CN108375531A - 一种装甲车辆用在线磨粒监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种装甲车辆用在线磨粒监测装置，包括采集控制系统，及与采集控制系统电连接的磨粒粒度监测单元和磨粒浓度检测单元；所述磨粒粒度监测单元包括用于对润滑油中大尺寸磨粒的粒度进行监测的粒度传感器；所述磨粒浓度检测单元包括流量监测器、磨粒收集器和浓度传感器；所述粒度传感器、流量监测器、磨粒收集器和浓度传感器依次安装于润滑油的回油路上；所述粒度传感器和浓度传感器均为电感式磨粒传感器；本发明的装甲车辆用在线磨粒监测装置，整个装置安装在润滑油回油路上，可同时实现磨粒粒度、浓度的在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂机械装备用在线磨粒监测装置，具体涉及一种装甲车辆用在线磨粒监测装置，属于军用设备技术领域。
背景技术
机械装备故障的主要原因是零部件的失效，而零部件的磨损失效又是其中最常见、最主要的失效形式；以油液分析为基础的磨粒监测技术通过分析在用润滑油中磨损颗粒的情况，获得装备磨损状态信息；目前，采用的磨粒监测方法以光谱分析和铁谱分析为代表的离线监测方式为主，这些方法存在着设备昂贵、检测成本高、检测周期长、操作复杂不利于推广使用等缺点；因此，发明实时性好、结构紧凑、监测效率高的在线磨粒监测装置意义重大。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种装甲车辆用在线磨粒监测装置，可同时实现磨粒粒度、浓度的在线监测。
本发明的装甲车辆用在线磨粒监测装置，包括采集控制系统，及与采集控制系统电连接的磨粒粒度监测单元和磨粒浓度检测单元；所述磨粒粒度监测单元包括用于对润滑油中大尺寸磨粒的粒度进行监测的粒度传感器；所述磨粒浓度检测单元包括流量监测器、磨粒收集器和浓度传感器；所述粒度传感器、流量监测器、磨粒收集器和浓度传感器依次安装于润滑油的回油路上；所述粒度传感器和浓度传感器均为电感式磨粒传感器，粒度传感器实现对大尺寸磨粒的粒度监测，但是对小尺寸磨粒的监测能力不足；磨粒收集器在磁力作用下先将磨粒聚集在一起，然后在采集控制系统的作用下释放磨粒，提高磨粒在润滑油内的局部浓度，使得浓度传感器实现对小尺寸磨粒正体浓度的监测，所测得数据是所收集磨粒整体浓度的反映；粒度传感器实现粒度监测，浓度传感器实现浓度监测，这样在线磨粒监测装置能同时获取润滑油中金属磨粒的粒度信息和浓度信息。
进一步地，所述电感式磨粒传感器由传感器线圈、线圈激励电路、互相关检波电路和直流放大电路组成；所述传感器线圈其输入端和输出端分别与线圈激励电路和互相关检波电路电连接；所述互相关检波电路其输出端与直流放大电路电连接，含有磨粒的润滑油从传感器线圈的检测线圈中流过，线圈激励电路通过自振荡产生正弦激励电压，施加在传感器线圈两端；然后经互相关检波电路检波后，输出反映磨粒浓度的微弱直流电压信号，最后经直流放大电路进一步放大。
再进一步地，所述传感器线圈由检测线圈与参考线圈串联而成，且检测线圈和参考线圈其电感大小相等；所述检测线圈和参考线圈并排置于铝制的壳体中，且检测线圈和参考线圈之间通过铁氧体环隔开；所述检测线圈与参考线圈均缠绕于内外径相等的尼龙管上，且检测线圈内的尼龙管为空心，其两端制有螺纹状的用于与润滑油回油路相连的油管接头。
进一步地，所述粒度传感器其参考线圈的匝数为70～80。
进一步地，所述浓度传感器其参考线圈的匝数为130～140。
进一步地，所述流量监测器由流量传感器和信号处理单元组成；所述流量传感器安装于润滑油的回油路上；所述流量传感器经信号处理单元与采集控制系统连接，信号处理单元将流量传感器输出的反映润滑油流量大小的模拟信号转换为数字信号传递给采集控制系统。
进一步地，所述磨粒收集器包括电磁铁和继电器；所述电磁铁与继电器电连接；所述继电器与采集控制系统电连接；所述电磁铁安装于润滑油道的回油路上，且位于流量传感器后侧，电磁铁安装在润滑油道的回油路上(流量传感器之后)，继电器控制电磁铁的通断；当电磁铁通电时，将油液中的铁磁质磨粒吸附在安装位置附近，当电磁铁断电时，释放磨粒。
