CN114965184A - 一种基于lc无源无线传感的油液检测传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器及其制作方法，属于机械设备油液检测技术领域，包括：置于被测试油液管道内部，感应被测试油液管道内的金属磨粒并产生阻抗变化的内部感应线圈；与内部感应线圈串联构成LC谐振单元的电容；采集内部感应线圈阻抗值变化的外部读出线圈，放置内部感应线圈的油液管道；油液管道包括端口I和端口II；端口I和端口II分别与要测试的油液管道相连接，将LC无源无线传感技术应用到油液检测领域，相比传统的电感式传感器，本发明在不破坏管道原有完整结构的基础上，提高了油液检测传感器的检测灵敏度，实现了对油液管道中金属磨粒的无线式检测。
Description
技术领域
本发明涉及机械设备油液检测技术领域，尤其涉及一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器及其制作方法。
背景技术
液压系统广泛应用于海洋船舶，航空飞机，风力发电等机械装置中。为了避免液压设备失效，保证液压设备的正常运行，需要对设备的运行状态进行监测。由于油液中包含了运动部件的老化和磨损的丰富信息，通过对机械设备的油液进行分析已成为机械设备故障预警与寿命诊断的重要手段。据研究发现，当液压设备处于正常运行状态时，油液中的磨损颗粒浓度恒定在较低水平且粒径通常为10～20微米，当液压设备发生异常磨损时，油液中磨粒的浓度将明显增高，且粒径将增大至100微米以上，这将对液压系统的精确度和稳定性造成影响，严重时会导致机械设备的停产停机。因此检测油液中磨损颗粒的信息对维护液压系统的健康运行起着重要作用。
传统机械设备的油液检测方法通常由两种方式，一是将电感线圈放置在油液管道外部，由于油液管道壁厚的影响，使电感线圈距离通过的磨损颗粒较远，使传感器灵敏度降低。二是将电感线圈放置在油液管道内部，使感应线圈距离通过的磨损颗粒较近，传感器的检测灵敏度较高，但由于需要将油液管道内部的电感线圈通过导线与管道外的信号检测单元连接，这将会破坏油液管道的完整性，当油压较大时会在导线连接处造成应力集中，长久以往可能会导致漏油现象。
发明内容
本发明提供的一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器，包括：
置于被测试油液管道内部，感应被测试油液管道内的金属磨粒并产生阻抗变化的内部感应线圈；
与所述内部感应线圈串联构成LC谐振单元的电容；
采集所述内部感应线圈阻抗值变化的外部读出线圈。
进一步地，包括放置内部感应线圈的油液管道；
所述油液管道包括端口I和端口II；所述端口I和所述端口II分别与要测试的油液管道相连接。
进一步地：包括给予所述外部读出线圈激励，并读取所述外部读出线圈信号变化的激励及检测单元。
进一步地：所述内部感应线圈采用多匝双股线绕制的线圈。
进一步地：所述外部读出线圈、所述内部感应线圈和所述油液管道的中心在同一条轴线上。
进一步地：所述油液管道采用高导磁金属材料制作。
进一步地：向所述外部读出线圈施加的激励频率略大于LC谐振单元的谐振频率，所述谐振频率f的计算公式如下：
L、C分别为内部感应线圈的电感值和串联电容的电容值。
一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1:首先使用游标卡尺测量选定的外部读出线圈和内部感应线圈的尺寸参数；
S2:通过三维建模、3D打印，制作外部读出线圈和内部感应线圈的卡具，接着将外部读出线圈和内部感应线圈放入卡具中固定；
S3:使用电容与内部感应线圈串联且焊接，构成LC谐振单元；
S4:将一定厚度油液管道放入卡具中，使油液管道置于外部读出线圈和内部感应线圈之间，且外部读出线圈紧贴油液管道的外壁，内部感应线圈和电容紧贴于油液管道的内壁，油液管道的内壁作为油液通过的流道；
S5:调整内部感应线圈、外部读出线圈和油液管道的位置，使其中心对齐；
S6：将外部读出线圈与激励及检测单元相连接。
本发明提供的一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器及其制作方法，将LC无源无线传感技术应用到油液检测领域，相比传统的电感式传感器，本发明在不破坏管道原有完整结构的基础上，提高了油液检测传感器的检测灵敏度，实现了对油液管道中金属磨粒的无线式检测，同时为实现金属磨粒的在线检测提供了技术支持。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为LC无源无线传感器设计图；
