CN106018189A - 一种用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其通过过滤器衰减液压油的压力/流量脉动，其采用全频段变结构工况自适应滤波器；通过机械离心、磁化吸附、起电吸附等技术将铁磁质微粒和非铁磁质微粒分离，以防止两种微粒互相干扰影响检测结果；通过颗粒聚合和旋转磁场塑形增加颗粒粒径并改变其形态，以提高检测的灵敏度；通过改进螺线管线圈结构调整螺线管内的磁感应强度沿其轴线方向的均匀性，以减少检测误差；采用两个激励线圈反向串联，使位于两者中央的感应线圈处磁场相互抵消，从而构造零磁场，保证磁通量变化较小时即可获得很大的磁通量变化率，以提高检测灵敏度，降低后续信号处理电路要求。

Description

一种用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法

【技术领域】

本发明涉及一种液压油磨损微粒检测方法，具体涉及一种用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，属于液压设备技术领域。

【背景技术】

磨损是机械零部件失效的主要因素之一，磨损微粒是监测磨损过程以及诊断磨损失效类型的最为直接的信息元。国内外的资料统计表明，液压机械70％故障源自油液的颗粒污染。因此，对油液中的金属磨损微粒进行在线监测已成为减少磨损及液压系统卡紧卡涩故障的重要途径之一。

电感式传感器属于非接触测量方式，油液中所含金属磨损微粒的材质和数量使传感器等效电感发生变化，从而实现磨损微粒的在线监测。中国发明专利第201310228772.6号公开了一种油液金属磨粒在线监测系统，该油液金属磨粒在线监测系统包括传感器、微处理器和电路，其传感器为螺线管式电感传感器。使用该系统进行在线监测时，首先将两个相同的传感器的激励线圈并联接入激励交流信号发生器，将两个感应线圈反向串联并与两个等阻值的大电阻接成交流电桥；然后使油液从其中一个传感器的油路中通过。当传感器中含有激励线圈和感应线圈的一个油路通过含有金属磨粒的油液而另一个不通过时，金属磨粒影响传感器的磁场强度，破坏电桥的平衡，感应线圈输出相应幅值的交流电压。输出电压大小和金属磨粒浓度大小成正比，油液中含有的金属磨粒浓度越大，输出电压值越大。通过系统处理模块对输出信号采集和处理，达到对油液金属磨粒浓度在线监测的目的。

然而，上述监测方法存在以下几方面的不足：

1.金属磨损微粒流经测试线圈时引起的磁场波动十分微弱，检测线圈的输出结果受微粒通过速度影响较大，管道中油液的压力和流量波动将严重影响电感法微粒检测的有效性和一致性。

2.机械润滑油中的金属磨损磨粒按照其电磁特性可分为铁磁质微粒(如铁)和非铁磁质微粒(如铜、铝)。铁磁质微粒增强传感器线圈的等效电感，而非铁磁质微粒则削弱传感器线圈的等效电感。当两种微粒同时通过检测线圈时，该监测装置将失效。

3.正常情况下金属磨损微粒的粒径较小，在5um左右，且主要为球磨粒，其纤度小于其他磨粒，传感器线圈对其检测能力相对较弱。如专利文献1只能处理10um左右的金属微粒，无法监测零部件的早期磨损。

4.螺线管内的磁感应强度B沿其轴线方向为非均匀分布，这将导致严重的测量误差；同时同一型号的电感对铁质颗粒的检测能力要大于对铜质颗粒的检测能力，这同样会带来测量误差。

因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种采用非接触的测量方式、信号一致性好、可靠性高、检测信号强且误差小的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其采用一种检测设备，该设备设置在液压管路上，包括滤波器、分离吸附模块、旋转塑形模块、激励线圈I、激励线圈II、感应线圈以及ECU；其中，所述滤波器、分离吸附模块、旋转塑形模块、激励线圈I、感应线圈、激励线圈II依次设置在液压管路上；所述激励线圈I和激励线圈II反向串联；所述感应线圈位于激励线圈I和激励线圈II之间的中央；所述ECU分别电性连接并控制滤波器、分离吸附模块、旋转塑形模块、激励线圈I、激励线圈II和感应线圈；所述滤波器包括输入管、外壳、输出管、波纹管以及S型弹性薄壁；其中，所述输入管连接于外壳的一端，其和一液压油进口对接；所述输出管连接于外壳的另一端，其和U型微粒分离模块对接；所述S型弹性薄壁沿外壳的径向安装于外壳内，其内形成膨胀腔和收缩腔；所述输入管、输出管和S型弹性薄壁共同形成一S型容腔滤波器；所述S型弹性薄壁和外壳之间形成圆柱形的共振容腔；所述S型弹性薄壁的轴向上均匀开有若干锥形变结构阻尼孔，锥形变结构阻尼孔连通共振容腔；所述锥形变结构阻尼孔由锥形弹性阻尼孔管和缝孔组成；所述波纹管呈螺旋状绕在共振容腔外，和共振容腔通过多个锥形插入管连通；所述波纹管各圈之间通过若干支管连通，支管上设有开关；所述波纹管和共振容腔组成插入式螺旋异构串联H型滤波器；所述分离吸附模块由依次连接的机械离心模块、磁化模块、磁吸附模块、起电模块以及电吸附模块组成；其包括如下步骤：

