CN111426614A - 一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测装置，包括检测线圈和参考线圈；检测线圈的初级线圈和参考线圈的初级线圈同向串联连接，检测线圈的次级线圈和参考线圈的次级线圈反向串联连接，检测线圈和参考线圈构成差动结构；检测线圈用于套设在流通磁流变液的抛光液循环管路外；参考线圈用于套设在无磁流变液流通的抛光液循环管路外。针对目前采用的磁流变液水分控制方法灵敏度低、受环境影响大且实施不便等问题，本发明提出的铁粉浓度检测装置，利用互感原理，将磁流变液铁粉浓度的变化转变为差分电信号的变化，经分析处理将代表了铁粉浓度的电信号转换为水分含量，提高了检测灵敏度和稳定性，实现对磁流变液水分实时在线检测。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，具体涉及磁流变液中铁粉颗粒浓度检测，特别是一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测装置。
背景技术
超精密加工技术是现代高技术战争的重要支撑技术，是现代高科技产业和科学技术的发展基础，是现代制造科学的发展方向。随着现代科学技术的发展，对应用于各类光学系统中的光学元件提出了更高的要求。上世纪90年代，William Kordonski等人提出磁流变抛光(Magnetorheological Finishing,MRF)技术，为光学加工提供了行之有效的方法，利用磁流变抛光技术加工，能获得高面形精度和高表面质量的复杂曲面零件，广泛应用军工产品光学元件、大型天文望远镜镜片以及高档精密光学仪器的光学加工。
磁流变液作为磁流变抛光的“刀具”，是磁流变抛光的核心技术之一，其成分与稳定性将直接决定着抛光过程材料的去除量和抛光质量。磁流变液一般由磁性颗粒、抛光粉、基液和添加剂组成。对于水基磁流变液，水分和磁性颗粒是主要成分，二者占到抛光液体积的90％以上，磁性颗粒常选用尺寸范围在0.01μm～10μm的铁氧体磁性材料(如羰基铁粉)。磁流变抛光过程中存在水分损失、抛光粉损失、工件废屑掺入等情况，这都会使得抛光液组分及其含量变化，而其中水分的损失量相对来说是最大的。加工过程中水分的丧失会使得抛光液中铁粉浓度增加，随着铁粉浓度增大，抛光液粘度增大，材料去除率增大。因为在相同磁场强度下，磁性微粒的体积比浓度增加会使抛光液的剪切屈服应力增大，工件表面单位面积所受压力和剪切力增大，导致去除率增大。这将会对去除函数产生很大影响，无法保持其稳定，影响加工质量。故对磁流变液在加工过程中水分变化的控制是极其重要的。
针对抛光液水分含量的检测，精度较高的方法是采用水分仪进行检测，该法优点是测量精度高，水分质量分数精度可达0.01％。但该方法存在严重的时滞性，水分仪每次进行测量都需要耗费数分钟，在此过程中水分含量的变化无法测定，在连续加工中难以保证加工质量的稳定。另一方面，该法每次测定都需要人工取样，故当测量次数增加时，不但会使抛光液的损耗增大，还会增添操作人员工作量。为了满足连续加工过程中抛光液水分含量的实时稳定控制，降低水分含量检测的过程复杂性，需要研制一种能够实时在线检测抛光液水分含量的传感器，在拥有高精度高灵敏度的同时减小检测时滞性，简化检测过程。
国防科技大学在其专利(专利号：CN200810030901.X)中涉及了一种基于单线圈电感法的铁粉浓度检测装置，将圆管形传感器套于传送管路上，向线圈发送激励电压信号，当抛光液铁粉浓度改变时会引起线圈电感的变化，使传感器输出端电压幅值改变，从而获得铁粉浓度变化情况。该装置较为简单，然而这种测量原理及方法存在以下几个问题：
1、该方法采用电感原理，虽然能够检测出抛光液中铁粉浓度的变化，但传感器灵敏度较低，且可用来提升灵敏度的措施较少，灵敏度达到一定水平后难以继续提高，限制了传感器的进一步优化；