图2为LC无源无线结构图；
图3为40μm铁颗粒的信噪比图，
图4为110μm铜颗粒的信噪比图。
图中：1、端口I，2、内部感应线圈，3、外部读出线圈，4、激励及检测单元，5、电容，6、油液管道，7、端口II，8、金属磨粒。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
图1为LC无源无线传感器设计图；一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器，包括：内部感应线圈2、外部读出线圈3和电容5；
所述内部感应线圈2置于要测试油液管道内部，感应要测试油液管道内的金属磨粒8并产生阻抗变化；所述金属磨粒8为污染物；所述内部感应线圈2紧贴油液管道6的内壁放置，
该传感器还可以包括放置内部感应线圈2的油液管道6；
所述电容5与所述内部感应线圈2串联构成LC谐振单元；所述电容5采用0805、0603或0402的贴片；
所述外部读出线圈3采集所述内部感应线圈2阻抗值的变化，所述外部读出线圈3紧贴油液管道6的外壁放置，且与内部感应线圈2之间无电气连接，通过与内部感应线圈2的磁场耦合，
阻抗值的变化可以确定金属磨粒的性质和尺寸的大小；金属磨粒的性质可以是铁，可以铜等；
由于铁颗粒磁化效应占主导地位，铜颗粒受涡流效应影响，两者的信号方向相反。
所述油液管道6包括端口I1和端口II7；端口I1和端口II7分别为入油口和出油口，所述入油口是油液进入传感器的入口，所述出油口是油液通过传感器后的出口；所测试的油液样品通过入油口进入传感器的检测区域，经过出油口排出传感器。
所述端口I1和所述端口II7分别与要测试的油液管道相连接，
该传感器还包括：给予所述外部读出线圈3激励，并读取所述外部读出线圈3信号变化的的激励及检测单元4。
所述内部感应线圈2是采用多匝双股线绕制的线圈，且连接一定规格的贴片电容，构成LC谐振回路；
所述外部读出线圈3则采用多匝螺线管线圈，并连接到外置的激励与检测单元4；激励与检测单元4的电脑上一个现有软件，如LabVIEW软件；LabVIEW是一个数据采集和仪器控制软件，可以控制我们的激励与检测单元给外部读出线圈施加激励，同时采集它的信号变化
所述外部读出线圈3和内部感应线圈2之间无电气连接，通过激励及检测单元4检测外部读出线圈的信号变化，实现对通过油液管道的污染物的无线式检测；
所述激励及检测单元4以内部感应线圈和电容的谐振频率作为激励频率，给外部读出线圈施加激励，激励就是要给外部线圈一个交变电流，这样它才能产生交变磁场，才能正常工作。这个交流电要有一定的频率要求，因为内部线圈2和电容5构成的是一个谐振单元，如下公式能够计算他们的谐振频率，在这个频率附近的时候，它的检测效果会比较好，我们给外部线圈3施加的激励频率略大于谐振频率f；
其中：L、C分别为内部感应线圈的电感值和串联电容的电容值；激励频率和铁颗粒以及铜颗粒的方向有关；当激励频率小于谐振频率时，铁颗粒信号朝上，铜的向下。而当激励频率大于谐振频率时，铁的信号向下，铜向上。因为当激励频率在谐振频率比较近的范围内的时候，传感器的检测灵敏度最高，另外，本实施例中采用的激励频率大于谐振频率，所以用了“略大于”。因为本实施例中采用激励频率大于谐振频率，所以产生的铁颗粒信号向下，铜颗粒信号向上。
所述外部读出线圈3、所述内部感应线圈2和所述油液管道6的中心在同一条轴线上。
所述油液管道6采用高导磁金属材料制作，等效于磁芯，提高传感器检测区域的磁场强度，提升传感器检测灵敏度。
一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1:首先使用游标卡尺测量选定的外部读出线圈3和内部感应线圈2的尺寸参数；
S2:通过三维建模、3D打印，制作外部读出线圈3和内部感应线圈2的卡具，接着将外部读出线圈3和内部感应线圈2放入卡具中固定；
S3:使用电容5与内部感应线圈2串联且焊接，构成LC谐振单元；S4:将一定厚度油液管道放入卡具中，使油液管道6置于外部读出线圈3和内部感应线圈2之间，且外部读出线圈3紧贴油液管道的外壁，内部感应线圈2和电容5紧贴于油液管道6的内壁，油液管道6的内壁作为油液通过的流道；其中：厚度就是内外两个线圈的半径差，实施例里面采用的是厚度是0.5mm；