1)，液压管路中的油液通过滤波器，滤波器衰减液压系统中的高、中、低频段的脉动压力，以及抑制流量波动；

2)，之后油液进入分离吸附模块的机械离心模块，使油液中的磨损颗粒聚合并实现初步离心，使质量较大的聚合大颗粒甩向管壁附近；

3)，通过磁化模块使铁磁性金属聚合大颗粒被强力磁化；

4)，磁吸附模块吸附磁化的金属聚合大微粒；

5)，油液通过起电装置，使油液中的非铁磁性金属磨损微粒带电聚合；

6)，油液流入电吸附模块，电吸附模块吸附非铁磁性金属磨损微粒；

7)，ECU先控制电吸附模块将电场方向先反向，再取消电场，使非铁磁性金属磨损微粒进入旋转塑形模块，之后恢复电场；同时，ECU控制磁吸附模块和起电模块的断电，铁磁性颗粒进入旋转塑形模块；随后，磁吸附模块和起电模块恢复原先工作状态；

8)，带电的非铁磁性微粒和磁化的铁磁性微粒先后进入旋转塑形模块，使油液中的两种金属微粒的粒径增大同时形态变为细长针状结构，使得金属微粒的纤度也大大增加；

9)，通过激励线圈I和激励线圈II产生方向相反的磁场，位于两者中央的感应线圈处磁场相互抵消；两类微粒分批进入感应线圈，导致感应线圈产生感应电动势，从而判断磨损微粒的类型和数量。

本发明的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法进一步为：所述输入管和输出管的轴线不在同一轴线上；所述锥形变结构阻尼孔开口较宽处位于共振容腔内，其锥度角为10°；所述锥形变结构阻尼孔锥形弹性阻尼孔管的杨氏模量比弹性薄壁的杨氏模量要大，能随流体压力变化拉伸或压缩；缝孔的杨氏模量比锥形弹性阻尼孔管的杨氏模量要大，能随流体压力开启或关闭；所述锥形插入管开口较宽处位于波纹管内，其锥度角为10°。

本发明的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法进一步为：所述机械离心模块采用旋流离心模块；所述旋流离心模块包括旋流管壁、第一导流片、第二导流片、步进电机以及流量传感器；其中，所述第一导流片设有3片，该3片第一导流片沿管壁内圆周隔120°均匀分布，其安放角设为18°；所述第二导流片和第一导流片结构相同，其设置在第一导流片后，并和第一导流片错开60°连接在管壁内，其安放角设为36℃；所述第一导流片的长边与管壁相连，短边沿管壁的轴线延伸；其前缘挫成钝形，后缘加工成翼形，其高度为管壁直径的0.4倍，长度为管壁直径的1.8倍；所述步进电机连接并驱动第一导流片和第二导流片，以调节安放角；所述流量传感器设置在管壁内的中央。

本发明的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法进一步为：所述磁化模块包括铝质管道、若干绕组、铁质外壳以及法兰；其中，所述若干绕组分别绕在铝质管道外；所述铁质外壳包覆于铝质管道上；所述法兰焊接在铝质管道的两端。

本发明的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法进一步为：所述磁吸附模块采用同极相邻型吸附环，该同极相邻型吸附环包括铝质环形管道、正向螺线管、反向螺线管以及铁质导磁帽；所述正向螺线管和反向螺线管分别布置于铝质环形管道内，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极；所述铁质导磁帽布置于铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线的中间点。

本发明的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法进一步为：所述磁吸附模块采用带电击锤的同极相邻型吸附环，该带电击锤的同极相邻型吸附环包括铝质环形管道、正向螺线管、反向螺线管、铁质导磁帽、隔板、电击锤以及电磁铁；所述正向螺线管和反向螺线管分别布置于铝质环形管道内，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极；所述铁质导磁帽布置于铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线的中间点；所述隔板位于正向螺线管和反向螺线管之间；所述电击锤和电磁铁位于隔板之间；所述电磁铁连接并能推动电击锤，使电击锤敲击铝质环形管道内壁。

本发明的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法进一步为：所述起电模块包括若干电极以及一电极控制器；所述若干电极安装于液压管路上，其分别连接至电极控制器。

本发明的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法进一步为：所述电吸附模块包括铝质管道、阳极板、阴极板以及极板控制器；其中，所述阳极板、阴极板分别设置在铝质管道上，并呈相对设置；所述阳极板、阴极板分别电性连接至极板控制器上；所述极板控制器电性连接至ECU，并由ECU控制。

本发明的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法进一步为：所述旋转塑形模块包括铝质管道、若干绕组、铁质外壳、法兰以及若干旋转塑形电流输出模块；其中，所述若干绕组分别绕在铝质管道外；所述铁质外壳包覆于铝质管道上；所述法兰焊接在铝质管道的两端；每一旋转塑形电流输出模块连接至一绕组。

本发明的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法还为：所述激励线圈I和激励线圈II均包含若干绕组，各绕组由正绕组和逆绕组组成，各绕组分别连接至一激励电流输出模块，该激励电流输出模块由ECU模块控制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明引入油液压力流量波动抑制技术和微粒分时释放措施，以保证检测的有效性和一致性；通过机械离心、磁化吸附、起电吸附等技术将铁磁质微粒和非铁磁质微粒分离，以防止两种微粒互相干扰影响检测结果；通过颗粒聚合和旋转磁场塑形增加颗粒粒径并改变其形态，以提高检测的灵敏度；通过改进螺线管线圈结构调整螺线管内的磁感应强度沿其轴线方向的均匀性，以减少检测误差；构造零磁场，两个由高频交流电源驱动的外侧场线圈反向串联(双激励螺线管)，产生的磁场方向相反，可使在管子内部正好位于中央传感线圈处磁场相互抵消，即为零磁场，保证磁通量变化较小时即可获得很大的磁通量变化率，以提高检测灵敏度，降低后续信号处理电路要求。

