CN113125314A - 一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，所述检测传感器由传感器入口、陶瓷骨架、第一激励线圈、感应线圈、第二激励线圈、传感器出口和高磁导铁芯共同组成；第一激励线圈、感应线圈和第二激励线圈均绕制在陶瓷骨架处，第一激励线圈和第二激励线圈分别位于感应线圈的两侧，感应线圈位于陶瓷骨架的中部，第一激励线圈和第二激励线圈并联连接，传感器入口和传感器出口设置在陶瓷骨架的左右两侧，本发明通过为传统平行三线圈式传感器线圈外侧添加特定厚度的高磁导率材料，并在线圈内径中部开有窄带缝隙，以此来进一步提高传感器检测灵敏度，增强传感器对磨损颗粒的检测能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测传感器，特别涉及一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，属于机械系统润滑油液金属磨损颗粒在线监测技术领域。
背景技术
电磁式磨损颗粒检测传感器被广泛应用于大型机械装备磨损状态监测领域。该类传感器可对机械设备润滑油液中所携带的不同磁特性（铁磁性和非铁磁性）材料的金属磨损颗粒粒度及数量分布信息进行检测。所得结果可综合表征机械设备的实时磨损状态，并通过对上述磨损颗粒信息进行长时间历程的监测统计，可进一步得到机械设备磨损程度变化规律，以为机械设备寿命预测提供重要的检测数据。
目前，电磁式磨损颗粒检测传感器技术虽取得了一定程度的进步，但仍然面临着检测灵敏度不足难以对大型机械装备初期异常磨损阶段进行有效检测的问题。具体表现为：大型通用机械设备初期异常磨损阶段磨损颗粒粒度范围一般为20μm~100μm，而目前最为先进的电磁式磨损颗粒检测传感器MetalScan也仅能检测到直径100μm铁磁性磨损颗粒和300μm非铁磁性颗粒。此外，随着以航天技术、精密仪器为代表的精密机械系统的快速发展，对更高灵敏度的磨损颗粒检测传感器的需求也逐渐增加。因此，研究更高灵敏度的微小磨损颗粒检测传感器已成为目前一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，所述检测传感器由传感器入口、陶瓷骨架、第一激励线圈、感应线圈、第二激励线圈、传感器出口和高磁导铁芯共同组成；
第一激励线圈、感应线圈和第二激励线圈均绕制在陶瓷骨架处，第一激励线圈和第二激励线圈分别位于感应线圈的两侧，感应线圈位于陶瓷骨架的中部，第一激励线圈和第二激励线圈并联连接，传感器入口和传感器出口设置在陶瓷骨架的左右两侧。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高磁导铁芯设置在第一激励线圈的四周、感应线圈的三侧和第二激励线圈的四周，且位于第一激励线圈内侧和第二激励线圈内侧的高磁导铁芯设置有空隙。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第一激励线圈四周、感应线圈三侧和第二激励线圈四周的高磁导铁芯的厚度为核心参数。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第一激励线圈内侧和第二激励线圈内侧的高磁导铁芯的空隙位置、宽度均为核心参数。
作为本发明的一种优选技术方案，一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒在线检测方法，包括以下内容：
磨损颗粒通过电感式传感器内部的磁场时，颗粒内部及周围空气中磁感应强度的变化会共同导致磨损颗粒位置处磁场发生磁能变化，在传感器内部磁场中，磨损颗粒内部磁能Wp为：
磨损颗粒通过时，引起的局部磁场磁能变化ΔWp为：
式中Vp为磨损颗粒体积，Wp0为与磨损颗粒同体积的空气中背景磁场的磁能；
由上式可知，在传感器内部磁场中磨损颗粒内部的磁能以及所引起的磁能变化均与背景磁感应强度的平方及磨损颗粒半径的三次方成正比；
磨损颗粒周围空气中总磁能Wa为：
磨损颗粒引起的磁能变化ΔWa可分别表达为：
此时，传感器磁场内磨损颗粒的总磁能变化ΔWmf可表达为：
为电感式传感器激励线圈添加高磁导率铁芯后，铁芯在传感器内部磁场中产生磁能损耗pcore为：