2、该方法采用直接电感法，也即单线圈电感法，灵敏度最高也仅为差动式的一半；另一方面，单线圈电感法更容易受到外界环境的影响，如温度升高使线圈阻值变化，或周围磁场对电感值的影响，且单线圈无法通过自身结构排除此类影响，故对检测结果影响较大，降低测量准确性。
综上所述，传统铁粉浓度检测方法依然存在较多问题，因此，亟需对传统铁粉浓度检测传感器进行改进和优化，研发检测精度及灵敏度更高，受环境影响更小的铁粉浓度检测传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有依据电感原理检测出抛光液中铁粉浓度的变化，存在灵敏度低、检测稳定性较差的问题，本发明提供了解决上述问题的一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测装置，是一种灵敏度高、稳定性好、且能够实现对抛光液中铁粉浓度变化进行实时在线检测的装置。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测传感器，包括检测线圈和参考线圈；检测线圈和参考线圈均包括初级线圈和次级线圈；检测线圈的初级线圈和参考线圈的初级线圈同向串联连接，检测线圈的次级线圈和参考线圈的次级线圈反向串联连接，检测线圈和参考线圈共同构成差动结构；所述检测线圈用于套设在流通磁流变液的抛光液循环管路外；参考线圈用于套设在无磁流变液流通的抛光液循环管路外；检测时，检测线圈的初级线圈和参考线圈的初级线圈用于同时输入激励电压信号；检测线圈的次级线圈和参考线圈的次级线圈电压之差作为检测电压信号输出至分析处理端。
本发明基于磁导率的变化会引起线圈互感变化的原理，检测线圈及参考线圈均采用互感传感器，检测线圈和参考线圈的初级线圈同向串联连接，检测线圈和参考线圈的次级线圈反向串联，共同构成差动结构。在实施检测时，检测线圈和参考线圈均套在抛光液循环管路上，但检测线圈中通有磁流变液，而参考线圈中不通，作为参考。激励电压信号传送至检测线圈和参考线圈的初级线圈，在两者的磁芯中产生轴向磁通，其强度与磁芯(本发明中为磁流变液)的磁导率成正比。反过来，根据电磁感应定律，由于互感的作用，磁通量在次级线圈中感应出与源电压同相位的交流电压，如下式：
其中，u是传感器组中输出的感应电压，μ0和μr分别是真空磁导率和磁流变液相对磁导率，N1和N2分别是初级线圈和次级线圈匝数，S是线圈截面积，l是线圈长度，di/dt为激励信号变化率。
磁流变液的相对磁导率取决于样品中铁粉的浓度，近似成如下关系：
μr＝1+kφ (2)；
其中，φ为铁粉体积分数，k为磁流变液相对磁导率μr相对于铁粉体积分数φ的变化系数。
将式(2)代入式(1)中，可以通过从次级线圈输出端感应电压信号的大小得出铁粉的浓度：
φ＝(u-b)/a (3)；
其中，
电压信号作为检测信号，输出的电压信号经后续的分析处理，电压值的变化量即代表对应铁粉浓度的变化，计算机按照下式将电压信号拟合的铁粉浓度转换为水分含量，便于循环系统对抛光液水分进行调节。
其中w为抛光液水分质量分数，φ为铁粉体积分数，ρF为铁粉真密度，ρ为抛光液浓度且认为在加工过程中保持不变，wo为抛光液中除水分及铁粉以为其他成分的质量分数。
本发明采用互感差动原理，将检测线圈与参考线圈电压之差作为检测信号，当两个传感器处于同一实验环境下，由于温度、磁场等环境因素使参数改变时，差动结构能够抵消两线圈参数改变带来的影响，检测误差将被缩小，抗干扰能力强；且差动结构在管路中未通抛光液时，检测信号为零，只有在检测线圈中通过磁流变液时，才有检测信号输出，相比电感直接测量能够放大铁粉浓度的变化量，灵敏度更高、稳定性更好。同时相比于电感直接测量，采用互感差动可以通过增加初级线圈与次级线圈匝数比、增加补偿电路等途径提高灵敏度。
进一步地，所述次级线圈和初级线圈的匝数比取1～3。
进一步地，所述初级线圈的匝数取500匝～1500匝，次级线圈匝数按照匝数比相应取值，初级线圈和次级线圈均采用双层绕制。