【附图说明】

图1是本发明的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测设备的整体结构示意图。

图2是图1中的滤波器的结构示意图。

图3是插入式H型滤波器示意图。

图4是单个的H型滤波器和串联的H型滤波器频率特性组合图。其中，实线为单个的H型滤波器频率特性。

图5是S型容腔滤波器的结构示意图。

图6是S型弹性薄壁的横截面示意图。

图7是图3中锥形变结构阻尼孔的示意图。

图7(a)至图7(c)是锥形变结构阻尼孔的工作状态图。

图8是图1中的分离吸附模块的连接示意图。

图9-1是图8中的机械离心模块的横向示意图。

图9-2是图8中的机械离心模块的径向示意图。

图10是图8中的磁化模块的结构示意图。

图11-1是图8中的磁吸附模块为同极相邻型吸附环的结构示意图。

图11-2是图8中的磁吸附模块为带电击锤的同极相邻型吸附环的结构示意图。

图12是图8中的起电模块的结构示意图。

图13是图8中的电吸附模块的结构示意图。

图14是图1中的旋转塑形模块的结构示意图。

图15-1是图1中的检测线圈的绕组的结构示意图。

图15-2是图15-1中的激励电流输出模块的电路图。

图16是图1中的ECU模块的连接关系图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1至附图16所示，本发明为一种用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测设备，其设置在液压管路7上，其由滤波器8、分离吸附模块2、旋转塑形模块3、激励线圈I4、感应线圈5、激励线圈II6以及ECU1等几部分组成。

其中，所述滤波器8、分离吸附模块2、旋转塑形模块3、激励线圈I4、感应线圈5、激励线圈II6依次设置在液压管路7上。所述ECU1分别电性连接并控制滤波器8、分离吸附模块2、旋转塑形模块3、激励线圈I4、激励线圈II5和感应线圈5。

由于油液的流速对检测特性影响很大，随着油液流速的增大，检测的灵敏度以及输出电压都将发生明显变化；同时，油液的流量也对检测输出有较大的影响，当流量增大时，输出电压也会随着改变，这对检测结果的一致性和有效性影响很大，为此，本发明在检测前增加了滤波器8稳定液压系统压力和流量。

所述滤波器8由输入管81、外壳88、输出管89、波纹管83以及S型弹性薄壁87等几部分组成。

其中，所述输入管81连接于外壳89的一端，用于输入油液；所述输出管811连接于外壳89的另一端，其和分离吸附模块2对接。所述S型弹性薄壁87沿外壳的径向安装于外壳88内，其内形成膨胀腔71和收缩腔72。所述输入管81和输出管89的轴线不在同一轴线上，这样可以提高10％以上的滤波效果。

所述输入管81、输出管89和S型弹性薄壁87共同形成一S型容腔滤波器，从而衰减液压系统高频压力脉动。按集总参数法处理后得到的滤波器透射系数为：

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{1+{(\frac{2\mathrm{\π}f}{Z}\·\frac{\frac{2}{3}{k}_1{D}^3+k_2{d}^{2}L}{{d_I}^2\·a})}^2}$

a—介质中音速 L—收缩腔长度 D—膨胀腔直径 Z—特性阻抗

γ—透射系数 f—压力波动频率 d_I—输入管直径 d—收缩腔直径

k₁—膨胀腔系数 k₂—收缩腔系数

由上式可见，S型容腔滤波器和电路中的电容作用类似。不同频率的压力脉动波通过该滤波器时，透射系数随频率而不同。频率越高，则透射系数越小，这表明高频的压力脉动波在经过滤波器时衰减得越厉害，从而起到了消除高频压力脉动的作用。同时，本发明的S型容腔结构中，膨胀腔和收缩腔之间过渡平滑，有助于降低腔体直径突变带来的系统压力损失。

所述S型容腔滤波器的设计原理如下：当变化的流量通过输入管进入S型容腔的膨胀腔时，液流超过平均流量，扩大的膨胀腔可以吸收多余液流，而在低于平均流量时放出液流，从而吸收压力脉动能量。多级膨胀腔和收缩腔的组合则提高了滤波器的脉动压力吸收能力，也即滤波性能。膨胀腔和收缩腔之间采用曲面光滑过渡，则避免了由流体界面突变带来的沿程压力损失及发热。

所述S型弹性薄壁87通过受迫机械振动来削弱液压系统中高频压力脉动。按集总参数法处理后得到的S型弹性薄壁固有频率为：

$f_m=\frac{k^{2}h}{2{\mathrm{\πR}}^2}\·\sqrt{\frac{E}{12\mathrm{\ρ}(1+\mathrm{\η})(1-{\mathrm{\μ}}^2)}}$

k—S型弹性薄壁结构系数 h—S型弹性薄壁厚度 R—S型弹性薄壁半径

E—S型弹性薄壁的杨氏模量 ρ—S型弹性薄壁的质量密度

η—S型弹性薄壁的载流因子 μ—S型弹性薄壁的泊松比。

代入实际参数，对上式进行仿真分析可以发现，S型弹性薄壁87的固有频率通常比H型滤波器的固有频率高，而且其衰减频带也比H型滤波器宽。在相对较宽的频带范围内，S型弹性薄壁对压力脉动具有良好的衰减效果。同时，本发明的滤波器结构中的S型弹性薄壁半径较大且较薄，其固有频率更靠近中频段，可实现对液压系统中的中高频压力脉动的有效衰减。

