CN115598021A - 油液磨粒的五线圈差分电磁感应在线监测系统 - Google Patents

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CN115598021A CN202211041524.6A CN202211041524A CN115598021A CN 115598021 A CN115598021 A CN 115598021A CN 202211041524 A CN202211041524 A CN 202211041524A CN 115598021 A CN115598021 A CN 115598021A
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李凯
边瑞卿
康良伟
董浩森
张永杰
翟宇
韩焱
苏新彦
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Abstract

本发明涉及机械设备故障检测技术领域，尤其涉及油液磨粒的五线圈差分电磁感应在线监测系统，包括：五线圈油液磨粒检测传感器、信号采集模块、信号处理模块、电源模块和高频激励模块，其中，五线圈油液磨粒检测传感器包括第一激励线圈、第二激励线圈、第三激励线圈、第一感应线圈和第二感应线圈，第一激励线圈、第二激励线圈和第三激励线圈相互串连。本发明不易受地磁等外部环境磁场和机械振动的干扰，满足工业需求，传感器结构可根据机械设备油路设计不同管径，适用不同吞吐量的油路监测，解决现有电感监测技术在大口径管道中灵敏度不足的问题。

Description

油液磨粒的五线圈差分电磁感应在线监测系统
技术领域
本发明涉及机械设备故障检测技术领域，尤其涉及油液磨粒的五线圈差分电磁感应在线监测系统。
背景技术
油液中磨粒可直观地反映出机械零部件的磨损程度及疲劳状态，对磨粒尺寸和浓度的检测可有效预测零件的使用寿命，减少因故障带来的经济损失。现有电感在线检测技术易受到地磁环境等外部环境磁场干扰以及机械振动等影响检测灵敏度，磨粒在管道中的径向位置也会影响检测灵敏度，同时对机械设备油液管径尺寸有着一定的要求，在大尺寸管径中磨粒检测精度较低。
发明内容
本发明旨在提供油油液磨粒的五线圈差分电磁感应在线监测系统，不易受地磁等外部环境磁场和机械振动的干扰，满足工业需求，传感器结构可根据机械设备油路设计不同管径，适用不同吞吐量的油路监测，解决现有电感监测技术在大口径管道中灵敏度不足的问题。
为达到上述目的本发明采用如下技术方案：
油液磨粒的五线圈差分电磁感应在线监测系统，包括：五线圈油液磨粒检测传感器、信号采集模块、信号处理模块、电源模块和高频激励模块，其中：
所述五线圈油液磨粒检测传感器包括第一激励线圈、第二激励线圈、第三激励线圈、第一感应线圈和第二感应线圈，所述第一激励线圈、所述第二激励线圈和所述第三激励线圈相互串连，且所述第一激励线圈和所述第三激励线圈逆时针绕制，所述第二激励线圈顺时针绕制，所述第一感应线圈位于所述第一激励线圈和所述第二激励线圈之间，所述第二感应线圈位于所述第二激励线圈和所述第三激励线圈之间；
所述高频激励模块与第一激励线圈和第三激励线圈连接，用于输出正弦电流；
所述信号采集模块包括第一信号采集模块和第二信号采集模块，所述第一信号采集模块与所述第一感应线圈连接，所述第二信号采集模块与所述第二感应线圈连接，所述第一信号采集模块采集所述第一感应线圈输出的磨粒幅度调制信号，所述第二信号采集模块采集所述第二感应线圈输出的感应信号；
所述信号处理模块分别与所述第一信号采集模块和所述第二信号采集模块连接，用于对第一信号采集模块输出的磨粒幅度调制信号和所述第二采集信号模块输出的感应信号进行差分处理后，再经过带通滤波器得到磨粒信号；