激励线圈与感应线圈互感磁能变化量ΔWM为：
式中：H为传感器内部磁场强度；V为高磁导率铁芯体积；t为磨损颗粒通过单个激励线圈所用时间；ΔΦ12为添加高磁导率铁芯后产生的磁通变化量。
因此，添加高磁导率铁芯的电感式传感器磁场内磨损颗粒的剩余磁能变化量ΔWmf-core可表达为：
式中：K为高磁导率铁芯磁能损耗系数。
根据上式可见，磨损颗粒通过传感器内部磁场时导致的剩余磁能变化主要与背景磁感应强度及磨损颗粒半径有关，磨损颗粒半径一定时，添加高磁导率铁芯使传感器背景磁感应强度及线圈互感磁能增加，从而引起磨损颗粒通过传感器时剩余磁能变化的增大，但同时铁芯在传感器内部磁场中产生的磁能损耗会对剩余磁能变化的增大产生一定削弱作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，本发明通过为传统平行三线圈式传感器线圈外侧添加特定厚度的高磁导率材料，并在线圈内径中部开有窄带缝隙，以此来进一步提高传感器检测灵敏度，增强传感器对磨损颗粒的检测能力，本发明在的检测传感器在工作过程中，向两侧激励线圈通入相同的正弦激励电流，由于两激励线圈采用反向绕制，所以各自产生的磁场大小相等、方向相反，因此两磁场在感应线圈位置处相互抵消，当磨损颗粒通过传感器时，其内部会产生磁场扰动，在高磁导率材料对磁感应强度的增幅下，引起感应线圈感应电动势的变化，通过判断感应电动势幅值与相位的变化，可进一步实现磨损颗粒材料特性（铁磁性和非铁磁性）的识别和颗粒尺寸的估计。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的核心检测功能区结构简图；
图3是本发明的为传感器激励线圈添加铁芯结构示意图；
图4是本发明的传感器磁场分布云图；
图5是本发明的内侧铁芯空隙轴向位置对感应电动势影响示意图；
图6是本发明的内侧铁芯厚度对感应电动势影响示意图；
图7是本发明的内侧铁芯空隙长度对感应电动势影响示意图。
图中：1、油管通道入口；2、检测功能区；3、屏蔽层；4、油管通道出口；5、传感器外壳；6、传感器入口；7、陶瓷骨架；8、第一激励线圈；9、感应线圈；10、第二激励线圈；11、传感器出口；12、高磁导铁芯。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种高灵敏度金属磨损颗粒的检测系统，其包括油管通道入口1、检测功能区2、屏蔽层3及油管通道出口4和传感器外壳5，工作时，带有金属磨损颗粒的润滑油液经油管通道入口1流入传感器模块2，检测功能区2在屏蔽层3的保护下对润滑油液进行检测后，再经油管通道出口4流出。
上述实施例中，如图2所示，所述传感器模块包括：传感器入口6、陶瓷骨架7、第一激励线圈8、感应线圈9、第二激励线圈10、传感器出口11和高磁导铁芯12。
上述实施例中，如图3所示，激励线圈内侧高磁导率铁芯12存在空隙，且激励线圈内侧高磁导率铁芯12的厚度、存在空隙的位置、宽度等参数均与本发明传感器的性能息息相关。
传感器入口6在传感器模块左端，第一激励线圈8、感应线圈9和第二激励线圈10都绕制在陶瓷骨架7上，第一激励线圈8、第二激励线圈10分别位于陶瓷骨架7左右两侧，第一激励线圈8与第二激励线圈10相并联连接，感应线圈9位于陶瓷骨架7中部，传感器出口11在传感器模块右侧，高磁导率铁芯12分布于激励线圈Ⅰ7、激励线圈Ⅱ9和感应线圈8径向外侧以及轴向两侧，内侧高磁导率铁芯12布置在第一激励线圈8和第二激励线圈10径向内侧，本发明为了增强传感器内部磁感应强度，进一步提高传感器检测灵敏度，达到增强传感器对磨损颗粒的检测能力的目的，在两激励线圈径向内侧增添了特定厚度的高磁导铁芯12，且在其中部开有一定宽度的窄带缝隙。
在一个优选实施例中，为了进一步探究在传感器内侧添加高磁导率铁芯对传感器检测灵敏度的影响，分别对激励线圈不添加铁芯、轴向两侧和径向外侧（三侧）添加铁芯及三侧和内侧同时添加铁芯进行分析，结果表明在激励线圈三侧添加高磁导率铁芯的基础上进一步在内侧添加铁芯效果最佳。
在一个优选实施例中，为了研究激励线圈内侧高磁导率铁芯厚度对传感器性能的影响，对激励线圈轴向两侧及径向外侧添加一定厚度的高磁导率铁芯，并在线圈内侧添加不同厚度的铁芯，结果表明，为线圈内侧添加高磁导率铁芯时，应尽量使用厚度较小的铁芯。