所述S型弹性薄壁87的设计原理如下：管道中产生中频压力脉动时，双管插入式容腔滤波器对压力波动的衰减能力较弱，流入双管插入式容腔的周期性脉动压力持续作用在S型弹性薄壁的内外壁上，由于内外壁之间有支柱固定连接，内外S型弹性薄壁同时按脉动压力的频率做周期性振动，该受迫振动消耗了流体的压力脉动能量，从而实现中频段压力滤波。由虚功原理可知，S型弹性薄壁消耗流体脉动压力能量的能力和其受迫振动时的势能和动能之和直接相关，为了提高中频段滤波性能，S型弹性薄壁的半径设计为远大于管道半径，且薄壁的厚度较小，典型值为小于0.1mm。

进一步的，所述S型弹性薄壁87和外壳88之间形成圆柱形的共振容腔85。所述S型弹性薄壁87的轴向上均匀开有若干锥形变结构阻尼孔86，以保证在整个滤波器的范围内均能实现插入式串并联滤波。锥形变结构阻尼孔86连通共振容腔85。所述锥形变结构阻尼孔开口较宽处位于共振容腔内，其锥度角为10°，用于展宽滤波频率范围，按集总参数法处理后得到的滤波器固有角频率为：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ω}}_r=a\sqrt{\frac{S}{L(V-LS)}}& (rad/s)\end{array}---\left(1\right)$

a—介质中音速 L—阻尼孔长 S—阻尼孔横截面积 V—并联共振容腔体积。

所述波纹管83呈螺旋状绕在共振容腔85外，和共振容腔85通过多个锥形插入管82连通。所述锥形插入管82开口较宽处位于波纹管83内，其锥度角为10°用于展宽滤波频率范围。所述波纹管83各圈之间通过若干支管810连通，支管810上设有开关84。所述波纹管83和共振容腔85组成插入式螺旋异构串联H型滤波器。

由图3可知，串联H型滤波器有2个固有角频率，在波峰处滤波效果较好，而在波谷处则基本没有滤波效果；插入式螺旋异构串联H型滤波器中采用了螺旋异构的波纹管83结构，波纹管本身具有弹性，当液压系统的流量和压力脉动经过波纹管时，流体介质导致液压-弹簧系统振动，抵消波动能量，从而起到滤波作用；同时，各圈波纹管83之间的若干支管810的连通或断开，引起波的干涉和叠加，从而改变串联H型滤波器的频率特性；合理安排滤波器参数以及连通支管的数量和位置，可使串联H型滤波器的频率特性的波谷抬高，使滤波器在整个中低频段均有良好的滤波性能，实现中低频段的全频谱滤波。

进一步的，所述锥形变结构阻尼孔86由锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15组成，锥形较窄端开口于弹性薄壁7。其中锥形弹性阻尼孔管16的杨氏模量比弹性薄壁7的杨氏模量要大，能随流体压力变化拉伸或压缩；缝孔15的杨氏模量比锥形弹性阻尼孔管16的杨氏模量要大，能随流体压力开启或关闭。故当压力脉动频率落在高频段时，S型容腔滤波器结构起滤波作用，锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15都处于图7(a)状态；而当脉动频率落在中频段时，滤波器结构变为S型容腔滤波器结构和弹性薄壁7滤波结构共同起作用，锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15都处于图7(a)状态；当脉动频率落在某些特定的低频频率时，滤波器结构变为插入式串并联H型滤波器、S型容腔滤波器结构和弹性薄壁滤波结构共同起作用，锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15都处于图7(b)状态，由于插入式串并联H型滤波器的固有频率被设计为和这些特定低频脉动频率一致，对基频能量大的系统可起到较好的滤波效果；当脉动频率落在某些特定频率以外的低频段时，锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15都处于图7(c)状态。这样的变结构滤波器设计既保证了液压系统的全频段全工况滤波，又降低了正常工况下滤波器的压力损失，保证了系统的液压刚度。

本滤波器8还能实线工况自适应压力脉动衰减。当液压系统工况变化时，既执行元件突然停止或运行，以及阀的开口变化时，会导致管路系统的特性阻抗发生突变，从而使原管道压力随时间和位置变化的曲线也随之改变，则压力峰值的位置亦发生变化。由于本发明的滤波器的轴向长度设计为大于系统主要压力脉动波长，且滤波器的插入式螺旋异构串联H型滤波器的容腔长度、S型容腔滤波器的长度和弹性薄壁的长度和滤波器轴线长度相等，保证了压力峰值位置一直处于滤波器的有效作用范围内；插入式螺旋异构串联H型滤波器的锥形变结构阻尼孔开在S型弹性薄壁上，沿轴线方向均匀分布，螺旋异构缠绕的波纹管和共振容腔间的锥形插入管在轴向均匀分布，使得压力峰值位置变化对滤波器的性能几乎没有影响，从而实现了工况自适应滤波功能。考虑到三种滤波结构轴向尺寸和滤波器相当，这一较大的尺寸也保证了液压滤波器具备较强的压力脉动衰减能力。

采用本滤波器8进行液压脉动滤波的方法如下：

1)，液压流体通过输入管进入S型容腔滤波器，扩大的容腔吸收多余液流，完成高频压力脉动的滤波；

2)，通过S型弹性薄壁87受迫振动，消耗流体的压力脉动能量，完成中频压力脉动的滤波；

3)，通过插入式螺旋异构串联H型滤波器，锥形变结构阻尼孔、锥形插入管和流体产生共振，消耗脉动能量，完成低频压力脉动的滤波；

4)，将滤波器的轴向长度设计为大于液压系统主要压力脉动波长，且插入式串并联H型滤波器长度、双管插入式滤波器长度和S型弹性薄壁87长度同滤波器长度相等，使压力峰值位置一直处于滤波器的有效作用范围，实现系统工况改变时压力脉动的滤波；