进一步地，所述采集控制系统由PC104主板、信号采集控制板和显示屏组成；所述信号采集控制板和显示屏分别与PC104主板电连接，完成传感器模拟信号的采集、处理、存储和显示，实现对流量监测器、磨粒收集器、传感器采样的控制。
本发明与现有技术相比较，本发明的装甲车辆用在线磨粒监测装置，整个装置安装在润滑油回油路上，可同时实现磨粒粒度、浓度的在线监测；粒度传感器和浓度传感器均为电感式双线圈结构，由检测线圈和参考线圈串联而成，润滑油通过传感器检测线圈时，其中的金属磨粒使线圈电感发生变化，进而引起传感器输出反映磨粒粒度或浓度的电压值；粒度监测由采集控制处理系统实时采集粒度传感器输出的电压值来实现；浓度监测过程中，采集控制系统依据流量监测器输出的润滑油流量值，控制磨粒收集器的收集时间间隔，确保浓度传感器测量值能真实磨粒浓度值。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意框图。
图2是本发明的电感式磨粒传感器的原理示意图。
图3是本发明的电感式磨粒传感器的结构示意图。
图4是本发明的采集控制系统工作流程示意图。
附图中各部件标注为：1-粒度传感器，2-流量监测器，3-磨粒收集器，4- 浓度传感器，5-采集控制系统，6-线圈激励电路，7-传感器线圈，8-互相关检波电路，9-直流放大电路，12-壳体，13-铁氧体环，14-尼龙管，15-油管接头，L1-检测线圈，L2-参考线圈。
具体实施方式
如图1至图4所示的装甲车辆用在线磨粒监测装置，包括采集控制系统5，及与采集控制系统5电连接的磨粒粒度监测单元和磨粒浓度检测单元；所述磨粒粒度监测单元包括用于对润滑油中大尺寸磨粒的粒度进行监测的粒度传感器 1；所述磨粒浓度检测单元包括流量监测器2、磨粒收集器3和浓度传感器4；所述粒度传感器1、流量监测器2、磨粒收集器3和浓度传感器4依次安装于润滑油的回油路上；所述粒度传感器1和浓度传感器4均为电感式磨粒传感器。
所述电感式磨粒传感器由传感器线圈7、线圈激励电路6、互相关检波电路 8和直流放大电路9组成；所述传感器线圈7其输入端和输出端分别与线圈激励电路6和互相关检波电路8电连接；所述互相关检波电路8其输出端与直流放大电路9电连接。
所述传感器线圈7由检测线圈L1与参考线圈L2串联而成，且检测线圈L1 和参考线圈L2其电感大小相等；所述检测线圈L1和参考线圈L2并排置于铝制的壳体中，且检测线圈L1和参考线圈L2之间通过铁氧体环13隔开；所述检测线圈L1与参考线圈L2均缠绕于内外径相等的尼龙管14上，且检测线圈L1内的尼龙管14为空心，其两端制有螺纹状的用于与润滑油回油路相连的油管接头 15。
所述粒度传感器1其参考线圈的匝数为70～80。
所述浓度传感器4其参考线圈的匝数为130～140。
所述流量监测器2由流量传感器和信号处理单元组成；所述流量传感器安装于润滑油的回油路上；所述流量传感器经信号处理单元与采集控制系统5连接。
所述磨粒收集器3包括电磁铁和继电器；所述电磁铁与继电器电连接；所述继电器与采集控制系统5电连接；所述电磁铁安装于润滑油道的回油路上，且位于流量传感器后侧。
所述采集控制系统5由PC104主板、信号采集控制板和显示屏组成；所述信号采集控制板和显示屏分别与PC104主板电连接。
本发明的装甲车辆用在线磨粒监测装置的工作原理如下：
粒度传感器实现对大尺寸磨粒的粒度监测，但是对小尺寸磨粒的监测能力不足；磨粒收集器在磁力作用下先将磨粒聚集在一起，然后在采集控制系统的作用下释放磨粒，提高磨粒在润滑油内的局部浓度，使得浓度传感器实现对小尺寸磨粒正体浓度的监测，所测得数据是所收集磨粒整体浓度的反映；粒度传感器实现粒度监测，浓度传感器实现浓度监测，这样在线磨粒监测装置能同时获取润滑油中金属磨粒的粒度信息和浓度信息。
