CN112214949A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于滑油金属屑传感器的信号模拟电路，用于模拟滑油金属屑传感器的感应信号，该信号模拟电路包括：微控制器，用于接受一信号模拟指令，并根据所述信号模拟指令生成一波动信号，所述信号模拟指令与金属屑的物理性质相关联；数模转换器，连接至所述微控制器，将所述波动信号转换为模拟电压信号；低通滤波器，连接至所述数模转换器，滤除所述模拟电压信号中的高频噪声分量；乘法器，第一输入端连接至所述低通滤波器，第二输入端连接至一激励信号，根据滤波后的所述模拟电压信号与激励信号生成调制信号；驱动器，连接至所述乘法器，放大所述调制信号以模拟所述滑油金属屑传感器的感应信号。
Description
技术领域
本发明主要涉及信号模拟电路，尤其涉及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。
背景技术
电磁感应式滑油金属屑传感器广泛应用在航空发动机、燃气轮机等动力装置滑油中金属磨损颗粒的监测，是动力装置健康管理系统的重要组成部分。通过在线监测滑油金属磨损颗粒的大小、种类、数量等信息，可以在动力装置出现重大磨损故障之前诊断出早期磨损状况，预测从出现故障征兆到出现严重故障的时间，对于制定维修计划、预估部件寿命以及降低事故发生率具有重要意义。
图1示出了电磁感应式滑油金属屑传感器100的基本原理。滑油金属屑传感器内部的油路上缠绕有两个激励线圈(第一激励线圈101和第二激励线圈102)和一个感应线圈103。第一激励线圈101和第二激励线圈102的绕向相反，受同一交流电压110激励后产生两个极性相反的交变磁场。
理想情况下，在没有金属颗粒经过传感器100时，第一激励线圈101和第二激励线圈102产生的磁场相互抵消，感应线圈103的感应电压为零。当有金属颗粒经过时，颗粒所在区域的磁场受铁磁性金属的增磁作用或非铁磁性金属的电涡流去磁作用，会产生磁场增强或磁场减弱的变化，从而使第一激励线圈101和第二激励线圈102产生的磁场不能相互抵消，进而在感应线圈103上产生感应电压。信号调理装置120对感应线圈103上的感应电压进行解调滤波，通过对处理之后的感应电压进行分析可以获取滑油金属磨损颗粒的大小、种类、数量等信息。
在不考虑噪声、线圈不平衡、磁感应强度非线性等因素的理想情况下，滑油金属屑传感器的激励信号如图2A所示。当有铁磁性颗粒通过传感器时，感应线圈输出信号如图2B所示。经信号调理装置解调并滤除高频分量后的信号如图2C所示。非铁磁性颗粒通过时，与铁磁性颗粒通过时类似，只是相位相反。因此，通过测量解调滤波后的信号幅值可计算出通过滑油金属屑传感器的颗粒尺寸，通过测量解调滤波后的相位可计算出通过滑油金属屑传感器的材料种类。
现有技术中，进行滑油金属屑监测系统设计和测试时，需要产生对应于不同尺寸、种类和数量的滑油金属屑传感器信号。目前主要是通过在传感器中用机械或手工方式抽拉金属屑颗粒或在油液中注入颗粒并流过传感器的方法使传感器产生相应的信号。然而，由于金属屑尺寸较小(几微米到几百微米)，获取标准尺寸金属屑颗粒试验颗粒难度大，难以精确控制金属屑通过传感器的速度。此外，油液中颗粒易丢失、卡滞，导致搭建滑油系统试验设备成本高、占地面积大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供用于滑油金属屑传感器的信号模拟电路及信号模拟装置，以模拟不同尺寸、种类和数量的金属屑颗粒通过电磁感应式传感器的感应信号。
