CN104502242A - 一种基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法及监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法及监测传感器，在油液设备的油管两侧设置对称的磁场回路，作为激励源；使两侧磁场在油管处叠加，并沿径向作用于油管；同时设置检测线圈，使得在油管中有磨粒通过磁场回路时，导致磁场回路的磁通量变化，磁通量的变化使检测线圈中电压的变化，进而由检测线圈实时输出自身的感应电压信号；将检测线圈输出的电压信号经过放大电路放大，同时进行抑制共模信号，放大差模信号的处理，再经过后续分析处理，得到磨粒信息。本发明的优点为：采用双边对称结构，可以保证磁场回路以油管为中心对称，从而使穿过油管的磁场更加均匀、更加对称，同时也能增加磁场强度，提高传感器的灵敏度。

Description

一种基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法及监测传感器

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

研究表明，磨损会大大影响液压设备的工作可靠性和使用寿命。磨损会造成巨大的经济损失，约80％的机械故障与磨损有着直接关系，其中磨料磨损是主要原因。在矿山、煤炭、建筑以及运输机械中，磨损均会带来巨大的经济损失。经过大量的实际调研发现，设备磨损的主要原因是由油液中的固体颗粒污染物造成的。如果对使用油液的设备进行油液状态的实时的检测、记录和数据处理，并由此判断机械设备的运行状况，进行健康预测，就能够根据检测结果制定合适的管理和维护策略。

液压油在液压系统中起着传递能量、系统防滑、防磨、防锈、冷却等功能，因而分析液压油中的污染物质可以得到诸多关于设备运行状况的信息。分析油液中杂质的成分，需要对机械设备的磨损类型、规律以及影响因素有一定的了解。

根据机械部件的不同，机械磨损的诱导因素各有差异。磨损主要分为粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损以及腐蚀磨损这几种类型，其中磨料磨损是污染油液、造成机械故障的主要原因。在一般情况下，机械零件的磨损又分为三个阶段。

(1)磨合阶段，该阶段是因为零件刚刚加工完成时，零件表面不平整。在凸块位置会产生较高的接触应力，磨损速度较快。随着机械的不断运转磨合，凸块的部分被不断磨平。摩擦表面的接触面积逐渐增加，从而使磨损速度减缓。

(2)稳定磨损阶段，磨损速度减缓而且趋于稳定，磨损量随时间增加而增加，间隙逐渐增大。

(3)急速磨损阶段，由于温度急剧增加，金属组织发生变化等因素的影响，产生的间隙过大，润滑油膜易破坏。此时磨损速度迅速增加，导致精度降低，机械效率降低，出现异常的震动和噪声，最终可能会导致意外。不同磨损期产生的磨粒具有不同的特征，为了避免急速磨损阶段的产生，检测油液中杂质颗粒的浓度、尺寸、形状、成分等指标对故障的早期预警显得尤为重要。

目前用于油液检测的传感器种类有很多种，在各类传感器当中，电磁感应式传感器是当前研究的焦点。这种传感器测量范围广，抗干扰能力强，结构简单，提高精度的手段多样等特点。

如图1所示，该传感器为传统的螺线管结构的电磁感应式传感器。线圈直接绕在油管上，线圈中通电流时，将在油管轴向感应出磁场。当油管中有磨粒通过时，将引起磁通量的变化，通过检测该变化可以一定程度上得到磨粒信息。线圈直接缠绕在油管上，必须固定安装，对使用造成了不便，另外线圈产生的磁场是与油管平行的，这就导致整个磁路中有很大一部分是由空气构成的，使得总磁通受到了很大的损失，故而影响了检测灵敏度。所以我们将采用一种新的传感器结构以解决磁路损失的问题。

发明内容

本发明针对电磁感应式传感器进行改造以及验证，提出一种基于径向磁场的双边对称结构线磨粒监测方法及监测传感器，通过监测油液内磨粒的相关信息，有效地推测液压系统的运行状态、进行故障诊断以及预测寿命，同时保证传感器的高精度和高可靠性。