其中，粒度传感器与浓度传感器均为电感式磨粒传感器，其原理相同，但结构尺寸上有所区别；如图2所示，电感式磨粒传感器由线圈激励电路、传感器线圈、互相关检波电路和直流放大电路组成；传感器线圈由电感线圈L1和L2 串联而成，其中L1为检测线圈，L2为参考线圈，线圈激励电路在传感器线圈两端A、B两点施加同频反相的正弦电压；当含有磨粒的润滑油进入检测线圈中，磨粒在线圈交变磁场的作用下，改变原线圈磁场的分布，使得检测线圈的等效电感改变，进而影响传感器C点电压的输出；然后经互相关检波电路将交流信号变为直流信号，再通过直流放大电路将该信号进一步放大；
电感式磨粒传感器其工作原理如下：设A点电压u1＝Umcos2πft，B点电压 u2＝-Umcos2πft，其中Um为激励电压幅值，f为激励电压频率；假设检测线圈与参考线圈严格一致，Rs表示单个线圈电阻，L表示线圈电感；无磨粒时，检测线圈与参考线圈处于平衡位置，传感器C点输出为零；当检测线圈中有磨粒存在时，检测线圈电感改变量为△L，线圈的Rs保持不变，所以等效阻抗的变化为△Z＝jω△L，而参考线圈阻抗不变，考虑到△L<<L，此时传感器输出为：
线圈的品质因数为则C点输出电压的峰值为
相位为
由(2)式可知，传感器输出电压的峰值与等效电感的增量△L成正比关系；
在互相关检波环节，乘法器的输入信号ui与传感器输出信号同相，参考信号 us与激励信号同相，则
us＝K2Umcosωt； (5)
其中，K1，K2是与电路有关的常数，根据互相关检测理论，输入信号和参考信号经乘法器和低通滤波后，输出的直流信号为
Kv是与电路有关的常数，(6)式对传感器输出信号的相位提出了要求，φ值应尽量接近与0或π，以免(6)式中因值太小，削弱电路对传感器输出信号的放大能力；由(3)式相位φ仅与线圈的品质因数有关；显然，只有保证线圈的品质因数足够大，才保证传感器输出信号被有效的放大；
如图3所示，检测线圈与参考线圈串联，并排置于铝制的壳体中，并用铁氧体环隔开，起屏蔽作用；检测线圈与参考线圈均缠绕在内外径相等的尼龙管上，检测线圈内的尼龙管为空心，两端制有螺纹状的油管接头，用于与润滑油回油路相连；工作时，润滑油携带磨粒从检测线圈内的空心尼龙管中流过；由于粒度传感器是用于实现磨粒的粒度监测，为提高分辨率(线圈不宜过长)并兼顾线圈的品质因数，其参考线圈匝数在70～80之间，而浓度传感器是用于实现磨粒的浓度监测，主要考虑线圈的品质因数，因此线圈要长一些，参考线圈匝数在130～140之间；理论上参考线圈的匝数与检测线圈应相等，但是实际装置中检测线圈比参考线圈多2～3匝，确保在无磨粒的情况下传感器能输出一个正向偏置电压，以减小背景噪声的干扰；
如图4所示，采集控制系统用于完成粒度监测和浓度监测的采集、控制和数据处理，它由流量采集、磨粒收集器的继电器控制、采样控制、处理显示等功能模块组成；采集控制系统不断地采集粒度传感器输出的电压信号，通过与背景电压对比判断是否有磨粒通过，并记录磨粒的大小；
利用磨粒收集器提高传感器对小尺寸铁磁质磨粒的检测能力，由电磁铁构成的磨粒收集器所能收集磨粒的量可由(7)式确定：
m＝εuτc； (7)
(7)式中，u是流量(cm3/s)，τ为收集时间间隔(s)，c是润滑油中磨粒浓度(mg/L)，ε为与电磁铁磁场强度有关的一个无量纲常数，由此可见，磨粒收集量与润滑油流量、收集时间、磨粒浓度有关，为确保每次采集的值能真实反映磨粒浓度的变化规律，在监测过程中应保持流量u与收集时间间隔τ之积为一定常数；因此，在浓度监测过程中，采集控制系统要根据流量监测器输出值的变化，通过控制磨粒收集器继电器的通断实时地调整收集时间间隔。
综上，运用本发明的在线磨粒监测装置，结构简单、性能可靠，能实现复杂机械装备润滑油磨粒粒度与浓度的在线实时监测，为装备磨损状态和磨损趋势的判断提供可靠手段。
上述实施例，仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (8)
1.一种装甲车辆用在线磨粒监测装置，其特征在于：包括采集控制系统，及与采集控制系统电连接的磨粒粒度监测单元和磨粒浓度检测单元；所述磨粒粒度监测单元包括用于对润滑油中大尺寸磨粒的粒度进行监测的粒度传感器；所述磨粒浓度检测单元包括流量监测器、磨粒收集器和浓度传感器；所述粒度传感器、流量监测器、磨粒收集器和浓度传感器依次安装于润滑油的回油路上；所述粒度传感器和浓度传感器均为电感式磨粒传感器。