5)，通过锥形变结构阻尼孔的锥形弹性阻尼孔管的伸缩和缝孔的开关，完成压力脉动自适应滤波。

机械润滑油中的金属磨损磨粒按照其电磁特性可分为铁磁质微粒(如铁)和非铁磁质微粒(如铜、铝)。铁磁质微粒增强传感器线圈的等效电感，而非铁磁质微粒则削弱传感器线圈的等效电感。当两种微粒同时通过检测线圈时，该监测装置将失效。为此，本发明用分离吸附模块2来分离这两种微粒。所述分离吸附模块2由依次连接的机械离心模块21、磁化模块22、磁吸附模块23、起电模块24以及电吸附模块25组成。

其中，所述机械离心模块21使油液在离心作用下，质量较大的固体颗粒被甩向腔壁，其采用沿程起旋的方式，其设计原理如下：在管道中设置一定高度和长度的扭曲的导流片，并使叶面切线与轴线成一定角度，因管流边界发生改变可使流体产生圆管螺旋流，该螺旋流可分解为绕管轴的周向流动和轴向平直流动，流体中携带的颗粒物产生偏轴线向心螺旋运动。该旋流离心装置21由旋流管壁211、第一导流片212、第二导流片213、步进电机214以及流量传感器215等几部分组成，所述步进电机214和流量传感器215电性连接至ECU1。

其中，所述第一导流片212设有3片，该3片第一导流片212沿管壁211内圆周隔120°均匀分布，其安放角(第一导流片212和旋流管壁211之间的夹角)设为18°，以保证最佳切向流动。所述第二导流片213和第一导流片212结构相同，其设置在第一导流片212后，并和第一导流片212错开60°连接在管壁211内，其安放角设为36℃，用于减少阻力并加大周向流动的强度。另外，可根据实际分离效果同样再设置第三或更多的导流片，安放角逐次增加。所述步进电机214连接并驱动第一导流片212和第二导流片213，以调节安放角，从而可获得更好的离心效果，获知使导流片212、213适应不同的工况。所述流量传感器215设置在管壁211内的中央，ECU1通过读取流量传感器215的数值分析旋流分离效果，并据此控制步进电机214，步进电机214调节各导流片212、213的安放角，以获得更加分离效果。

进一步的，所述第一导流片212的长边与管壁211相连，短边213沿管壁211的轴线延伸；为减小阻力，其前缘挫成钝形；为避免绕流，后缘加工成翼形；其高度为管壁211直径的0.4倍，使形成的螺旋流具有较大的强度；长度为管壁211直径的1.8倍，以保证较大的对油液的作用范围。

所述磁化模块22将油液中携带的铁磁性金属磨损微粒的强力磁化，并使微米级的磨损微粒聚合成大颗粒，可提高敏感装置的输出信号强度。所述磁化装置22由铝质管道221、若干绕组222、铁质外壳223以及法兰224组成。其中，所述铝质管道221使油液从其中流过而受到磁化处理，且铝的磁导率很低，可以使管道221中获得较高的磁场强度。

所述若干绕组222分别绕在铝质管道221外，由直径为1.0mm左右的铜丝涂覆绝缘漆制成。所述铁质外壳223包覆于铝质管道221上，铁质的材料会屏蔽掉大部分的磁通。所述法兰224焊接在铝质管道221的两端。

所述磁吸附模块23用于吸附聚集在管壁附近的磁化聚合大微粒，其可采用同极相邻型吸附环。该同极相邻型吸附环由铝质环形管道231、正向螺线管232、反向螺线管233以及铁质导磁帽234等部件组成。其中，所述正向螺线管232和反向螺线管233分别布置于铝质环形管道231内并由ECU1控制，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管232和反向螺线管233相邻处产生同性磁极。所述铁质导磁帽234布置于铝质环形管道231的内壁上，其位于正向螺线管232和反向螺线管233相邻处、以及正向螺线管232和反向螺线管233轴线的中间点。

所述同极相邻型吸附环的设计原理如下：通电正向螺线管232、反向螺线管233，相邻的正向螺线管232、反向螺线管233通有方向相反的电流，使得正向螺线管232、反向螺线管233相邻处产生同性磁极；同时，铝质环形管道231能够改善磁路，加大管道内壁处的磁场强度，增强铁质导磁帽234对颗粒的捕获吸附能力。各正向螺线管232、反向螺线管233电流由ECU1直接控制，可根据颗粒的粒径大小和浓度不同而变化，以获得最佳吸附性能。

进一步的，所述磁吸附模块23也可采用带电击锤的同极相邻型吸附环，该带电击锤的同极相邻型吸附环由铝质环形管道231、正向螺线管232、反向螺线管233、铁质导磁帽234、隔板235、电击锤236以及电磁铁237等部件组成。其中，所述正向螺线管232和反向螺线管233分别布置于铝质环形管道231内并由ECU1控制，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管232和反向螺线管233相邻处产生同性磁极。所述铁质导磁帽234布置于铝质环形管道231的内壁上，其位于正向螺线管232和反向螺线管233相邻处、以及正向螺线管232和反向螺线管233轴线的中间点。所述电击锤236和电磁铁237位于隔板235之间。所述电磁铁237连接并能推动电击锤236，使电击锤236敲击铝质环形管道232内壁。所述ECU1电性连接并控制正向螺线管232、反向螺线管233和电磁铁237。