本发明一种基于径向磁场的双边对称结构的在线磨粒监测方法，通过下述方式实现：

首先，在油液设备的油管两侧对称位置施加相互对称且旋转方向相反的磁场，形成双边对称的磁场回路，作为激励源。

然后，使两磁场在油管处叠加，并沿径向作用于油管。

接着，设置检测线圈，使得在油管中有磨粒通过磁场回路时，导致磁场回路的磁通量变化，磁通量的变化使检测线圈中电压的变化，进而由检测线圈实时输出自身的感应电压信号。

最后，将检测线圈输出的电压信号经过放大电路放大，同时进行抑制共模信号，放大差模信号的处理，再经过后续分析处理，得到磨粒信息。

同时针对上述基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法还提出一种监测传感器，安装于油液的设备的油管上，包括永磁铁、铁质导磁臂、检测线圈和放大电路。

其中，永磁铁与铁质导磁臂均为两个；两个永磁铁对称设置，S级之间与N级之间分别通过一个铁质导磁臂相连；由此两个永磁铁与铁质导磁臂构成环状结构，套接在油液设备的油管上，使油管的轴线位于环形结构的中心处；两个永磁铁作为激励源产生两个旋转方向相反的磁场，形成双边对称的磁场回路，并在油管处叠加，径向加载在油管上。

所述检测线圈设置于一个铁质导磁臂的中部；放大电路用来将检测线圈检测到的电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输入到外置的信号采集设备中，通过信号采集设备进行分析处理得到磨粒信息。

本发明的优点在于：

(1)本发明采用双边对称结构，可以保证磁场回路以油管为中心对称，从而使穿过油管的磁场更加均匀、更加对称，同时也能增加磁场强度，提高传感器的灵敏度；

(2)本发明采用径向磁场的检测的结构，能够使传感器的敏感尺寸(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)本发明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；

(4)本发明采用铝壳全包裹的结构，能够有效屏蔽环境中的工频干扰，降低采集信号中的噪声，进而提高传感器的精度。

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是本发明双边对称结构在线磨粒监测方法流程图；

图3是油管附近的磁场分布仿真图；

图4是单边结构横向和纵向截面的磁场分布曲线；

图5是双边结构纵向截面的磁场分布曲线；

图6a是无磨粒的蜡块通过本发明的传感器产生的未经滤波处理的电压信号波形图；

图6b是无磨粒的蜡块通过本发明的传感器产生的经滤波处理的电压信号波形图；

图7a是100um级磨粒的蜡块通过本发明的传感器产生的电压波形示意图；

图7b是100um级磨粒的蜡块通过本发明的传感器产生的电压波形示意图；

图8a是200um级磨粒的蜡块通过本发明的传感器产生的电压波形示意图；

图8b是200um级磨粒的蜡块通过本发明的传感器产生的电压波形示意图；

图9a是400um级磨粒的蜡块通过本发明的传感器产生的电压波形示意图；

图9b是400um级磨粒的蜡块通过本发明的传感器产生的电压波形示意图；

图10a是600um级磨粒的蜡块通过本发明的传感器产生的电压波形示意图；

图10b是600um级磨粒的蜡块通过本发明的传感器产生的电压波形示意图。

图11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12是油路通过部分的磁场仿真图。

图中：

1-永磁铁    2-导磁臂  3-检测线圈

4-放大电路  5-屏蔽罩  6-凸块

7-油管

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法，如图2所示，具体通过下述方式实现：

首先，在油液设备的油管两侧对称位置施加相互对称且旋转方向相反的磁场，形成双边对称的磁场回路，作为激励源；此时，两磁场在油管处叠加，并沿径向作用于油管；接着，当油管中有磨粒通过磁场回路时，将导致磁场回路的磁通量变化，磁通量的变化会引起检测线圈中电压的变化，进而由检测线圈实时输出自身的感应电压信号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，将检测线圈输出端输出的电压信号经过放大电路放大，同时进行抑制共模信号，放大差模信号的处理，最终得到有足够幅值并较好抑制干扰的有效电压信号，经过后续分析处理(电压信号与磨粒的体积呈正相关，即在应用过程中可以根据输出电压信号幅值的大小判断磨粒的尺寸信息。)，即可得到磨粒信息。