所述电源模块为高频激励模块、信号采集模块以及信号处理模块提供电源。
优选地，所述信号采集模块还包括第一感应电容和第二感应电容，所述第一检测电容与所述第一感应电容并联，所述第二检测电容与所述第二感应电容并联。
优选地，所述第一激励线圈、第二激励线圈及第三激励线圈的匝数、长度和半径数均相等。
与现有技术相比本申请的有益效果在于：
本发明采用五线圈油液磨粒检测传感器，其中三个激励线圈在通以励磁信号后所激发的交变磁场，相较现有技术，增强了内部磁场，扩大了磁场覆盖范围，可增强金属颗粒的磁化效应和涡流效应，更有利于提取磨粒特征信号，两个感应线圈同时输出感应信号，为后续磨粒信号处理提供差分信号，有效提高磨粒信号检测信噪比。本发明对磨粒信号提取时采用差分处理，磨粒幅度调制信号和感应信号相当于两条差分走线，外界噪声干扰，几乎是同时被耦合到两条线上，而信号处理模块只取两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消，与现有技术相比抗干扰能力强，优化了提高了磨粒信号信噪比，更有利于磨粒信号的识别和磨粒检测。本发明可解决现有技术在大孔径油路磨粒检测中灵敏度不足的问题，采用五线圈油液磨粒检测传感器，利用激励磁场的对称特性，在传感器内部形成两个零磁场界面，使磨粒经过第一感应线圈时产生的磨粒幅度调制信号与第二感应线圈输出的感应信号形成差分信号，结合后续信号处理采用差分处理，减少干扰，提高信噪比，在大孔径油路应用中实现高灵敏度检测。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图；
图2为五线圈油液磨粒检测传感器激励线圈磁场分析图；
图3为三组激励线圈磁场分布图；
图4为三组激励线圈轴向磁场分布图；
图5为无磨粒通过感应线圈时，感应线圈输出的感应信号；
图6为磨粒通过感应线圈时，感应线圈输出的磨粒幅度调制信号；
图7为经过信号处理模块处理后的铁磁性磨粒信号；
图8为经过信号处理模块处理后的非铁磁性磨粒信号。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
如图1-7所示，油液磨粒的五线圈差分电磁感应在线监测系统，包括：五线圈油液磨粒检测传感器、信号采集模块、信号处理模块、电源模块和高频激励模块，其中：
所述五线圈油液磨粒检测传感器包括第一激励线圈、第二激励线圈、第三激励线圈、第一感应线圈和第二感应线圈，所述第一激励线圈、所述第二激励线圈和所述第三激励线圈相互串连，且所述第一激励线圈和所述第三激励线圈逆时针绕制，所述第二激励线圈顺时针绕制，所述第一感应线圈位于所述第一激励线圈和所述第二激励线圈之间，所述第二感应线圈位于所述第二激励线圈和所述第三激励线圈之间；
在同一交流激励信号下，在传感器内部产生三组大小相等、方向相反的交变磁场，分别在在第一感应线圈和第二感应线圈中间位置磁场相互抵消，形成零磁场。其中激励线圈磁场为：
Figure BDA0003820999900000041
式中B为磁感应强度，μ0为真空磁导率，N为单位长度线圈匝数，I为激励电流幅值，L为线圈长度，x为磨粒在传感器中的轴向坐标，R1为激励线圈内径，R2为激励线圈外径，如图4所示激励磁场在第一感应线圈和第二感应线圈中心处接近零磁场，根据电磁感应原理，在交流信号的激励下，感应线圈处于激励线圈产生的交变磁场中，会有同频率的感应信号输出。
所述高频激励模块与第一激励线圈和第三激励线圈连接，用于输出正弦电流；产生三组极性相反的动态交变磁场。
所述信号采集模块包括第一信号采集模块和第二信号采集模块，所述第一信号采集模块与所述第一感应线圈连接，所述第二信号采集模块与所述第二感应线圈连接，所述第一信号采集模块采集所述第一感应线圈输出的磨粒幅度调制信号，所述第二信号采集模块采集所述第二感应线圈输出的感应信号；