为解决上述技术问题，本发明的一方面提供了一种用于滑油金属屑传感器的信号模拟电路，用于模拟滑油金属屑传感器的感应信号，该信号模拟电路包括：微控制器，用于接受一信号模拟指令，并根据所述信号模拟指令生成一波动信号，所述信号模拟指令与金属屑的物理性质相关联；数模转换器，连接至所述微控制器，将所述波动信号转换为模拟电压信号；低通滤波器，连接至所述数模转换器，滤除所述模拟电压信号中的高频噪声分量；乘法器，第一输入端连接至所述低通滤波器，第二输入端连接至一激励信号，根据滤波后的所述模拟电压信号与激励信号生成调制信号；驱动器，连接至所述乘法器，放大所述调制信号以模拟所述滑油金属屑传感器的感应信号。
在本发明的一实施例中，所述微控制器通过串口接收所述信号模拟指令，所述串口为RS232端口。
在本发明的一实施例中，所述数模转换器通过SPI接口连接至所述微控制器的输出端。
在本发明的一实施例中，所述低通滤波器的截止频率大于5倍金属屑颗粒信号最高频率并小于5倍AD输出刷新频率。
在本发明的一实施例中，所述乘法器为四象限模拟乘法器。
本发明的另一方面提供了一种用于滑油金属屑传感器的信号模拟装置，其包括如上所述的信号模拟电路，还包括：上位机，用于发送信号模拟指令；信号源，用于产生激励信号；信号调理单元，用于对所述驱动器输出的感应信号进行调理。
在本发明的一实施例中，所述信号源集成至所述信号调理单元中。
在本发明的一实施例中，所述指令包括材料、尺寸、流速、间隔以及测试模式中的一个或多个。
在本发明的一实施例中，所述上位机通过COM端口与微控制器的RS232端口连接。
在本发明的一实施例中，所述调理包括解调和滤波。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供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，通过设计的电路接受不同的信号模拟指令，可以模拟不同尺寸、种类和数量的金属屑颗粒通过电磁感应式传感器的感应信号，克服了无法获得小尺寸金属屑颗粒的缺陷，避免了搭建滑油系统试验设备，显著降低了成本；此外，信号模拟过程中无需使用到滑油金属屑传感器，可以消除不同滑油金属屑传感器之间的偏差，提高信号模拟的精度。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1是一种电磁感应式滑油金属屑传感器基本原理的示意图。
图2A是图1中滑油金属屑传感器激励信号的波形图。
图2B是图1中铁磁性颗粒通过传感器时感应线圈输出信号的波形图。
图2C是图1中经信号调理装置解调并滤除高频分量后的信号的波形图。
图3是根据本发明的一实施例的信号模拟电路的逻辑框图。
图4是根据本发明的一实施例的信号模拟电路的示意图。
图5是根据本发明的一实施例的信号模拟装置的逻辑框图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。
如背景技术介绍到，进行滑油金属屑监测系统设计和测试时，由于金属屑尺寸较小(几微米到几百微米)，获取标准尺寸金属屑颗粒试验颗粒难度大，难以精确控制金属屑通过传感器的速度。此外，油液中颗粒易丢失、卡滞，导致搭建滑油系统试验设备成本高、占地面积大。
本发明提供一种信号模拟电路，以模拟不同尺寸、种类和数量的金属屑颗粒通过电磁感应式传感器的感应信号。
设激励信号为UEXC，没有颗粒经过时激励电压与磁感应强度的比例系数为KB，颗粒经过激励线圈对激励线圈产生磁感应强度的影响为Ki(t)，感应线圈输出信号Uo(t)，感应线圈中的磁感应强度与感应线圈输出信号的比例系数为Ko，金属屑颗粒到达传感器100的第一激励线圈101入口的时刻为t0，金属屑颗粒到达第一激励线圈101和第二激励线圈102的中心的时刻为t1，金属屑颗粒到达第二激励线圈102出口的时刻为t2。
当没有金属屑颗粒通过传感器时：
Uo(t)＝Ko(KBUEXC-KBUEXC)
＝0
当t0≤t＜t1：
Uo(t)＝Ko[UEXC(KB+Ki(t))-UEXCKB]