本发明监测传感器采用永磁铁作为激励源，而不是直流激励作为激励源，是因为考虑到采用直流励磁容易受到励磁线圈电流波动产生的影响，并且电磁铁的电磁密度偏低。而采用永磁铁励磁的方式，能够有效地保证磁场的稳定性，并且提供足够的磁场密度。且上述两组永磁铁对称设置，形成双边对称的激励源，使磁场更加均匀、对称，同时形成的磁场的磁场强度更大，能够一定程度上提高传感器的精度。

为了说明双边对称结构相对于以往的单边结构的优越性，使用Ansoft Maxwell有限元软件进行仿真分析。施加等效的激励，可以得到油管附近的磁场分布情况，如图3所示。为了能够得到定量的分析结果，将磁场数据提取出来并进行分析处理。以油管内的横向内径和纵向内径为研究对象，分别作出单边结构和双边结构的磁场分布曲线，如图4、图5所示。可见在相同激励源的情况下，双边结构比单边结构有着更强的磁场强度，在相同大小的磨粒经过时，双边结构有着更高的灵敏度。此外，对于横向截面，磁场分布对称性越好，说明磁场结构更优；对于纵向截面，磁场变化率越低，输出信号受到磨粒径向分布的影响越小，结构也就越合理。下面针对这两个方面进行定量计算。

(a)横向截面磁场强度分析

在水平方向上，考察磁场分布的对称性；油管的横截面为圆形，将该圆形的圆心左右对称位置的磁场强度分别作差，并将该差值在半径范围内积分，得到油管横向上对称位置的差值总和的平均值，利用公式：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ΔB}}_R}=\frac{{\∫}_0^R[B_R\left(y\right)-B_R(-y)]\mathrm{dy}}{R}---\left(2\right)$

其中，为油管横向上对称位置磁场强度的差值总和的平均值；R为油管内径；B_R(y)与B_R(-y)分别为以圆心作为原点的水平直径上磁场强度。

将单边结构与双边结构的磁场强度仿真数据代入式(2)得到：

单边结构中油管横向上对称位置的差值总和的平均值

双边对称结构中油管横向上对称位置的差值总和的平均值

所得结果越小代表磁场的左右均匀性越好，经分析比较可得双边对称结构有着更好的对称性。

(b)纵向截面磁场强度分析

纵向的平均磁场密度的表达式为：

${\stackrel{\‾}{B}}_R=\frac{{\∫}_0^{R}4\sqrt{R^2-z^2}{B}_R\left(z\right)\mathrm{dz}}{{\mathrm{\πR}}^2}---\left(2\right)$

其中，为纵向的平均磁场密度；R为油管内径；B_R(z)代表竖直方向(Z轴)的磁场强度。则沿着竖直方向上的磁场强度标准差σ_R的表达式为：

${\mathrm{\σ}}_R=\sqrt{\frac{{\∫}_0^{R}4\sqrt{R^2-z^2}{[B_R\left(z\right)-{\stackrel{\‾}{B}}_R]}^2\mathrm{dz}}{{\mathrm{\πR}}^2}}---\left(3\right)$