所述带电击锤的同极相邻型吸附环的设计原理如下：通电正向螺线管232、反向螺线管233，相邻的正向螺线管232、反向螺线管233通有方向相反的电流，使得正向螺线管232、反向螺线管233相邻处产生同性磁极；同时，铝质环形管道231能够改善磁路，加大管道内壁处的磁场强度，增强铁质导磁帽234对颗粒的捕获吸附能力。各正向螺线管232、反向螺线管233电流由ECU1直接控制，可根据颗粒的粒径大小和浓度不同而变化，以获得最佳吸附性能。而通过电击锤236的设置，防止颗粒在铁质导磁帽234处大量堆积，影响吸附效果。此时，通过电磁铁237控制电击锤236敲击管道231的内壁，使得被吸附的颗粒向两侧分散开。同时，在清洗管道231时，电击锤236的敲击还可以提高清洗效果。

所述磁吸附模块23吸附完成后，ECU1控制电磁铁断电，顺磁性铝质管道失去磁性，附着在管道内壁上磁性聚合大颗粒将脱离管壁并以低速随油液沿管壁进入起电模块24。

所述起电模块24使液压油中的非铁磁性金属磨损微粒带电，其由若干电极241以及一电极控制器242组成。所述若干电极241安装于液压管路7上，其分别连接至电极控制器242。所述电极控制器242电性连接向电极241施加电压，使油液中的颗粒物质带电。

所述电吸附模块25将油液中的非铁磁性金属磨损颗粒吸附在管壁上，其由铝质管道251、阳极板252、阴极板253以及极板控制器254组成。其中，所述阳极板252、阴极板253分别设置在铝质管道251上，并呈相对设置；所述阳极板252、阴极板253分别电性连接至极板控制器254上；所述极板控制器254电性连接至ECU1，并由ECU1控制。

所述电吸附模块25的工作原理如下：带电的非铁磁质金属磨损微粒随油液以速度V沿管壁流入电吸附模块25，电吸附模块25的阴阳两个电极525、253受极板控制器254控制产生和速度V方向垂直的均匀电场，则带电微粒在电场离心模块中受到垂直于速度方向的电场力的作用，使带电颗粒在该力的作用下向极板做抛物线运动，带电微粒沿运动方向吸附其它微粒形成聚合大颗粒。该抛物线运动具体是指带电微粒在轴向跟随油液做直线运动，径向则在电场力作用下做匀速或变速运动，通过极板控制器254改变电场强度即可改变运动速度，使带电聚合大颗粒吸附到管壁上。吸附完成后，当ECU1控制极板控制器254断电时，附着在管道内壁上磁性聚合大颗粒将脱离管壁并以低速随油液沿管壁进入旋转塑形模块3。

所述旋转塑形模块3用于提高检测的灵敏度。研究表明：传感器线圈的电感变化率与磨粒半径的三次方成正比。同时，磁介质的形态越趋向于细长状，其退磁因子越小，磁化强度越大，磁化场场强越大。对传感器等效电感的变化影响越大。该旋转塑形模块3由铝质管道31、若干绕组32、铁质外壳33、法兰34以及若干旋转塑形电流输出模块35等几部分组成。其中，所述若干绕组32分别绕在铝质管道31外；所述铁质外壳33包覆于铝质管道31上；所述法兰34焊接在铝质管道31的两端；每一旋转塑形电流输出模块35连接至一绕组32。

所述旋转塑形模块3的设计原理如下：聚合大颗粒随油液进入旋转塑形模块3后，ECU1控制旋转塑形电流输出模块35，使旋转塑形电流输出模块35中流过三相对称电流，该电流在铝质管道31内产生旋转磁场。磁化颗粒在旋转磁场作用下受到磁场力的作用，并在该力的作用下以螺旋状前进，磁化微粒沿磁力线方向形成了很多针状结构，这些针状结构在磁场旋转时将跟随磁场做螺旋运动，具体是在轴向跟随油液做直线运动，径向则跟随旋转磁场做螺旋运动。调整三相对称电流即可改变螺旋运动的速度和轨迹。当运动的针状结构和运动轨迹上的金属微粒遭遇时，彼此结合成大颗粒聚合物。通过旋转塑形模块3，使油液中的金属微粒的粒径增大同时形态变为细长针状结构，使得金属微粒的纤度也大大增加，进一步增强了双线圈式检测的灵敏度。

金属磨损微粒在油路中为非均匀分布，流型变化十分复杂，当微粒大小和材质变化时，其引起的磁场变化是很微弱的，若检测磁场不均匀将导致严重的测量误差，使检测灵敏度降低；同时要求激励线圈I和激励线圈II的特性完全一致，这一般是很难达到的，为此需要设计的激励线圈I和激励线圈II具有在线自动调节的功能。具体的说，所述激励线圈I4和激励线圈II6均包含若干绕组，各绕组由正绕组41和逆绕组42组成，各绕组分别连接至一激励电流输出模块43。该激励电流输出模块43由ECU1控制，其使用的数字电位计为AD5206，具有6通道的输出，可以和ECU1之间实现单总线数据传输。ECU1通过单总线实现对磁化绕组的多块激励电流输出模块73的电流设定和输出。运放AD8601和MOS管2N7002通过负反馈实现了高精度的电压跟随输出。恒定大电流输出采用了德州仪器(TI)的高电压、大电流的运放OPA 549。

所述检测线圈7的工作原理如下：为了产生同极性方向的磁场并同时弥补缺口造成的磁场不均衡，正绕组41和逆绕组42内的电流特性相同，在液压管道7的轴线方向上排列有多对正逆绕组，通过不同激励电流输出模块43控制电流，就可以形成系统要求的均匀磁场。