＝KoKi(t)UEXC
当t1≤t＜t2：
Uo(t)＝Ko[UEXCKB-UEXC(KB+Ki(t))]
＝-KoKi(t)UEXC
设
可得
Uo(t)＝KoKj(t)UEXC
根据上述原理，可以建立图3所示的模型。
如图3所示，当金属屑颗粒经过第一激励线圈101时，由于颗粒对磁场增的增强或减弱影响，使第一激励线圈101产生的磁场波形的包络线与颗粒大小、材料、速度相关，第二激励线圈102产生的磁场仍为激励作用产生的磁场。经差分环节和比例环节(磁耦合)，在感应线圈上103感应出包含颗粒大小、材料、速度信息特征的电压信号。
当金属屑颗粒经过第二激励线圈102时，由于颗粒对磁场增的增强或减弱影响，使第二激励线圈102产生的磁场波形的包络线与颗粒大小、材料、速度相关，第一激励线圈101产生的磁场仍为激励作用产生的磁场。经差分环节和比例环节(磁耦合)，在感应线圈上103感应出包含颗粒大小、材料、速度信息特征的电压信号。
依据上述原理，通过设计金属颗粒通过传感器时传感器的波动信号Kj(t)，调制波动信号Kj(t)与激励信号UEXC，可以设计出模拟感应信号的电路。本发明提供了一种信号模拟电路，用于模拟滑油金属屑传感器的感应信号。下面参考图4对该实施例中的信号模拟电路进行说明。
如图4所示，信号模拟电路400包括微控制器410、模数转换器420、低通滤波器430、乘法器440和驱动器450。微控制器410可以接收上位机发出的测试指令，如颗粒种类、大小、流速、测试模式等信息，控制模数转换器420输出波动信号Kj(t)经低通滤波器430滤除高频噪声信号后，与激励信号源发出的激励信号通过乘法器440进行调制，形成包含波动信号的激励信号，再经驱动器450提升驱动能力后，作为滑油金属屑传感器反馈模拟信号输出到信号调理装置。
微控制器410接受一信号模拟指令，并根据该信号模拟指令生成一波动信号，该信号模拟指令与金属屑的物理性质相关联。微控制器410接受到上位机发出的信号模拟指令之后，根据该信号模拟指令生成波动信号Kj(t)。波动信号Kj(t)包含了金属屑颗粒通过传感器时对磁场的作用信息。
微控制器410可以通过串口接收信号模拟指令，串口可以为RS232端口。信号模拟指令可以包括金属屑颗粒的材料(铁磁性、非铁磁性)、尺寸、滑油流速、间隔、测试模式(连续、单次等)等信息，通过内置的程序计算出Ki(t)。优选地，微控制器410可采用ST公司的STM32F103C8T6集成电路。该处理器有37个IO引脚、2.0V～3.6V供电、72MHz ARM CortexTM-M3内核，支持SPI、12C、UART通信。
优选地，RS232端口可采用Linear Technology公司的LTC2802集成电路。LTC2802集成电路的供电范围为1.8V～5.5V，支持全双工1Mbps通信LTC2802将微控制器410的UART接口转换为RS232电平，以实现与上位机通信。
数模转换器420连接至微控制器410，将波动信号Ki(t)输出为模拟电压信号。如图3所示，转化为模拟电压信号的Ki(t)为连续的波形信号，两个波形信号反相，可以分别模拟金属屑颗粒通过第一激励线圈101和第二激励线圈102时对磁场的作用。数模转换器420可以通过SPI接口连接至微控制器410的输出端。优选地，模数转换器可采用Analog Devices公司的AD5754集成电路。AD5754集成电路为四通道输出、16位、串行输入、双极性、电压输出、建立时间10us、内置基准电压的数模转换器。通过SPI接口与微控制器410相连，接收微控制器410发出的指令，并转换为两个通道的模拟电压进行输出。