在一个优选实施例中，为了研究激励线圈内侧高磁导率铁芯所留空隙间距对传感器性能的影响，对激励线圈轴向两侧及径向外侧添加厚度一定的高磁导率铁芯，并在线圈内侧添加空隙间距不同的铁芯，结果表明，内侧两铁芯空隙长度b优选为0.35mm。
在一个优选实施例中，为了研究激励线圈内侧添加高磁导率铁芯不同轴向空隙位置对传感器性能的影响，对激励线圈轴向两侧及径向外侧添加厚度一定的高磁导率铁芯，并在线圈内侧添加不同空隙位置铁芯时的情况进行分析，结果表明，线圈内侧添加高磁导率铁芯时空隙位置应靠近感应线圈一侧。
上述各实施例中，传感器高磁导率铁芯布置位置如图2所示。先通过对激励线圈三侧添加高磁导率铁芯，来提升传感器内部的磁感应强度，再在激励线圈三侧添加高磁导率铁芯的基础上，进一步在传感器内侧添加铁芯可有效提高传感器轴线磁感应强度，增强磨损颗粒引起的总磁能变化，提高传感器输出的感应电动势幅值，再通过对激励线圈轴向两侧及径向外侧添加厚度一定的高磁导率铁芯，在激励线圈内侧添加不同厚度的高磁导率铁芯，来确定高磁导率铁芯对传感器总磁能和磁损耗的影响。然后通过改变激励线圈内侧铁芯间隙的距离，找到线圈内侧铁芯的最佳距离。最后通过变换铁芯空隙不同轴向位置，以确定铁芯空隙增强线圈互感磁能的最佳位置。
如图4所示，两激励线圈加铁芯后所产生的磁场仿真云图显示，两激励线圈所产生磁场在高磁导率铁芯12的增幅基础上，又经内侧高磁导率铁芯得到了极大程度的增强。
如图5所示，内侧铁芯空隙轴向位置对感应电动势的影响表现为：当内侧铁芯空隙轴向位置x小于2.1mm处时，感应线圈的感应电动势缓慢升高；当内侧铁芯空隙轴向位置x大于2.1mm处时，感应线圈的感应电动势则表现为快速下降。
如图6所示，内侧铁芯厚度对感应电动势的影响表现为：当内侧铁芯厚度小于0.05mm时，感应线圈的感应电动势快速升高；当内侧铁芯厚度大于0.05mm时，感应线圈的感应电动势表现为缓慢下降。
如图7所示，本发明的内侧铁芯空隙长度对感应电动势影响表现为：当侧铁芯空隙长度小于0.5mm时，感应线圈的感应电动势快速升高；当侧铁芯空隙长度大于0.5mm时，感应线圈的感应电动势表现为缓慢下降。
本发明在使用时，向第一激励线圈8和第二激励线圈10通入相同的正弦激励电流，由于两激励线圈各自产生的磁场大小相等、方向相反，因此所产生的两磁场在感应线圈9位置处相互抵消；当没有金属颗粒通过传感器模块2时，两磁场会在感应线圈9处互相抵消，感应线圈磁通量变化为0，不输出感应电动势，当金属颗粒进入传感器时，会改变某一激励线圈磁场强度，致使第一激励线圈8和第二激励线圈10磁场不均衡，导致感应线圈9处磁通量不为零，感应线圈输出感应电动势，且此电动势大小随金属颗粒直径增大而增大。
本发明基于上述检测系统，所提供一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒在线检测方法的理论部分为：
磨损颗粒通过电感式传感器内部磁场时，颗粒内部及周围空气中磁感应强度的变化会共同导致磨损颗粒位置处磁场发生磁能变化。在传感器内部磁场中，磨损颗粒内部磁能Wp为：
磨损颗粒通过时，引起的局部磁场磁能变化ΔWp为：
式中Vp为磨损颗粒体积，wp0为与磨损颗粒同体积的空气中背景磁场的磁能 。
由上式可知，在传感器内部磁场中磨损颗粒内部的磁能以及所引起的磁能变化均与背景磁感应强度的平方及磨损颗粒半径的三次方成正比。
磨损颗粒周围空气中总磁能Wa为：
磨损颗粒引起的磁能变化ΔWa可分别表达为：
此时，传感器磁场内磨损颗粒的总磁能变化ΔWmf可表达为：
为电感式传感器激励线圈添加高磁导率铁芯后，铁芯在传感器内部磁场中产生磁能损耗pcore为：
和线圈互感磁能变化量ΔWM为：
式中：H为传感器内部磁场强度；V为高磁导率铁芯体积；t为磨损颗粒通过单个激励线圈所用时间；ΔΦ12为添加高磁导率铁芯后产生的磁通变化量。
因此，添加高磁导率铁芯的电感式传感器磁场内磨损颗粒的剩余磁能变化量ΔWmf-core可表达为：
式中：K为高磁导率铁芯磁能损耗系数。