2.根据权利要求1所述的装甲车辆用在线磨粒监测装置，其特征在于：所述电感式磨粒传感器由传感器线圈、线圈激励电路、互相关检波电路和直流放大电路组成；所述传感器线圈其输入端和输出端分别与线圈激励电路和互相关检波电路电连接；所述互相关检波电路其输出端与直流放大电路电连接。
3.根据权利要求2所述的装甲车辆用在线磨粒监测装置，其特征在于：所述传感器线圈由检测线圈与参考线圈串联而成，且检测线圈和参考线圈其电感大小相等；所述检测线圈和参考线圈并排置于铝制的壳体中，且检测线圈和参考线圈之间通过铁氧体环隔开；所述检测线圈与参考线圈均缠绕于内外径相等的尼龙管上，且检测线圈内的尼龙管为空心，其两端制有螺纹状的用于与润滑油回油路相连的油管接头。
4.根据权利要求1所述的装甲车辆用在线磨粒监测装置，其特征在于：所述粒度传感器其参考线圈的匝数为70~80。
5.根据权利要求1所述的装甲车辆用在线磨粒监测装置，其特征在于：所述浓度传感器其参考线圈的匝数为130~140。
6.根据权利要求1所述的装甲车辆用在线磨粒监测装置，其特征在于：所述流量监测器由流量传感器和信号处理单元组成；所述流量传感器安装于润滑油的回油路上；所述流量传感器经信号处理单元与采集控制系统连接。
7.根据权利要求1所述的装甲车辆用在线磨粒监测装置，其特征在于：所述磨粒收集器包括电磁铁和继电器；所述电磁铁与继电器电连接；所述继电器与采集控制系统电连接；所述电磁铁安装于润滑油道的回油路上，且位于流量传感器后侧。
8.根据权利要求1所述的装甲车辆用在线磨粒监测装置，其特征在于：所述采集控制系统由PC104主板、信号采集控制板和显示屏组成；所述信号采集控制板和显示屏分别与PC104主板电连接。
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| 殷勇辉: "基于电感测量和光纤技术的在线油液监测方法研究", 中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑, no. 01, 15 March 2004 (2004-03-15), pages 140 - 50 * |
| 殷勇辉等: "磨粒监测电感式传感器设计", 传感器技术, vol. 22, no. 07, 31 December 2003 (2003-12-31), pages 37 - 41 * |
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112214948A (zh) * | 2019-06-25 | 2021-01-12 | 中国航发商用航空发动机有限责任公司 | 一种用于滑油金属屑传感器的信号模拟电路及信号模拟装置 |
| CN112214948B (zh) * | 2019-06-25 | 2022-11-15 | 中国航发商用航空发动机有限责任公司 | 一种用于滑油金属屑传感器的信号模拟电路及信号模拟装置 |
| CN110470822A (zh) * | 2019-08-21 | 2019-11-19 | 岭澳核电有限公司 | 一种核电站机械设备磨损监测系统及方法 |
| CN110925272A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-03-27 | 江帆 | 一种电容式液压油磨粒分级监测系统 |
| CN113029887A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-25 | 爱德森（厦门）电子有限公司 | 一种油液铁磁性颗粒的检测方法及其检测装置 |
| CN113029887B (zh) * | 2021-03-19 | 2024-01-16 | 爱德森（厦门）电子有限公司 | 一种油液铁磁性颗粒的检测方法及其检测装置 |
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