低通滤波器430连接至数模转换器，滤除模拟电压信号中的高频噪声分量。低通滤波器430的截止频率可以大于5倍金属屑颗粒信号最高频率并小于5倍AD输出刷新频率。优选地，低通滤波器430可采用Texas Instruments公司的OPA2277集成电路，搭建二阶巴特沃兹低通滤波器，其截至频率可以设置为大于5倍金属屑颗粒信号最高频率并小于5倍AD输出刷新频率，以滤除数模转换输出的高频噪声信号。金属屑颗粒信号的最高频率可根据所需模拟的最大滑油流速、金属屑传感器长度进行计算。
乘法器440的第一输入端连接至低通滤波器430，第二输入端连接至激励信号源，根据滤波后的模拟电压信号与激励信号生成调制信号。乘法器440可以为四象限模拟乘法器。优选地，乘法器440可采用Analog Devices公司的AD633集成电路。AD633集成电路为四象限模拟乘法器，包括高阻抗差分X和Y输入以及高阻抗求和输入(Z)，具有1MHz带宽和20V/μs压摆率。在10Hz至10kHz带宽内，Y输入的非线性典型值小于0.1％，折合到输出端的噪声典型值低于100μV均方根。低通滤波器430的输出信号和激励信号源410的激励信号分别接入AD633的高阻抗差分X和Y输入，进行模拟信号乘法，Z端口接地。
驱动器450连接至乘法器440，放大调制信号以模拟滑油金属屑传感器的感应信号。驱动器450可以为高电压、高电流功率放大器，将乘法器440的输出信号放大到传感器430所需的激励电压范围。优选地，驱动器可采用Texas Instruments公司OPA547高电压、高电流功率放大器。OPA547的供电电压范围为±4V～±30V，最大连续电流输出为500mA，具有关断控制、热关断保护、可调输出电流限制等功能。OPA547将乘法器440的输出信号放大到信号调理单元所需的电压范围。
在信号模拟电路400中，微控制器410可以接收上位机发出的测试指令，如颗粒种类、大小、流速、测试模式等信息，控制模数转换器420输出波形信号(Kj(t))经低通滤波器430滤除高频噪声信号后，与激励信号源发出的激励信号通过乘法器440进行调制，形成包含波形信号的激励信号，再经驱动器450提升驱动能力后，作为滑油金属屑传感器反馈模拟信号输出到信号调理装置，从而实现了传感器感应信号的模拟，克服了无法获得小尺寸金属屑颗粒的缺陷。
本发明的该实施例提供了一种用于滑油金属屑传感器的信号模拟电路，通过分析滑油金属屑传感器测量原理，对滑油金属屑传感器激励信号进行幅值调制，在上位机和微处理器的控制下，使滑油金属屑传感器输出不同尺寸、流速、类型金属颗粒通过传感器时产生的感应信号，克服了无法获得小尺寸金属屑颗粒的缺陷，避免了搭建滑油系统试验设备，显著降低了成本。可以实现自动化测试，对于测试、校准、验证动力装置滑油金属磨损颗粒监测装置具有重要意义。信号模拟过程中无需使用到滑油金属屑传感器，可以消除不同滑油金属屑传感器之间的偏差，提高信号模拟的精度。
本发明的还提供一种信号模拟装置，以模拟不同尺寸、种类和数量的金属屑颗粒通过电磁感应式传感器的信号。
图5是根据本发明的一实施例的信号模拟装置500的逻辑框图。如图5所示，信号模拟装置500包括上位机510、信号模拟电路520和信号调理单元530。
上位机510发送信号模拟指令。上位机可以通过Labview软件在计算机上实现，其中需设置的材料(铁磁性、非铁磁性)、测试模式(连续、单次等)等信息可以以下拉列表控件实现输入，尺寸、滑油流速、间隔等可以以文本输入控件实现输入。在完成以上信息采集后，将上述数据加入帧头和帧尾识别标志，通过VISA控件实现计算机串行COM口与信号模拟电路520中的RS232接口的通信。
信号源用于产生激励信号。在本发明的一实施例中，信号源产生正弦波激励信号。信号源可以是独立的激励信号源，也可以集成到其它功能单元中。例如如5所示，激励信号源被集成到信号调理单元530中。
信号调理单元530对感应线圈产生的感应信号进行调理。在本发明的一实施例中，信号调理单元530对感应线圈产生的感应信号进行的调理包括解调和滤波。