根据上式可见，磨损颗粒通过传感器内部磁场时导致的剩余磁能变化主要与背景磁感应强度及磨损颗粒半径有关。磨损颗粒半径一定时，添加高磁导率铁芯使传感器背景磁感应强度及线圈互感磁能增加，从而引起磨损颗粒通过传感器时剩余磁能变化的增大，但同时铁芯在传感器内部磁场中产生的磁能损耗会对剩余磁能变化的增大产生一定削弱作用。
综上所述，本发明过为常规平行三线圈式传感器各线圈外侧包裹高磁导率磁性材料，并在线圈内径位置开有窄带缝隙，以极大的增强传感器内局部磁场强度，同时通过调整窄带缝隙宽度及位置，改变传感器线圈间的耦合系数，实现传感器灵敏度的增强效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，其特征在于，所述检测传感器由传感器入口(6)、陶瓷骨架(7)、第一激励线圈(8)、感应线圈(9)、第二激励线圈(10)、传感器出口(11)和高磁导铁芯(12)共同组成；
第一激励线圈(8)、感应线圈(9)和第二激励线圈(10)均绕制在陶瓷骨架(7)处，第一激励线圈(8)和第二激励线圈(10)分别位于感应线圈(9)的两侧，感应线圈(9)位于陶瓷骨架(7)的中部，第一激励线圈(8)和第二激励线圈(10)并联连接，传感器入口(6)和传感器出口(11)设置在陶瓷骨架(7)的左右两侧。
2.根据权利要求1所述的一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，其特征在于，所述高磁导铁芯(12)设置在第一激励线圈(8)的四周、感应线圈(9)的四周和第二激励线圈(10)的四周，且位于第一激励线圈(8)内侧、感应线圈(9)内侧和第二激励线圈(10)内侧的高磁导铁芯(12)设置有空隙。
3.根据权利要求1所述的一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，其特征在于，所述第一激励线圈(8)四周、感应线圈(9)四周和第二激励线圈(10)四周的高磁导铁芯(12)的厚度为核心参数。
4.根据权利要求1所述的一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，其特征在于，所述第一激励线圈(8)内侧、感应线圈(9)内侧和第二激励线圈(10)内侧的高磁导铁芯(12)的空隙位置、宽度均为核心参数。
5.一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒在线检测方法，基于权利要求1-4所述的一种外包裹高磁导率材料的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，其特征在于，包括以下内容：
磨损颗粒通过电感式传感器内部的磁场时，颗粒内部及周围空气中磁感应强度的变化会共同导致磨损颗粒位置处磁场发生磁能变化，在传感器内部磁场中，磨损颗粒内部磁能Wp为：
磨损颗粒通过时，引起的局部磁场磁能变化ΔWp为：
式中Vp为磨损颗粒体积，Wp0为与磨损颗粒同体积的空气中背景磁场的磁能；
由上式可知，在传感器内部磁场中磨损颗粒内部的磁能以及所引起的磁能变化均与背景磁感应强度的平方及磨损颗粒半径的三次方成正比；
磨损颗粒周围空气中总磁能Wa为：
磨损颗粒引起的磁能变化ΔWa可分别表达为：
此时，传感器磁场内磨损颗粒的总磁能变化ΔWmf可表达为：
ΔWmf＝ΔWp+ΔWa
为电感式传感器激励线圈添加高磁导率铁芯后，铁芯在传感器内部磁场中产生磁能损耗pcore为：
和线圈互感磁能变化量ΔWM为：
ΔWM＝ΔΦ12·I2
式中：H为传感器内部磁场强度；V为高磁导率铁芯体积；t为磨损颗粒通过单个激励线圈所用时间；ΔΦ12为添加高磁导率铁芯后产生的磁通变化量。
因此，添加高磁导率铁芯的电感式传感器磁场内磨损颗粒的剩余磁能变化量ΔWmf-core可表达为：
式中：K为高磁导率铁芯磁能损耗系数。
根据上式可见，磨损颗粒通过传感器内部磁场时导致的剩余磁能变化主要与背景磁感应强度及磨损颗粒半径有关，磨损颗粒半径一定时，添加高磁导率铁芯使传感器背景磁感应强度及线圈互感磁能增加，从而引起磨损颗粒通过传感器时剩余磁能变化的增大，但同时铁芯在传感器内部磁场中产生的磁能损耗会对剩余磁能变化的增大产生一定削弱作用。
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