CN115078755A - 一种分析金属颗粒速度对电感电桥中电压信号影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种分析金属颗粒速度对电感电桥中电压信号影响的方法，通过电磁感应原理，由丝杠滑轨装置控制金属颗粒，当金属颗粒以不同的速度经过电感电桥电路中的感应线圈时其感抗发生变化；电桥两臂电路产生的电压具有电压差，两路电压经初级检测电路模块进行整流为两路直流脉动电压信号，两路直流脉冲电压信号经滤波滤除夹杂在颗粒信号中的高频噪声信号，再经差分放大后通过终端滤波器滤波，进而产生由颗粒引起的差动电压；由采集卡采集电压数据，通过电脑端显示不同的颗粒速度产生的电压信号。本发明能够分析不同的颗粒流动速度与对应产生的差动电压信号影响机理及其特性规律，为提高油液在线检测通量提供理论支持和技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及油液状态监测技术领域，具体而言，是涉及一种分析金属颗粒速度对电感电桥中电压信号影响的方法。
背景技术
油液是大型机械系统和液压系统必不可少的部分，液压油和润滑油两类工作油被广泛地应用于航空航天、汽车制造、农用机械、船舶工业、冶金等机械设备中，其具有润滑、冷却、密封、清洗以及传递动力等作用。而在机械设备长时间运行的过程中，尤其是在旋转机械中，由于各零部件之间的摩擦会出现磨粒磨损等现象，这些磨损的金属颗粒物流入油液，从而导致工作油的失效，进而影响机械设备的正常工作运转，严重时可能会造成设备故障、产生经济损失甚至危及工作人员的生命安全。因此对油液工作状态进行监测来获得设备正常运转的相关信息参数，可以为机械设备的故障诊断和剩余使用寿命预测提供数据支持，实现相关设备的健康管理，对于预报隐藏的安全隐患和提供安全保障具有极其重要的研究意义。
现阶段常用的在线油液状态监测方法包括有光学检测法、声学检测法、电容检测法和电感检测法等，其中电感式油液颗粒检测方法低成本、高灵敏度、易于集成化并且可以实现区分铁磁性金属颗粒和非铁磁性金属颗粒，但在提高油液检测通量方面始终是薄弱环节。通常提高油液检测通量的方法是对传感器结构进行优化，如增大油道直径尺寸、设置多油道或环形油道等方法，而上述增加尺寸或油道的方法虽可以显著提高油液检测通量，但同时会降低传感器的检测灵敏度，导致某些检测信号受噪声信号的影响变大，检测效果严重下降。
提高待检测油液进样速度是一种增加油液检测通量的方法，但是油液的速度提高会使金属颗粒的运动速度也随之提高，金属颗粒的运动速度过大或过小都会影响检测信号的大小，降低传感器的检测灵敏度，导致检测效果严重下降。而金属颗粒的运动速度对检测信号影响的具体作用机理方面的研究还很少。
发明内容
根据上述背景技术中提到的技术问题，本发明提出一种研究金属颗粒速度对电感电桥中电压信号影响的分析方法。主要应用于油液状态监测中金属颗粒与非金属颗粒检测，其功能是在实验室条件下，通过搭建电感电桥检测电路，当金属颗粒以不同速度经过电感电桥中的感应线圈时，根据桥两臂产生的差动电压信号数据，分析电压信号幅值变化量与颗粒速度之间的关系来探究速度变化的影响规律，达到在提高速度的同时保证一定的检测灵敏度的目的。
本发明采用的技术手段如下：
一种分析金属颗粒速度对电感电桥中电压信号影响的方法，包括以下步骤：
步骤S1：配置检测单元、搭建检测系统；
步骤S2：将待检测的铁颗粒、铜颗粒、铝颗粒用胶水分别粘在细线上，固定在丝杠滑轨机构上；
步骤S3：将直流电源接通供电；使用波形发生器为电感电桥电路提供激励信号，并将电桥调平衡；
步骤S4：将待检测金属颗粒穿过检测油道置于电感线圈Lx中心位置处，控制丝杠以恒定速度带动金属颗粒在电感线圈Lx内进行往复运动，同时采集卡采集电压信号数据并在电脑端进行显示；
步骤S5：改变丝杠滑轨机构中丝杠的运行速度，重复步骤S4；
步骤S6：对比铁颗粒、铜颗粒、铝颗粒不同速度的电压信号图分析。
进一步地，所述步骤S1中，所述检测单元包括：待检测油液流通的油道、在所述油道内壁上呈环绕布置的螺线圈式电感线圈Lx，在所述电感线圈Lx引线两端相连接的螺线圈式参考线圈Ln和电位器Ra，在所述参考线圈Ln和电位器Ra另一端引线相连接的电阻Rb；所述电感线圈Lx与参考线圈Ln引线与所述初级检测电路模块相连接；所述初级检测电路模块与所述终端滤波器相连接；所述初级检测电路模块包括整流器、低通滤波器和差分放大器；所述整流器与低通滤波器相连接；所述低通滤波器与差分放大器相连接；所述电感线圈Lx、参考线圈Ln、电位器Ra、电阻Rb、初级检测电路模块和终端滤波器构成电感电桥电路。