进一步地，所述检测线圈和参考线圈结构及设计参数相同，均包括线圈骨架、屏蔽外壳、初级线圈、次级线圈和屏蔽层；所述初级线圈、屏蔽层和次级线圈由内而外依次绕制于线圈骨架上，屏蔽外壳安装于线圈骨架外部；检测时，线圈骨架套接在抛光液循环管路上。
整个过程中屏蔽外壳起到屏蔽电磁干扰作用，屏蔽层起到防止初级线圈和次级线圈相互干扰的作用。
进一步地，所述线圈骨架的制作材料包括尼龙、酚醛或四氟乙烯；所述屏蔽外壳的制作材料包括高磁导率的坡莫合金材料。
一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测装置，包括上述的一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测传感器；还包括检测信号线缆、信号处理电路、信号线送至PLC模块；检测线圈和参考线圈的次级线圈产生的检测电压信号经检测信号线缆传送至信号处理电路，经过处理的检测信号通过信号线送至PLC模块，完成铁粉浓度的检测和处理并实时显示水分含量信息。
进一步地，还包括激励信号线缆和信号发生器；所述信号发生器用于产生频率及幅值可控的激励电压信号，通过激励信号线缆传送至检测线圈和参考线圈的初级线圈，在初级线圈的磁芯中产生轴向磁通。
进一步地，所述信号处理电路含有差分放大、带通滤波、相敏检波；检测电压信号依次经过三个模块后经过信号线送至PLC模块。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明采用互感差动原理，将检测线圈与参考线圈电压之差作为检测信号，当两个传感器处于同一实验环境下，由于温度、磁场等环境因素使参数改变时，差动结构能够抵消两线圈参数改变带来的影响，检测误差将被缩小，抗干扰能力强；且差动结构在管路中未通抛光液时，检测信号为零，只有在检测线圈中通过磁流变液时，才有检测信号输出，相比电感直接测量能够放大铁粉浓度的变化量，灵敏度更高；
2、本发明基于抛光液磁导率的变化，而不受非铁磁性材料含量变化影响，因此当抛光液中的非磁性材料(如抛光粉、添加剂等)含量变化时，传感器的测定结果不会受到影响，保证了测量结果的稳定性。
3、本方法能够实现水分含量的在线实时检测，可依据检测结果及时通过循环系统调整水分含量，相比于离线取样测量水分的方法，有效提高了检测效率，保证了水分含量的实时调整。
4、本发明提出的基于互感法的传感器装置，结构简单，体积小；一方面，采用传感器圆管形，可直接套于抛光液输送管路上，安装拆卸方便；另一方面，传感器不与抛光液直接接触，不需要专门的清洗和维护。
5、本发明提出的一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测装置，是利用抛光液铁粉浓度变化引起的磁导率改变，使线圈互感值变化，达到输出电压变化来检测铁粉浓度。相比于目前广泛应用的毛细管法，互感法能够有效避免流量波动带来的影响，从而提高检测信号的稳定性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的基于互感法的磁流变抛光铁粉浓度检测装置结构示意图；
图2为本发明的传感线圈结构示意图；
图3为本发明的检测原理示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：1-检测线圈，2-参考线圈，3-抛光液循环管路，4-激励信号线缆，5-检测信号线缆，6-信号发生器，7-信号处理电路，8-信号线，9-PLC模块，10-线圈骨架，11-屏蔽外壳，12-初级线圈，13-次级线圈，14-屏蔽层，15-磁流变液。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测传感器，包括检测线圈1和参考线圈2；检测线圈1和参考线圈2均包括初级线圈12和次级线圈13；检测线圈1的初级线圈12和参考线圈2的初级线圈12同向串联连接，检测线圈1的次级线圈13和参考线圈2的次级线圈13反向串联连接，检测线圈1和参考线圈2共同构成差动结构；如图3所示。