分别将单边及双边结构的磁场强度仿真数据带入式(3)，得到：

单边结构的标准差σ_R1＝5.0340×10^-4；

双边对称结构的标准差σ_R2＝4.1506×10^-4；经比较可知在油管内径的竖直方向上，双边对称结构有更好的一致性。

为了能够定量分析不同尺寸磨粒在不同位置的输出信号的规律，需要对实验用磨粒进行精确的尺寸标定，并需要准确定位磨粒在蜡块中的位置。为了达到上述目标，首先使用工业显微镜测量磨粒尺寸，对磨粒尺寸的大小级别进行分级，然后将这些磨粒按照要求封装在蜡块当中。使用蜡块做实验，可以有效控制实验用的磨粒的尺寸、位置、运动速度等变量，从而可以获得更为精确的定量分析数据。

对封存不同尺寸的磨粒的蜡块分别进行实验：

(1)无微粒参照实验

如图6a所述，是上位机通过PCI1716板卡采集的未经滤波处理的信号，可以看到在噪声信号中有着周期约为20ms的干扰波形，经分析可知该干扰为环境中的工频信号。经由屏蔽罩的电磁屏蔽作用，该信号的幅值已经大为削减。除此之外，在300ms与350ms之间和350ms至400ms之间分别有两个较为明显的脉冲信号，其中前一个信号中包括了蜡块运动产生的震动信号以及需要提取的特征信号；第二个幅值较高的波峰为蜡块运动到管道一端时由碰撞产生的干扰信号。

如图6b所述，是经过MATLAB滤波之后的波形，可以看出经过滤波，由震动带来的干扰可以被较为明显地滤除，工频干扰经过滤波后幅值被控制在±0.1V以内，蜡块在管道末端撞击带来的震动影响在信号的后半部分可以形成有一定的信号波动(±0.2V左右)。在带微粒的实验中要考虑这些干扰因素的影响。

(2)100um级微粒实验

如图7a、图7b所示，该实验使用的是等效边长100um级的微粒，该实验的有效信号幅值在0.3V左右，考虑到0.1V左右的工频干扰信号以及0.2V左右的震动影响，该幅值尚可以在干扰信号中区分出来，但是区分度不够大，可见已经接近该传感器的灵敏度极限。

(3)200um级微粒实验

如图8a、8b所示，该组使用的是等效边长200um级的微粒，该实验可以得到明显的输出信号，幅值大概在1V左右。

(4)400um级微粒实验

如图9a、9b所示，这组实验也可以明显地看到有效信号，幅值大概在3V左右。

(5)600um级微粒实验

如图10a、10b所示，该组使用的是等效边长600um级的微粒，这组实验的信号幅值在4.5V左右。

上述几组实验中，原始信号有着类似的规律，即较为明显的两个波峰分别由需要提取的特征信号和碰撞产生的干扰信号引起的。其中，由碰撞引起的干扰信号可以在滤波处理之后被有效地滤除，所以我们主要针对滤波信号进行分析归纳。通过实验并分析几组实验所得滤波信号的变化规律，可以得到电磁感应传感器输出信号与经过磁场的磨粒尺寸的关系。经分析我们发现两者满足正相关的关系，即随着实验颗粒尺寸的增加，输出信号的幅值也呈递增的趋势。从而可知本发明可以有效地实现磨粒的在线监测。

基于上述方法，本发明还提出一种基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测传感器，安装于油液的设备的油管上，包括永磁铁、铁质导磁臂、检测线圈、放大电路和屏蔽罩，如图11所示。

其中，永磁铁1与铁质导磁臂2均为两个；两个永磁铁1对称设置，S级之间与N级之间分别通过一个铁质导磁臂2相连，铁质导磁臂2能够将磁场约束在铁质导体中，如图12所示，从而有效减少磁通量的损失；由此两个永磁铁1与铁质导磁臂2构成环状结构，套接在油液设备的油管7上，使油管7的轴线位于环形结构的中心处。两个永磁铁1作为激励源产生两个旋转方向相反的磁场，形成双边对称的磁场回路，并在油管7处叠加，径向加载在油管7上。

