CN103674787A - 微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器，其激励线圈与感应线圈通过微加工制造实现一体化集成。该传感器由三个平面线圈层叠构成，其中，一个感应线圈位于中间，两个激励线圈对称分列两侧，并于内圈端部通过通孔引线相连。三个线圈中心对齐，拥有一个共同的空心圆孔，供流通滑油的管道穿过。该设计以其平面线圈一体化集成而形成激励线圈高度密集配置和精确对称的效果，有利于提高传感器的响应灵敏度。

Description

微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器

技术领域

本发明涉及一种滑油磨粒在线监测传感器，具体地，涉及一种激励线圈与感应线圈集成一体化的感应式滑油磨粒在线监测传感器。

背景技术

发动机的轴承在高速、高温、高负荷运转条件下易发生磨损，磨损产生的金属颗粒可能在发动机的其他部位产生二次破坏，这是发动机发生停机的主要原因。因此，及早检测到轴承失效可以有效地避免发动机出现故障，尤其是对航空发动机健康状况的监测是飞行安全的重要保障。

磨损所产生的颗粒是有关磨损状态的重要信息载体，对其进行监测可以了解轴承在运转过程中的磨损状况。国内外进行磨粒监测的方法主要有：光谱、铁谱、颗粒计数和磁塞法，这些方法多属于离线测量，不能快速连续进行检测和及时反映机器运行状态。基于电磁学原理的磨粒监测传感器，由于能够实现磨粒的在线、实时和连续监测，越来越受到人们的关注。

根据电磁学原理，对于长度为l、半径为r、单位长度的匝数为n的单层密绕空心螺线管的电感量为

$L={\mathrm{\μ}}_0{n}^2{\mathrm{\πr}}^2(\sqrt{l^2+r^2}-r)$

其中，μ₀是真空磁导率。当有半径为r_a、相对磁导率为μ_r的球状铁磁性颗粒通过螺线管时，其电感的变化量为

ΔL＝1.236μ₀μ_rn²πr_a ³

所以，电感的变化率为

$\mathrm{\ΔL}/L=1.236{\mathrm{\μ}}_r{\left(\frac{r_a}{r}\right)}^2\frac{r_a}{\sqrt{l^2+r^2}-r}$

根据法拉第电磁感应定律，磁通量变化时导体回路中产生的感应电动势

$E=-\frac{\mathrm{d\Ψ}}{\mathrm{dt}},\mathrm{\Ψ}=\mathrm{LI}$

其中，Ψ为线圈的磁通链数，L为线圈的电感，I为线圈的电流。

综上，可以将基于电磁学原理的磨粒监测传感器分成两类：

（1）电磁感应式。该种传感器至少存在两个线圈：激励线圈和感应线圈。磨粒通过传感器时先影响激励线圈内部磁场的分布，使得穿过感应线圈的磁通量发生变化而产生感应电动势。为了增大磁通量的变化量，通常采用三线圈结构，以加拿大GasTOP公司的MetalSCAN为代表，其采用三螺线管结构，已广泛用于输油管路、航海船舶业、发电工业及相关工业领域，虽已被证明是有效可靠的检测工具，但其测量范围仅限于大颗粒，可测量的最小金属颗粒为100μm，最小非金属颗粒为405μm。

（2）电感式。该种传感器只有一个线圈，既是激励线圈又是检测线圈，通过检测线圈的电感变化来监测磨粒。磨粒引起的传感器线圈电感变化率越高，说明传感器的检测灵敏度越高。由电感变化率公式可知，传感器几何尺寸（r、l）越小，电感的变化率越大，所能检测到的磨粒尺寸越小。文献”Instrumentation Circuitryfor an Inductive Wear Debris Sensor”就研究了这样一种只有一个平面线圈的感应式磨粒传感器及其工作电路，其线圈半径为640μm，厚度为550μm，通过检测铁磁性颗粒通过线圈时线圈电感的变化来监测颗粒，并将电感的变化转变为电压信号输出。该文献将传感器的测量范围扩大到100μm以下：75μm铁磁性颗粒的输出信号为381mV。

目前广泛应用的在线油液颗粒传感器研究表明，大多数摩擦副的正常磨损颗粒尺寸一般在10μm以下，10μm以上的磨粒都包含了摩擦学系统充分的磨损状态信息。因此，能否快速、准确监测油液中10μm及以上的磨粒，对摩擦副的磨损状态的监测至关重要，显然现存的传感器的灵敏度还达不到要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器。采用基于MEMS技术集成制造的平面线圈叠层组合，能够更好地满足三线圈检测方法对激励线圈高度对称和密集配置的关键要求，有助于提高传感器的响应灵敏度。