因为液体中的磨粒非常小，对原磁场的影响非常小，即产生的磁通变化量也很小，为了保证传感器高的灵敏度，需要在感应线圈中获得大的感应电动势。根据法拉第电磁感应定律，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，其方向有赖于磁场的方向和变化情况。磁通量变化较小时，若要使其变化率大，其途径有两种：一是增大原线圈的匝数，但这样会导致传感器体积过大，不可取；一是原磁场磁通量为零，即处于零磁场中。基于此，本创作设计的敏感装置的采用三组线圈。激励线圈I4和激励线圈II6由高频交流电源驱动，两线圈反向串联，产生的磁场方向相反，而所述感应线圈5位于激励线圈I4和激励线圈II6之间的中央，可使在感应线圈5处磁场相互抵消，即为零磁场。感应线圈5与ECU相接。当油液中通过有金属大颗粒时，引起磁场扰动，导致感应线圈5产生感应电动势，利用铁磁质和非铁磁质金属微粒对原磁场的相反影响，导致输出信号相位相反，可区分油液中磨损颗粒类型；磁介质颗粒越大，纤度越大，对磁场影响越大，输出信号的幅值越大，检测的灵敏度越高。

采用上述监控装置对液压油进行监控的具体方法如下：

1)，液压管路7中的油液通过滤波器8，滤波器8衰减液压系统中的高、中、低频段的脉动压力，以及抑制流量波动；

2)，之后油液进入分离吸附模块2的机械离心模块21，使油液中的磨损颗粒聚合并实现初步离心，使质量较大的聚合大颗粒甩向管壁附近；

3)，通过磁化模块22使铁磁性金属聚合大颗粒被强力磁化；

4)，磁吸附模块23吸附磁化的金属聚合大微粒；

5)，通过起电模块24，使油液中的非铁磁性金属磨损微粒带电聚合；

6)，随后带电颗粒以速度v流入电吸附模块25，电吸附模块25受ECU1控制产生和速度v方向垂直的均匀磁场，带电颗粒在分离装置中受到垂直于速度方向和磁场方向的洛仑磁力的作用，使带电颗粒在该力的作用下向铝质管壁运动，从而使油液中的非铁磁性金属磨损微粒从油液中“分离”出来，吸附在管壁上。

7)，在磁吸附和电吸附到足够的微粒浓度后，ECU1先控制电吸附模块25将电场方向先反向，再取消电场，则吸附在管壁上的非铁磁性金属磨损微粒从静止开始脱离管壁缓慢进入旋转塑形模块3，而电吸附模块25此时则恢复原先的电场。同时，ECU1控制磁吸附模块23断电，顺磁性铝质管道失去磁性，附着在管道内壁上磁性聚合大颗粒将脱离管壁，起电模块24的断电，铁磁性颗粒以低速随油液流过起电模块24和电吸附模块25，进入旋转塑形模块3。随后，磁吸附模块和起电模块恢复原先工作状态。

8)，带电的非铁磁性微粒和磁化的铁磁性微粒先后进入旋转塑形模块3，此时ECU1控制三相对称绕组中流过三相对称电流，该电流在铝质管道内产生旋转磁场。磁化颗粒在旋转磁场作用下受到磁场力的作用，并在该力的作用下以螺旋状前进，磁化微粒沿磁力线方向形成了很多针状结构，这些针状结构在磁场旋转时将跟随磁场做螺旋运动，当运动的针状结构和运动轨迹上的金属微粒遭遇时，彼此结合成大颗粒聚合物。

9)，通过旋转塑形模块3，使油液中的金属微粒的粒径增大同时形态变为细长针状结构，使得金属微粒的纤度也大大增加，进一步增强了双线圈式检测的灵敏度。随后这两类微粒以低速、高浓度、大颗粒和大纤度的状态分批进入激励线圈I4，ECU1控制激励电流保持激励线圈I4的磁场均匀性，同时由于同一型号的电感对铁质颗粒的检测能力要大于对铜质颗粒的检测能力，需要ECU1调节激励电流来补偿这一差异，以保持输出的一致性。

10)，激励线圈I4和激励线圈II6由高频交流电源驱动，两线圈反向串联，产生的磁场方向相反，位于两者中央的感应线圈5处磁场相互抵消，当油液中通过有金属大颗粒时，引起磁场扰动，导致感应线圈5产生显著的感应电动势。利用铁磁质和非铁磁质金属微粒对原磁场的相反影响，导致输出信号相位相反，可区分油液中磨损颗粒类型，而感应电动势的强弱可以判断磨损金属微粒的数量，从而实现信号一致性好、可靠性高、检测信号强且误差小的非接触式微粒检测。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其特征在于：其采用一种检测设备，该设备设置在液压管路上，包括滤波器、分离吸附模块、旋转塑形模块、激励线圈I、激励线圈II、感应线圈以及ECU；其中，所述滤波器、分离吸附模块、旋转塑形模块、激励线圈I、感应线圈、激励线圈II依次设置在液压管路上；所述激励线圈I和激励线圈II反向串联；所述感应线圈位于激励线圈I和激励线圈II之间的中央；所述ECU分别电性连接并控制滤波器、分离吸附模块、旋转塑形模块、激励线圈I、激励线圈II和感应线圈；所述滤波器包括输入管、外壳、输出管、波纹管以及S型弹性薄壁；其中，所述输入管连接于外壳的一端，其和一液压油进口对接；所述输出管连接于外壳的另一端，其和U型微粒分离模块对接；所述S型弹性薄壁沿外壳的径向安装于外壳内，其内形成膨胀腔和收缩腔；所述输入管、输出管和S型弹性薄壁共同形成一S型容腔滤波器；所述S型弹性薄壁和外壳之间形成圆柱形的共振容腔；所述S型弹性薄壁的轴向上均匀开有若干锥形变结构阻尼孔，锥形变结构阻尼孔连通共振容腔；所述锥形变结构阻尼孔由锥形弹性阻尼孔管和缝孔组成；所述波纹管呈螺旋状绕在共振容腔外，和共振容腔通过多个锥形插入管连通；所述波纹管各圈之间通过若干支管连通，支管上设有开关；所述波纹管和共振容腔组成插入式螺旋异构串联H型滤波器；所述分离吸附模块由依次连接的机械离心模块、磁化模块、磁吸附模块、起电模块以及电吸附模块组成；其包括如下步骤：