S5:调整内部感应线圈2、外部读出线圈3和油液管道6的位置，使其中心对齐；
S6：将外部读出线圈3与激励及检测单元4相连接。
设置线径为0.1mm的双股线圈作为内部感应线圈2，紧贴油液管道6的内壁放置，检测油液中通过的污染物，并产生阻抗变化；设置线径为0.4mm的多匝线圈作为外部读出线圈4，紧贴油液管道的外壁放置，通过与内部感应线圈2的磁场耦合，捕获内部感应线圈的阻抗变化量；设置激励及检测单元3与外部读出线圈4连接，并给外部读出线圈4提供激励，同时读取其信号变化；设置规格为0402的电容5放置在油液管道6的内壁，并与内部感应线圈串联构成LC谐振单元，本实施例中谐振单元的谐振频率为410kHz，我们施加的激励频率为420kHz。
图2为LC无源无线结构图；结合图2对所发明的传感器作进一步的实施例说明，金属颗粒8通过传感器的入油口后进入传感器；在金属颗粒经过内部感应线圈2时，由于磁化效应和涡流效应，会改变内部感应线圈2的电感值，进而使内部感应线圈2的阻抗发生变化。由于外部读出线圈3和内部感应线圈2之间的磁场耦合，内部感应线圈2的阻抗变化会被外部读出线圈3捕获到，并将其信号变化传递至激励及检测单元4，完成油液中金属磨粒的检测。
利用本发明的传感器，并通过激励及检测单元4给予外部读出线圈3高频交流电激励，使其能够实现对60微米的铁颗粒和130微米的铜颗粒的检测。以LC谐振单元的谐振频率作为激励频率对传感器灵敏度进行测试，分别测试了40微米铁颗粒和110微米铜颗粒，可以发现在此激励频率下，传感器对40微米铁颗粒和110微米铜颗粒仍具有较高的信噪比；图3为40μm铁颗粒的信噪比图，图4为110μm铜颗粒的信噪比图。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器，其特征在于，包括：
置于被测试油液管道内部，感应被测试油液管道内的金属磨粒并产生阻抗变化的内部感应线圈；
与所述内部感应线圈串联构成LC谐振单元的电容；
采集所述内部感应线圈阻抗值变化的外部读出线圈。
2.根据权利要求1所述的一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器，其特征在于：
包括放置内部感应线圈的油液管道；
所述油液管道包括端口I和端口II；所述端口I和所述端口II分别与要测试的油液管道相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器，其特征在于：包括给予所述外部读出线圈激励，并读取所述外部读出线圈信号变化的激励及检测单元。
4.根据权利要求1所述的一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器，其特征在于：所述内部感应线圈采用多匝双股线绕制的线圈。
5.根据权利要求2所述的一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器，其特征在于：所述外部读出线圈、所述内部感应线圈和所述油液管道的中心在同一条轴线上。
6.根据权利要求2所述的一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器，其特征在于：所述油液管道采用高导磁金属材料制作。
7.根据权利要求3所述的一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器，其特征在于：向所述外部读出线圈施加的激励频率略大于LC谐振单元的谐振频率，所述谐振频率f的计算公式如下：
L、C分别为内部感应线圈的电感值和串联电容的电容值。
8.根据权利要求1所述的一种基于LC无源无线传感的油液检测传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1:首先使用游标卡尺测量选定的外部读出线圈和内部感应线圈的尺寸参数；
S2:通过三维建模、3D打印，制作外部读出线圈和内部感应线圈的卡具，接着将外部读出线圈和内部感应线圈放入卡具中固定；
S3:使用电容与内部感应线圈串联且焊接，构成LC谐振单元；
S4:将一定厚度油液管道放入卡具中，使油液管道置于外部读出线圈和内部感应线圈之间，且外部读出线圈紧贴油液管道的外壁，内部感应线圈和电容紧贴于油液管道的内壁，油液管道的内壁作为油液通过的流道；
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