次级线圈12和初级线圈13的匝数比取1～3；初级线圈12的匝数取500匝～1500匝，次级线圈13匝数按照匝数比相应取值，初级线圈12和次级线圈13均采用双层绕制。检测线圈1和参考线圈2结构及设计参数相同，如图2所示，均包括线圈骨架10、屏蔽外壳11、初级线圈12、次级线圈13和屏蔽层14；初级线圈12、屏蔽层14和次级线圈13由内而外依次绕制于线圈骨架10上，屏蔽外壳11安装于线圈骨架10外部；线圈骨架10可采用尼龙、酚醛或四氟乙烯制作，屏蔽外壳11采用高磁导率的坡莫合金等材料制作，激励信号线缆4及检测信号线缆5均采用屏蔽线。检测时，线圈骨架10套接在抛光液循环管路3上。
检测时，检测线圈1套设在流通磁流变液15的抛光液循环管路3外；参考线圈2套设在无磁流变液15流通的抛光液循环管路3外；检测时，检测线圈1的初级线圈12和参考线圈2的初级线圈12用于同时输入激励电压信号；检测线圈1的次级线圈13和参考线圈2的次级线圈13电压之差作为检测电压信号输出至分析处理端。
实施例2
本实施例提供了一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测装置，包括实施例1提供的检测传感器、信号输入端和信号输出端。
信号输入端包括激励信号线缆4和信号发生器6；信号发生器6用于产生频率及幅值可控的激励电压信号，通过激励信号线缆4传送至检测线圈1和参考线圈2的初级线圈12，在初级线圈12的磁芯中产生轴向磁通。信号发生器6采用直接数字频率合成器(简称DDS)，可提供波形、频率及幅值可调的激励电压信号，可采用商用信号发生器或者集成芯片；信号发生器6所提供激励电压信号频率应低于7kHz，过高频率的信号将可能影响传感器灵敏度。
信号输出端包括检测信号线缆5、信号处理电路7、信号线8送至PLC模块9；检测线圈1和参考线圈2的次级线圈13产生的检测电压信号经检测信号线缆5传送至信号处理电路7，经过处理的检测信号通过信号线8送至PLC模块9，完成铁粉浓度的检测和处理并实时显示水分含量信息。信号处理电路7含有差分放大、带通滤波、相敏检波；检测电压信号依次经过三个模块后经过信号线送至PLC模块。
实施例3
基于实施2提供的检测装置进行检测磁流变抛光液铁粉浓度的方法：
步骤1、铁粉浓度和电压标定
1)在上述装置正式用于抛光液水分稳定控制前，对所测抛光液铁粉浓度进行标定，具体操作如下所示：
2)将检测线圈1套在盛有抛光液的试管上，并摇动试管，使铁粉均匀分布；参考线圈2套在同样的试管上但无抛光液；
3)启动信号发生器，为检测线圈1和参考线圈2提供激励信号，待测量数值稳定时读出此时电压值；
4)取少许抛光液于水分仪上测量此时水分含量；
5)通过计算，将此时的水分含量转换为铁粉浓度，并将其与当时的电压值对应；
6)然后，向检测线圈1对应的试管中加入少量水并摇动，再次重复上述步骤，测量完成后即可获得电压值对应铁粉浓度，完成标定。
步骤2，检测线圈1和参考线圈2均套在抛光液循环管路3上，但检测线圈1中通过磁流变液16，而参考线圈2中不通，作为参考。将检测线圈1安装至距离抛光液传送泵较近处或者水平高度较低处，以保证抛光液时刻充满传送管路；同时尽量将参考线圈2靠近检测线圈1安装，避免两线圈所处环境差别较大。
步骤3，信号发生器6产生的激励电压信号通过激励信号线缆4送至检测线圈1和参考线圈2的初级线圈12，信号发生器所提供激励信号频率应低于7kHz，过高频率的信号将可能影响传感器灵敏度。在两者的磁芯中产生轴向磁通，其强度与磁芯的磁导率成正比。反过来，由于互感的作用，磁通量在次级线圈13中感应出与源电压同相位的交流电压。
步骤4，磁芯的磁导率取决于样品中铁粉的浓度，施加至初级线圈12上，磁导率的变化使次级线圈13两端电压发生变化，在如图3所示原理下，由于差动结构，检测线圈1和参考线圈2的次级线圈13电压之差通过检测信号线缆5送至信号处理电路7。在信号处理电路7内依次经过差分放大、带通滤波和相敏检波处理，经过信号线8送至PLC模块9。