为实现以上目的，本发明所述的微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器，由三个平面线圈层叠构成，其中：一个感应线圈位于中间；两个激励线圈对称分列两侧，并于内圈端部通过通孔引线相连。三个线圈中心对齐，拥有一个共同的空心圆孔，供流通滑油的管道穿过。该设计以平面线圈一体化集成而形成激励线圈高度密集配置和精确对称的效果，有利于提高传感器的响应灵敏度。

所述两个激励线圈的绕向相同，通过引线串联，在所述引线的接口两端加激励信号，激励线圈产生的磁场在中间感应线圈处相互抵消，使得感应线圈处于零磁场中，增大了颗粒通过传感器时磁通量的变化率。

本发明上述传感器所基于的基本原理和采用的技术方案是：

当有磨粒通过传感器时，引起磁场扰动，导致感应线圈产生感应电动势。利用铁磁性和非铁磁性金属颗粒对原磁场的相反影响，导致输出信号相位相反，可区分滑油中磨粒类型。将该信号通过感应线圈引线接口输出，依次通过滤波电路、放大电路，最后通过A/D转换输入微型计算机进行处理即可实现油液颗粒的实时、在线监测。

根据法拉第电磁感应定律，磁通量变化时导体回路中产生的感应电动势

Ψ为线圈的磁通链数，而Ψ＝LI（L为线圈的电感，I为线圈的电流），故

平面线圈可以看做长度等于导线直径的多层密绕螺线管，由电磁学原理可知，相对磁导率为μ_r的磨粒通过多层密绕螺线管时电感的变化量为

$\mathrm{\ΔL}=1.236{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r\frac{N}{\mathrm{dl}}\mathrm{\π}{r_a}^3$

其中，d为缠绕导线的直径。可知，降低线圈的长度l可提高传感器的响应灵敏度。所以，本发明采用平面线圈代替螺线管以减小传感器的长度l、采用高频激励信号以增大电流的变化率、采用多匝线圈以增大激励线圈电感的变化量从而增大磁通量的变化量。所以本发明采用三层平面线圈结构，并利用微加工技术实现一体化集成，该设计以其平面线圈一体化集成而形成激励线圈高度密集配置和精确对称的效果，有利于提高传感器的响应灵敏度。

优选的，所述传感器的滑油管道采用内径0.5-2mm、壁厚0.1-0.2mm的微通道，降低传感器的径向尺寸。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

感生电动势的大小和通过导体回路的磁通量的变化率成正比，要提高磁通量的变化率，其途径有两种：一种是增大原线圈的匝数，另一种是让感应线圈处于零磁场中。对于传统的传感器增大线圈匝数会导致体积过大，且传统的缠绕工艺也难以做到两个激励线圈完全对称。本发明所述的微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器，其激励线圈与感应线圈通过微加工制造实现一体化集成，大大缩小了传感器的尺寸，使得磨粒在通过传感器时在单位时间和单位线度上产生的扰动更大。且该设计基于MEMS技术以其平面线圈一体化集成而形成激励线圈高度密集配置和精确对称的效果，有利于提高传感器的响应灵敏度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的主体示意图；

图2是本发明的主体剖面图；

图3是本发明采用MEMS微细加工技术制作的平面线圈的示意图。

图中：1为滑油管道，2为第一激励线圈，3为第一激励线圈的引线接口，4为感应线圈，5为感应线圈的引线接口，6为第二激励线圈，7为第二激励线圈的引线接口，8为连接第一和第二激励线圈的引线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器，该传感器由三个平面线圈层叠构成，其中：一个感应线圈4位于中间；两个激励线圈2和6对称分列两侧，并于内圈端部通过通孔引线8相连。三个线圈中心对齐，拥有一个共同的空心圆孔，供滑油管道1穿过。该传感器采用MEMS微细微加工技术将三层平面线圈集成于一体，具有体积小、灵敏度高的优点。

本实施例中，平面线圈可以视为二维平面内由里向外缠绕的有一定宽度的螺旋线，有起点和终点两个端点（见图3），本实施例将里侧的起点定义为内圈端部，图1中，激励线圈2和6的内圈端部通过引线8相连，引线8的位置即由激励线圈2和6的内圈端部的位置决定，一般是紧靠滑油管道外壁的。