混杂在油液中的金属磨粒按材质可分为铁磁性金属磨粒和非铁磁性金属磨粒，当相对磁导率较大的铁磁性金属磨粒流经激励线圈产生的交变磁场，磨粒受到的磁化效应较强，线圈磁通量增加；当相对磁导率接近1的非铁磁性金属磨粒流经传感器，磁化效应很弱，受涡流效应的影响内部产生电涡流，根据楞次定律，电涡流的磁场方向与原磁场方向相反，原磁场会被削弱，线圈磁通量减小。当磨粒穿过感应线圈的轴向磁通量的变化量为
ΔΦ＝ΔB·S＝(μr-1)πR2BV
式中μr为磨粒的相对磁导率，V为磨粒的体积，R为传感器管径，根据电感原理得到磨粒通过传感器时感应线圈输出的电动势：
Figure BDA0003820999900000051
式中E为感应线圈输出的感应电动势，磁通量变化率由磨粒进入传感器的速度决定，感应线圈输出的感应信号受激励信号影响，会在感应线圈中产生同频率的感应信号，当磨粒进入传感器时，传感器中的磁场受到扰动，如图6所示，先经过第一感应线圈时会输出搭载在感应信号上的磨粒幅度调制信号，如图5所示，此时第二感应线圈输出的是由激励线圈生成的交变磁场所产生的感应信号。后经过第二感应线圈时，第二感应线圈输出磨粒幅度调制信号，第一感应线圈输出由激励线圈生成的交变磁场所产生的感应信号。
所述信号处理模块分别与所述第一信号采集模块和所述第二信号采集模块连接，用于对第一信号采集模块输出的磨粒幅度调制信号和所述第二采集信号模块输出的感应信号进行差分处理后，再经过带通滤波器得到磨粒信号；通过提取磨粒信号峰峰值对应的采样点，根据采样点数的差值及传感器的长度计算磨粒的速度，即可测得磨粒幅度调制信号的频率；通过对磨粒信号的个数进行累加计算通过传感器的磨粒个数；由于铁磁性颗粒经过传感器时磁通量增大，非铁磁性颗粒经过传感器时磁通量减小，所以铁磁性磨粒和非铁磁性磨粒产生的磨粒信号相位相反；检测磨粒信号幅值、数量和相位即可得到油液中金属磨粒的大小、个数及铁磁性质。
所述电源模块为高频激励模块、信号采集模块以及信号处理模块提供电源。
所述信号采集模块还包括第一感应电容和第二感应电容，所述第一检测电容与所述第一感应电容并联，所述第二检测电容与所述第二感应电容并联。
所述第一激励线圈、第二激励线圈及第三激励线圈的匝数、长度和半径数均相等。
如图3-4所示，结合实例对基于电磁感应的电感式金属磨粒检测传感器的原理，作进一步说明：
由比奥-萨法尔定律可知，环形载流导线的磁场：
Figure BDA0003820999900000061
本发明差分型电感式油液磨粒在线监测系统中的电感式磨粒检测传感器激励线圈和感应线圈由漆包线多层多匝绕制而成，所以对环形载流导线磁场模型沿轴向积分后再向径向积分即可得到激励线圈的磁场：
Figure BDA0003820999900000062
Figure BDA0003820999900000071
由上式可知，第二激励线圈与第一激励线圈和第三激励线圈绕制方向相反，线圈内部产生磁场大小相等、方向相反的磁场，导致激励线圈周围的磁场也服从电磁感应定律发生变化，形成一个变化磁场，如图4所示在第一感应线圈和第二感应线圈中心处接近零磁场，为后续感应线圈信号的产生提供条件；
式中：
L为线圈长度；
x为参考点距坐标原点的距离；
R1为激励线圈内径；
R2为激励线圈外径；
μ0为真空磁导率；
I为交流激励信号的电流值；
混杂在油液中不同材质和尺寸的磨粒由于磁化和涡流效应，当铁磁性金属磨粒(相对磁导率μr＞＞1)流经激励线圈产生的交变磁场，磨粒受到的磁化效应较强，线圈磁通量增加；当非铁磁性金属磨粒(相对磁导率μr接近1)流经传感器，磁化效应很弱，受涡流效应的影响内部产生电涡流，根据楞次定律，电涡流的磁场方向与原磁场方向相反，原磁场会被削弱，线圈磁通量减小。当穿过感应线圈的磁通量变化量为：