1），液压管路中的油液通过滤波器，滤波器衰减液压系统中的高、中、低频段的脉动压力，以及抑制流量波动；

2），之后油液进入分离吸附模块的机械离心模块，使油液中的磨损颗粒聚合并实现初步离心，使质量较大的聚合大颗粒甩向管壁附近；

3），通过磁化模块使铁磁性金属聚合大颗粒被强力磁化；

4），磁吸附模块吸附磁化的金属聚合大微粒；

5），油液通过起电装置，使油液中的非铁磁性金属磨损微粒带电聚合；

6），油液流入电吸附模块，电吸附模块吸附非铁磁性金属磨损微粒；

7），ECU先控制电吸附模块将电场方向先反向，再取消电场，使非铁磁性金属磨损微粒进入旋转塑形模块，之后恢复电场；同时，ECU控制磁吸附模块和起电模块的断电，铁磁性颗粒进入旋转塑形模块；随后，磁吸附模块和起电模块恢复原先工作状态；

8），带电的非铁磁性微粒和磁化的铁磁性微粒先后进入旋转塑形模块，使油液中的两种金属微粒的粒径增大同时形态变为细长针状结构，使得金属微粒的纤度也大大增加；

9），通过激励线圈I和激励线圈II产生方向相反的磁场，位于两者中央的感应线圈处磁场相互抵消；两类微粒分批进入感应线圈，导致感应线圈产生感应电动势，从而判断磨损微粒的类型和数量。

2.如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其特征在于：所述输入管和输出管的轴线不在同一轴线上；所述锥形变结构阻尼孔开口较宽处位于共振容腔内，其锥度角为10°；所述锥形变结构阻尼孔锥形弹性阻尼孔管的杨氏模量比弹性薄壁的杨氏模量要大，能随流体压力变化拉伸或压缩；缝孔的杨氏模量比锥形弹性阻尼孔管的杨氏模量要大，能随流体压力开启或关闭；所述锥形插入管开口较宽处位于波纹管内，其锥度角为10°。

3.如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其特征在于：所述机械离心模块采用旋流离心模块；所述旋流离心模块包括旋流管壁、第一导流片、第二导流片、步进电机以及流量传感器；其中，所述第一导流片设有3片，该3片第一导流片沿管壁内圆周隔120°均匀分布，其安放角设为18°；所述第二导流片和第一导流片结构相同，其设置在第一导流片后，并和第一导流片错开60°连接在管壁内，其安放角设为36℃；所述第一导流片的长边与管壁相连，短边沿管壁的轴线延伸；其前缘挫成钝形，后缘加工成翼形，其高度为管壁直径的0.4倍，长度为管壁直径的1.8倍；所述步进电机连接并驱动第一导流片和第二导流片，以调节安放角；所述流量传感器设置在管壁内的中央。

4.如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其特征在于：所述磁化模块包括铝质管道、若干绕组、铁质外壳以及法兰；其中，所述若干绕组分别绕在铝质管道外；所述铁质外壳包覆于铝质管道上；所述法兰焊接在铝质管道的两端。

5.如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其特征在于：所述磁吸附模块采用同极相邻型吸附环，该同极相邻型吸附环包括铝质环形管道、正向螺线管、反向螺线管以及铁质导磁帽；所述正向螺线管和反向螺线管分别布置于铝质环形管道内，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极；所述铁质导磁帽布置于铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线的中间点。

6.如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其特征在于：所述磁吸附模块采用带电击锤的同极相邻型吸附环，该带电击锤的同极相邻型吸附环包括铝质环形管道、正向螺线管、反向螺线管、铁质导磁帽、隔板、电击锤以及电磁铁；所述正向螺线管和反向螺线管分别布置于铝质环形管道内，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极；所述铁质导磁帽布置于铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线的中间点；所述隔板位于正向螺线管和反向螺线管之间；所述电击锤和电磁铁位于隔板之间；所述电磁铁连接并能推动电击锤，使电击锤敲击铝质环形管道内壁。

7.如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其特征在于：所述起电模块包括若干电极以及一电极控制器；所述若干电极安装于液压管路上，其分别连接至电极控制器。

8.如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其特征在于：所述电吸附模块包括铝质管道、阳极板、阴极板以及极板控制器；其中，所述阳极板、阴极板分别设置在铝质管道上，并呈相对设置；所述阳极板、阴极板分别电性连接至极板控制器上；所述极板控制器电性连接至ECU，并由ECU控制。

9.如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其特征在于：所述旋转塑形模块包括铝质管道、若干绕组、铁质外壳、法兰以及若干旋转塑形电流输出模块；其中，所述若干绕组分别绕在铝质管道外；所述铁质外壳包覆于铝质管道上；所述法兰焊接在铝质管道的两端；每一旋转塑形电流输出模块连接至一绕组。

10.如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波的微粒敏感检测方法，其特征在于：所述激励线圈I和激励线圈II均包含若干绕组，各绕组由正绕组和逆绕组组成，各绕组分别连接至一激励电流输出模块，该激励电流输出模块由ECU模块控制。