上述铁质导磁臂2设计为中部具有凸块6的T型结构，两个凸块6相对，间距根据油管7的直径具体设计，使两个铁质导磁臂2上凸块6间距等于油管7的直径，由此通过两个凸块6实现本发明监测传感器与油管7间的定位，同时，凸块6上还可用来缠绕检测线圈3。

所述检测线圈3作为传感器的核心部分；当油管7中有磨粒通过磁场回路时，将导致磁场回路的磁通量变化，通过检测线圈3检测其所在位置处的电压变化。检测线圈3采用一个，可安装在任意一个铁质导磁臂2中部凸块6上。

由于传感器的工作环境通常都比较复杂，环境中存在各种干扰信号，同时检测线圈3中的感应电压信号又非常微弱，所以需要放大电路4对有效信号进行放大，同时抑制环境中的干扰信号，达到提高信噪比的目的。因此本发明中放大电路4为三级放大电路，采用差模放大模式，可以有效抑制共模信号，放大差模信号。放大电路4用来将检测线圈3检测到的电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输入到外置的信号采集设备中，通过信号采集设备进行分析处理，即可能够得到磨粒的材质及大小等相关信息。

本发明中永磁铁1、导磁臂2、以及检测线圈3完全包裹在屏蔽罩5内，使磁场回路完全包裹在连续导电的铝制屏蔽罩5内，用以屏蔽环境中的工频信号，起到电磁屏蔽的作用。同时，屏蔽罩5也实现了本发明监测传感器与油管7间的固定。

Claims (7)

1.基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法，其特征在于：

首先，在油液设备的油管两侧对称位置施加相互对称且旋转方向相反的磁场，形成双边对称的磁场回路，作为激励源；

然后，使两磁场在油管处叠加，并沿径向作用于油管；

接着，设置检测线圈，使得在油管中有磨粒通过磁场回路时，导致磁场回路的磁通量变化，磁通量的变化使检测线圈中电压的变化，进而由检测线圈实时输出自身的感应电压信号；

最后，将检测线圈输出的电压信号经过放大电路放大，同时进行抑制共模信号，放大差模信号的处理，再经过后续分析处理，得到磨粒信息。

2.权利要求1所述的基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法的监测传感器，安装于油液的设备的油管上，其特征在于：包括永磁铁、铁质导磁臂、检测线圈和放大电路；

其中，永磁铁与铁质导磁臂均为两个；两个永磁铁对称设置，S级之间与N级之间分别通过一个铁质导磁臂相连；由此两个永磁铁与铁质导磁臂构成环状结构，套接在油液设备的油管上，使油管的轴线位于环形结构的中心处；两个永磁铁作为激励源产生两个旋转方向相反的磁场，形成双边对称的磁场回路，并在油管处叠加，径向加载在油管上；

所述检测线圈设置于一个铁质导磁臂的中部；放大电路用来将检测线圈检测到的电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输入到外置的信号采集设备中，通过信号采集设备进行分析处理得到磨粒信息。

3.如权利要求2所述基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法的监测传感器，其特征在于：所述两个铁质导磁臂设计为中部具有凸块的T型结构，两个凸块相对，间距与油管直径相等，通过两个凸块实现油管的定位。

4.如权利要求3所述基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法的监测传感器，其特征在于：所述任意一个铁质导磁臂的凸块上缠绕检测线圈。

5.如权利要求3所述基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法的监测传感器，其特征在于：所述检测线圈安装在任意一个铁质导磁臂中部凸块上。

6.如权利要求3所述基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法的监测传感器，其特征在于：所述放大电路为三级放大电路，采用差模放大模式。

7.如权利要求3所述基于径向磁场的双边对称结构在线磨粒监测方法的监测传感器，其特征在于：所述永磁铁、导磁臂、以及检测线圈包裹在屏蔽罩内，使磁场回路完全包裹在连续导电的铝制屏蔽罩内。