更进一步地，所述步骤S1中：所述电感电桥电路与直流电源相连接；所述电感电桥电路与波形发生器相连接；所述电感电桥电路与数据采集卡相连接；所述数据采集卡与电脑相连接。
进一步地，所述步骤S4中，通过丝杠滑轨机构带动待检测颗粒以不同的速度通过螺线管式电感线圈Lx；
所述螺线管电感线圈Lx在出入口处的磁感线与螺线管线圈内部的磁感线角度差，颗粒在经过该处时切割磁感线，产生动生电动势，并且可以在电压信号图中观察到动生电动势的影响趋势，以此分析其电压信号的幅值变化量随速度增加量的关系。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用电感电桥的方法应用于油液污染物检测，来分析金属颗粒速度对电压信号的影响；
本发明建立了金属颗粒速度与电感变化量的关系模型，建立了金属颗粒速度与电桥输出电压的关系模型；
本发明一定程度上解决了金属颗粒速度对电压信号影响机理问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明的检测系统装置；
图3为本发明的电感电桥电路图；
图4铁、铜、铝颗粒产生的动生电动势影响的电压信号图；
图5为铁颗粒以不同速度经过电感线圈时采集到的电压信号图；
图6为铜颗粒以不同速度经过电感线圈时采集到的电压信号图；
图7为铝颗粒以不同速度经过电感线圈时采集到的电压信号图。
图中：1、波形发生器；2、直流电源；3、丝杠滑轨机构；4、采集卡；5、电脑；6、电感电桥；7、初级检测电路模块；8、终端滤波器；9、电感线圈Lx；10、参考线圈Ln；11、电位器Ra；12、电阻Rb；13、整流器；14、低通滤波器；15、差分放大器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1-7所示，本发明提供的一种分析金属颗粒速度对电感电桥中电压信号影响的方法，下面结合附图对该方法步骤进行详细说明：
步骤S1：配置检测单元并搭建检测系统；
其中，对于配置检测单元：所述检测单元包括待检测油液流通的油道、在所述油道内壁上呈环绕布置的螺线圈式电感线圈Lx，在所述电感线圈Lx引线两端相分别连接的是螺线圈式参考线圈Ln和电位器Ra，在所述参考线圈Ln和电位器Ra另一端引线相连接的电阻Rb；所述电感线圈Lx与参考线圈Ln引线与所述初级检测电路模块相连接；所述初级检测电路模块与所述终端滤波器相连接；所述初级检测电路模块包括整流器、低通滤波器和差分放大器；所述整流器与低通滤波器相连接；所述低通滤波器与差分放大器相连接；所述电感线圈Lx、参考线圈Ln、电位器Ra、电阻Rb、初级检测电路模块和终端滤波器构成电感电桥电路。
搭建检测系统：所述电感电桥电路与直流电源相连接；所述电感电桥电路与波形发生器相连接；所述电感电桥电路与数据采集卡相连接；所述数据采集卡与电脑相连接；
S2：将所述待检测的铁颗粒、铜颗粒、铝颗粒用胶水分别粘在细线上，固定在所述丝杠滑轨机构上；
S3：将所述直流电源接通供电，供电电压设置为±15V；打开所述波形发生器为电感电桥电路提供激励信号，激励信号为正弦波信号，激励电压设置为10V，激励频率设置为1.3MHZ；所述电感线圈Lx组成电桥电路中第一桥臂，所述电感线圈Lx为该桥臂待测电感；所述电位器Ra组成电桥电路中第二桥臂；所述参考线圈Ln组成电桥电路中第三桥臂，所述电阻Rb组成电桥电路中第四桥臂；在第一、第三桥臂的连接点A处以及第二、第四桥臂的连接点C处接入所述交流电源；在第一、第二桥臂的连接点B处以及第三、第四桥臂的连接点D处作为输出，其输出电压为UBD，分析电路结构可得出：
其中，Ui为所述电源电压值，ω为交流激励的角频率，Rx为感应线圈内阻，Rn为参考线圈内阻。由公式可知，通过调节所述电位器Ra阻值可将所述电感电桥电路输出电压为零，此时电感电桥达到平衡。
S4：将所述待检测金属颗粒穿过检测油道置于所述电感线圈Lx中心位置处，控制所述丝杠滑轨机构以恒定速度带动所述金属颗粒在所述电感线圈Lx内进行往复运动。在步骤3)中，所述电感线圈Lx接入交流激励时，其自身会在线圈内部激发出交变磁场，当所述金属颗粒通过所述电感线圈Lx出入口时，由于螺线管线圈在出入口处的磁感线与螺线管内部的磁感线存在角度差，颗粒在经过该处时切割磁感线，产生动生电动势εm，其公式为：
ε＝εt+εm；
其中，dl为金属颗粒内部涡流环的长度微分，
为金属颗粒与电感线圈间的磁感应强度，
为金属颗粒在磁场中的运动速度，ε为颗粒经过线圈产生的感应电动势，εt为由磁场变化而改变的感生电动势。而由电感的定义可得，电感的改变量ΔL为：
