相等方向相反，所述感应线圈(3)和检测单元(7)相连；所述激励单元(1)包括顺次连接的单片机DDS、差分放大电路、电压电流转化电路和传感器激励源，通过单片机DDS调节频率参数，所述激励单元(1)对所述第一激励线圈(2)和第二激励线圈(5)施加高频交流电，没有磨粒通过时，两个激励线圈产生大小相同方向相反的磁场，由于互感会对感应线圈(3)产生互感电动势E₁、E₂，

E₁＝-jωM₁I(1)

E₂＝-jωM₂I(2)

E_o＝E₁-E₂＝-jω(M₁-M₂)I(3)

由

得到

其中E_o为感应电动势，M₁为第一激励线圈(2)对感应线圈(3)的互感系数，M₂为第二激励线圈(5)对感应线圈(3)的互感系数，ω为激励源频率，I为激励电流，j为交流电复数表示法中虚数单位，N_o为感应线圈(3)的匝数，为第一激励线圈(2)对感应线圈(3)的平均磁通量，为第二激励线圈(5)对感应线圈(3)的平均磁通量；当磨粒(8)进入所述第一激励线圈(2)时，第一激励线圈(2)对中心点的磁感应强度B₁为

$B_1=\frac{4{\mathrm{k\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{IN}}_1{r}_a^3}{3m{\[r^2+x^2\]}^{\frac{3}{2}}}---\left(5\right)$

其中r_a为磨粒半径，μ₀为真空磁导率，μ_r为铁颗粒相对磁导率为，_r为线圈内径，外径为R，m为第一、二激励线圈和感应线圈宽度，N₁为激励线圈匝数，I电流采用正弦交流电，以传感器中心为坐标原点，取轴向为x轴，沿右向为正，取径向为y轴，沿向上为正，x为磨粒横坐标；

设感应线圈的平均面积S＝πr²，沿x轴向左为正，则

第二激励线圈对感应线圈产生的磁通量为

将(6)(7)代入(4)化简得到

2.如权利要求1所述的一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统，其特征在于，所述单片机DDS中包括单片机和DDS芯片，所述DDS芯片为AD9850，所述单片机为STC10F08XE，STC10F08XE单片机与AD9850之间的接口采用并行总线连接。

3.如权利要求1所述的一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统，其特征在于，所述检测单元(7)包括顺次连接的锁相放大单元、低通滤波单元和信号显示单元。

4.如权利要求1所述的一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统，其特征在于，还包括骨架(4)、传感器左外壳(9)、橡胶圈(10)和传感器右外壳(11)，所述流管(6)和骨架(4)集成到一起，所述传感器左外壳(9)、传感器右外壳(11)分别与骨架(4)过渡配合，之间分别装有所述橡胶圈(10)。

5.如权利要求4所述的一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统，其特征在于，所述传感器左外壳(9)和传感器右外壳(11)均为金属外壳，其间采用焊接连接。

6.如权利要求1所述的一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统，其特征在于，所述第一激励线圈(2)和第二激励线圈(5)内径为10mm，外径半径为20mm，宽度为2mm，采用直径为0.28mm的铜线，匝数为97匝。

7.如权利要求1所述的一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统，其特征在于，所述感应线圈(3)内径为10mm，外径为17mm，宽度为2mm，匝数为99匝。

8.如权利要求1所述的一种差动式油液磨粒在线传感器测试系统，其特征在于，所述第一激励线圈(2)、第二激励线圈(5)和感应线圈(3)之间的间隙均为2.5mm。