ΔΦ＝ΔB·S＝(μr-1)πR2BV
式中μr为磨粒的相对磁导率，V为磨粒的体积，R为传感器管径，根据电磁感应原理得到磨粒通过传感器时第一感应线圈输出的电动势：
Figure BDA0003820999900000081
感应线圈输出的感应信号受激励信号影响，会在感应线圈中产生同频率的感应信号，当磨粒进入传感器时，传感器中的磁场受到扰动，如图6所示，先经过第一感应线圈时会输出搭载在感应信号上的磨粒幅度调制信号，如图5所示，此时第二感应线圈输出的是由激励线圈生成的交变磁场所产生的感应信号。后经过第二感应线圈时，第二感应线圈输出磨粒幅度调制信号，第一感应线圈输出由激励线圈生成的交变磁场所产生的感应信号。
下面具体详细描述本发明的工作流程：
在同一激励信号下，线圈内部产生三组磁场大小相等、方向相反的磁场，在感应线圈中间位置磁场相互抵消，接近零磁场。当有金属磨粒通过传感器时，扰动传感器中的磁场，感应线圈产生磨粒幅度调制信号。由第一信号采集模块和第二信号采集模块组成的信号采集模块，采集第一感应线圈输出磨粒幅度调制信号和第二感应线圈输出的感应信号。信号处理模块与信号采集模块连接，对第一采集信号模块输出的磨粒幅度调制信号和第二采集信号模块输出的感应信号先进行差分处理后在经过带通滤波器得到如图7所示的磨粒信号，通过提取磨粒信号峰峰值对应的采样点，根据采样点数的差值及传感器的长度计算磨粒的速度，即可测得磨粒幅度调制信号的频率；通过对磨粒信号的个数进行累加计算通过传感器的磨粒个数；检测磨粒信号幅值、数量和相位，即可得到油液中金属磨粒的大小、个数及铁磁性质。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.油液磨粒的五线圈差分电磁感应在线监测系统，其特征在于，包括：五线圈油液磨粒检测传感器、信号采集模块、信号处理模块、电源模块和高频激励模块，其中：
所述五线圈油液磨粒检测传感器包括第一激励线圈、第二激励线圈、第三激励线圈、第一感应线圈和第二感应线圈，所述第一激励线圈、所述第二激励线圈和所述第三激励线圈相互串连，且所述第一激励线圈和所述第三激励线圈逆时针绕制，所述第二激励线圈顺时针绕制，所述第一感应线圈位于所述第一激励线圈和所述第二激励线圈之间，所述第二感应线圈位于所述第二激励线圈和所述第三激励线圈之间；
所述高频激励模块与第一激励线圈和第三激励线圈连接，用于输出正弦电流；
所述信号采集模块包括第一信号采集模块和第二信号采集模块，所述第一信号采集模块与所述第一感应线圈连接，所述第二信号采集模块与所述第二感应线圈连接，所述第一信号采集模块采集所述第一感应线圈输出的磨粒幅度调制信号，所述第二信号采集模块采集所述第二感应线圈输出的感应信号；
所述信号处理模块分别与所述第一信号采集模块和所述第二信号采集模块连接，用于对第一信号采集模块输出的磨粒幅度调制信号和所述第二采集信号模块输出的感应信号进行差分处理后，再经过带通滤波器得到磨粒信号；
所述电源模块为高频激励模块、信号采集模块以及信号处理模块提供电源。
2.根据权利要求1所述的油液磨粒的五线圈差分电磁感应在线监测系统，其特征在于，所述信号采集模块还包括第一感应电容和第二感应电容，所述第一检测电容与所述第一感应电容并联，所述第二检测电容与所述第二感应电容并联。
3.根据权利要求1所述的油液磨粒的五线圈差分电磁感应在线监测系统，其特征在于，所述第一激励线圈、第二激励线圈及第三激励线圈的匝数、长度和半径数均相等。
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