在信号模拟装置500中，上位机510发出测试指令，信号模拟电路520产生与测试指令相对应的经过调制的感应信号。信号模拟装置500通过调节激励信号的幅值模拟金属颗粒穿过传感器对激励线圈磁场强度的影响，从而实现了感应信号的模拟，克服了无法获得小尺寸金属屑颗粒的缺陷。
本发明的该实施例提供了一种用于滑油金属屑传感器的信号模拟装置，通过分析滑油金属屑传感器测量原理，对滑油金属屑传感器激励信号进行幅值调制，在上位机和微处理器的控制下，使滑油金属屑传感器输出不同尺寸、流速、类型金属颗粒通过传感器时产生的信号，克服了无法获得小尺寸金属屑颗粒的缺陷，避免了搭建滑油系统试验设备，显著降低了成本。可以实现自动化测试，对于测试、校准、验证动力装置滑油金属磨损颗粒监测装置具有重要意义。信号模拟过程中无需使用到滑油金属屑传感器，可以消除不同滑油金属屑传感器之间的偏差，提高信号模拟的精度。
本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (10)
1.一种用于滑油金属屑传感器的信号模拟电路，用于模拟滑油金属屑传感器的感应信号，该信号模拟电路包括：
微控制器，用于接受一信号模拟指令，并根据所述信号模拟指令生成一波动信号，所述信号模拟指令与金属屑的物理性质相关联；
数模转换器，连接至所述微控制器，将所述波动信号转换为模拟电压信号；
低通滤波器，连接至所述数模转换器，滤除所述模拟电压信号中的高频噪声分量；
乘法器，第一输入端连接至所述低通滤波器，第二输入端连接至一激励信号，根据滤波后的所述模拟电压信号与激励信号生成调制信号；
驱动器，连接至所述乘法器，放大所述调制信号以模拟所述滑油金属屑传感器的感应信号。
2.如权利要求1所述的信号模拟电路，其特征在于，所述微控制器通过串口接收所述信号模拟指令，所述串口为RS232端口。
3.如权利要求1所述的信号模拟电路，其特征在于，所述数模转换器通过SPI接口连接至所述微控制器的输出端。
4.如权利要求1所述的信号模拟电路，其特征在于，所述低通滤波器的截止频率大于5倍金属屑颗粒信号最高频率并小于5倍AD输出刷新频率。
5.如权利要求1所述的信号模拟电路，其特征在于，所述乘法器为四象限模拟乘法器。
6.一种用于滑油金属屑传感器的信号模拟装置，其包括如权利要求1-5任一项所述的信号模拟电路，还包括：
上位机，用于发送信号模拟指令；
信号源，用于产生激励信号；
信号调理单元，用于对所述驱动器输出的感应信号进行调理。
7.如权利要求6所述的信号模拟装置，其特征在于，所述信号源集成至所述信号调理单元中。
8.如权利要求6所述的信号模拟装置，其特征在于，所述指令包括材料、尺寸、流速、间隔以及测试模式中的一个或多个。
9.如权利要求6所述的信号模拟装置，其特征在于，所述上位机通过COM端口与微控制器的RS232端口连接。
10.如权利要求6所述的信号模拟装置，其特征在于，所述调理包括解调和滤波。
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| CN201910555469.4A CN112214949A (zh) | 2019-06-25 | 2019-06-25 | 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 |
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- 2019-06-25 CN CN201910555469.4A patent/CN112214949A/zh active Pending
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