本实施例中，所述微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器的整体结构如图1所示，滑油管道1穿过传感器中间，该传感器由三个平面线圈：第一激励线圈2、感应线圈4、第二激励线圈6层叠构成，并采用MEMS加工技术集成于一体，大大缩小了传感器的体积，根据电磁学原理，这样有助于提高传感器的灵敏度。第一激励线圈2和第二激励线圈6的绕向相同，通过引线8串联，在引线接口3和5（这两个引线接口用来加激励信号，位置由线圈匝数决定）两端加激励信号，第一激励线圈2和第二激励线圈6产生的磁场在中间感应线圈4处相互抵消，使得感应线圈4处于零磁场中，增大了颗粒通过传感器时磁通量的变化率。当有金属颗粒经过第一激励线圈2时会对磁场产生扰动，感应线圈4处磁场发生变化，不再为零，从而在感应线圈4两端产生感应电动势。铁磁性颗粒通过传感器时磁化电流产生的磁场会加强外磁场，而非铁磁性颗粒会产生一个涡流场，涡流场具有去磁作用会减弱外磁场，故铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒通过传感器时感应线圈4两端产生的感应电动势相位相反，从而将二者区分。将该信号通过感应线圈引线接口5输出，依次通过滤波电路、放大电路，最后通过A/D转换输入微型计算机进行处理即可实现油液颗粒的实时、在线监测。

采用MEMS加工技术制作线圈，具体的方法步骤如下：

（1）绘制线圈的平面图，并确定好线圈每层的通孔、位置关系，根据这一平面图制作掩膜板；

（2）在基底上形成均匀的光刻胶层；

（3）在紫外曝光机上进行紫外曝光；

（4）用显影液显影，将掩膜板上的平面图形高精度地转化为三维光刻胶微结构；

（5）在光刻胶的空腔内进行电铸得到金属结构；

（6）电铸后，将其表面进行机械抛光，使电铸后的表面光滑平整，之后再重复2-5的步骤进行下一层的制作，直到整个结构成型。

（7）三层平面线圈制作完成以后，通过激光打孔的方法在线圈中心处打出空心圆孔，供滑油管道穿过。

采用上述方法制备的微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器，其内径由滑油管道决定，约为0.9-1.1mm；外径由线圈的匝数决定，范围从6mm到13mm；厚度约为90μm。

MEMS加工技术的微米级加工精度可以精确控制线圈之间的距离及线圈的各项参数，激励线圈2和6可以做到几乎完全对称，因此，本实施例所述微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器与传统的三螺线管结构的传感器相比，感应线圈4处的磁场更接近零磁场，所以颗粒经过测量线圈时，磁场的变化量更大。另外，感应电动势是与磁通量随时间的变化率成正比的，本实施例所述滑油颗粒监测传感器采用平面线圈作为激励线圈，使得颗粒经过激励线圈的时间更短，磁通量随时间的变化率也就更大，所以本发明提供了一个高灵敏度的滑油磨粒在线监测传感器。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器，其特征在于由三个平面线圈层叠构成，其中，一个感应线圈位于中间，两个激励线圈对称分列两侧，并于内圈端部通过通孔引线相连，所述三个平面线圈中心对齐，拥有一个共同的空心圆孔，供流通滑油的管道穿过；所述两个激励线圈的绕向相同，通过引线串联，在所述引线的接口两端加激励信号，激励线圈产生的磁场在中间感应线圈处相互抵消，使得感应线圈处于零磁场中，增大了颗粒通过传感器时磁通量的变化率。

2.根据权利要求1所述的一种微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器，其特征在于当有金属颗粒经过第一个激励线圈时会对磁场产生扰动，感应线圈处磁场发生变化，不再为零，从而在感应线圈两端产生感应电动势；铁磁性颗粒通过传感器时磁化电流产生的磁场会加强外磁场，而非铁磁性颗粒会产生一个涡流场，涡流场具有去磁作用会减弱外磁场，故铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒通过传感器时感应线圈两端产生的感应电动势相位相反，从而将二者区分；将该信号通过感应线圈引线接口输出，依次通过滤波电路、放大电路，最后通过A/D转换输入微型计算机进行处理即实现滑油磨粒的实时、在线监测。

3.根据权利要求1或2所述的一种微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器，其特征在于所述激励线圈与感应线圈通过微加工制造实现一体化集成。

4.根据权利要求1或2所述的一种微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器，其特征在于，所述传感器的滑油管道采用内径0.5-2mm、壁厚0.1-0.2mm的微通道，降低传感器的径向尺寸。

5.根据权利要求1所述的一种微型化集成的感应式滑油磨粒在线监测传感器，其特征在于，三层平面线圈制作完成以后，通过激光打孔的方法在线圈中心处打出空心圆孔，供滑油管道穿过。

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