步骤5，感应电压值的变化量即代表对应铁粉浓度的变化，根据式(3)和(4)将电压信号转换为与铁粉浓度对应标定的水分含量，循环系统将计算所得水分含量信号与设定值进行对比，为水分含量调节提供参考依据。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测传感器，其特征在于，包括检测线圈(1)和参考线圈(2)；检测线圈(1)和参考线圈(2)均包括初级线圈(12)和次级线圈(13)；
检测线圈(1)的初级线圈(12)和参考线圈(2)的初级线圈(12)同向串联连接，检测线圈(1)的次级线圈(13)和参考线圈(2)的次级线圈(13)反向串联连接，检测线圈(1)和参考线圈(2)共同构成差动结构；
所述检测线圈(1)用于套设在流通磁流变液(15)的抛光液循环管路(3)外；参考线圈(2)用于套设在无磁流变液(15)流通的抛光液循环管路(3)外；
检测时，检测线圈(1)的初级线圈(12)和参考线圈(2)的初级线圈(12)用于同时输入激励电压信号；检测线圈(1)的次级线圈(13)和参考线圈(2)的次级线圈(13)电压之差作为检测电压信号输出至分析处理端。
2.根据权利要求1所述的一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测传感器，其特征在于，所述次级线圈(12)和初级线圈(13)的匝数比取1～3。
3.根据权利要求2所述的一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测传感器，其特征在于，所述初级线圈(12)的匝数取500匝～1500匝，次级线圈(13)匝数按照匝数比相应取值，初级线圈(12)和次级线圈(13)均采用双层绕制。
4.根据权利要求1所述的一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测传感器，其特征在于，所述检测线圈(1)和参考线圈(2)结构及设计参数相同，均包括线圈骨架(10)、屏蔽外壳(11)、初级线圈(12)、次级线圈(13)和屏蔽层(14)；
所述初级线圈(12)、屏蔽层(14)和次级线圈(13)由内而外依次绕制于线圈骨架(10)上，屏蔽外壳(11)安装于线圈骨架(10)外部；
检测时，线圈骨架(10)套接在抛光液循环管路(3)上。
5.根据权利要求4所述的一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测传感器，其特征在于，所述线圈骨架(10)的制作材料包括尼龙、酚醛或四氟乙烯；所述屏蔽外壳(11)的制作材料包括高磁导率的坡莫合金材料。
6.一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测装置，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测传感器；还包括检测信号线缆(5)、信号处理电路(7)、信号线(8)送至PLC模块(9)；检测线圈(1)和参考线圈(2)的次级线圈(13)产生的检测电压信号经检测信号线缆(5)传送至信号处理电路(7)，经过处理的检测信号通过信号线(8)送至PLC模块(9)，完成铁粉浓度的检测和处理并实时显示水分含量信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测装置，其特征在于，还包括激励信号线缆(4)和信号发生器(6)；所述信号发生器(6)用于产生频率及幅值可控的激励电压信号，通过激励信号线缆(4)传送至检测线圈(1)和参考线圈(2)的初级线圈(12)，在初级线圈(12)的磁芯中产生轴向磁通。
8.根据权利要求6所述的一种基于互感法的磁流变抛光液铁粉浓度检测装置，其特征在于，所述信号处理电路(7)含有差分放大、带通滤波、相敏检波；检测电压信号依次经过三个模块后经过信号线送至PLC模块。
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