由公式可知，由金属颗粒引起的电感线圈Lx感应电动势随金属颗粒穿过磁场的速度矢量模增大而增大。即速度越大，包含动生电动势的感应电动势越大，其引起的电感变化量就越大。所述电感线圈Lx自身阻抗值ΔL发生变化，打破原本的电桥电路的平衡状态，使得电桥输出电压UBD发生改变。输出电压UBD经所述初级检测电路模块产生经整流去噪和放大后的电压信号，再经所述终端滤波器滤波产生最终的差动电压，由所述采集卡采集该差动电压信号数据并在电脑端进行显示；
S5：改变所述丝杠滑轨机构的运行速度，并重复步骤S4；
S6：将上述步骤得到的金属颗粒以不同速度运动产生的电压信号图进行对比分析。
在上述步骤S4中，当金属颗粒静止在电感线圈Lx中心轴线处时产生的电感变化量为：
其中，Δzmax为线圈检测到颗粒所输出的阻抗，ω为交流激励的角频率，μ0为真空磁导率，N为电感线圈匝数，w为电感线圈轴向长度，d为电感线圈内径，kp为金属颗粒的磁化因子。而铁磁性金属颗粒的磁化因子为：
非铁磁性金属颗粒的磁化因子为：
其中，r为颗粒半径，μr为颗粒的相对磁导率，本专利假设颗粒相对磁导率为实数，不受频率影响。
σ为电导率。当电感线圈Lx通入交流激励时，线圈内部产生交变磁场。由于铁磁性金属颗粒的相对磁导率远大于1，因此当铁磁性金属颗粒经过感应线圈Lx时被磁化，由此增大的线圈内磁通量远大于此时颗粒内为阻碍磁通量增大产生的磁感线方向相反的磁通量，故由铁磁性金属颗粒引起的线圈电感变化量为正。
由于非铁磁性金属颗粒的相对磁导率略小于1，因此当颗粒进入感应线圈Lx时，颗粒内部产生能够产生与原磁场磁感线方向相反的电流，当线圈通入的激励为高频交流激励时，抵消的原磁感应强度的磁通量增大，故由铁磁性金属颗粒引起的线圈电感变化量为负。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
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 (4)
1.一种分析金属颗粒速度对电感电桥中电压信号影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：配置检测单元并搭建检测系统；
S2：将待检测的铁颗粒、铜颗粒、铝颗粒用胶水分别粘在细线上，固定在丝杠滑轨机构上；
S3：将直流电源接通供电；使用波形发生器为电感电桥电路提供激励信号，并将电桥调平衡；
S4：将待检测金属颗粒穿过检测油道置于电感线圈Lx中心位置处，控制丝杠以恒定速度带动金属颗粒在电感线圈内进行往复运动，同时采集卡采集电压信号数据并在电脑端进行显示；
S5：改变丝杠滑轨机构中丝杠的运行速度，重复步骤S4；
S6：对比铁颗粒、铜颗粒、铝颗粒不同速度的电压信号图分析。
2.根据权利要求1所述的分析金属颗粒速度对电感电桥中电压信号影响的方法，其特征在于：
所述步骤S1中，所述检测单元包括：待检测油液流通的油道、在所述油道内壁上呈环绕布置的螺线圈式电感线圈Lx，在所述电感线圈Lx引线两端相连接的螺线圈式参考线圈Ln和电位器Ra，在所述参考线圈Ln和电位器Ra另一端引线相连接的电阻Rb；所述电感线圈Lx与参考线圈Ln引线与所述初级检测电路模块相连接；所述初级检测电路模块与所述终端滤波器相连接；所述初级检测电路模块包括整流器、低通滤波器和差分放大器；所述整流器与低通滤波器相连接；所述低通滤波器与差分放大器相连接；所述电感线圈Lx、参考线圈Ln、电位器Ra、电阻Rb、初级检测电路模块和终端滤波器构成电感电桥电路。
3.根据权利要求1所述的分析金属颗粒速度对电感电桥中电压信号影响的方法，其特征在于：
所述步骤S1中：所述电感电桥电路与直流电源相连接；所述电感电桥电路与波形发生器相连接；所述电感电桥电路与数据采集卡相连接；所述数据采集卡与电脑相连接。
4.根据权利要求1所述的分析金属颗粒速度对电感电桥中电压信号影响的方法，其特征在于：
所述步骤S4中，通过丝杠滑轨机构带动待检测颗粒以不同的速度通过螺线管式电感线圈Lx；
所述螺线管电感线圈Lx在出入口处的磁感线与螺线管内部的磁感线角度差，颗粒在经过该处时切割磁感线，产生动生电动势，并且可以在电压信号图中观察到动生电动势的影响趋势，以此分析其电压信号的幅值变化量随速度增加量的关系。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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