CN115639116A - 一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统及方法，包括：传感器、激励信号发生器、模拟信号处理电路、单片机信号采集模块和计算机信号处理模块；传感器具有两组感应线圈，激励信号发生器产生激励信号并驱动传感器激励线圈输出带有磨粒信息的感应信号，模拟信号处理电路接收传感器输出的感应信号，并对感应信号进行解调、放大；本发明公开了一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统及方法，对于目前的感应式油液磨粒检测传感器，本发明应用于油液磨粒在线监测的传感器信号处理系统结构简单，应用方便，具有完整的信号统计和监控界面，可实时有效的监测油液中金属磨粒的大小和浓度等信息。

Description

一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统及方法

技术领域

本发明属于机械设备运行状态在线监测技术领域，尤其涉及一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统及方法。

背景技术

现代工业技术的发展对机械设备运转稳定性的要求越来越高，而机械部件的磨损是影响机械设备运行稳定性、可靠性以及使用寿命的主要因素之一。磨损产生的金属磨粒随着润滑油在机械设备中流动，磨粒的数量、质量、成分、形状等信息与机械部件的磨损情况以及运行状态密切相关，因此可以通过检测润滑油中金属磨粒的尺寸、数量等参数，对机械设备的磨损状况进行评估，判断机械设备的运行状态和故障状况。

油液磨粒在线监测不需要采取油液样本，而是依赖于集成于滑油系统上的传感器，进行数据采集，通过特定测量原理对磨粒实时进行监测，具有监测的连续性、监测的实时性、监测的设备运行状态与分析结论的同步性三大特征，因此，油液磨粒在线检测是滑油系统检测主要的研究方向。

在线检测方法主要包括以下六类：光学法、电容法、电阻法、超声波法、X射线法和感应法。其中感应式金属磨粒检测法具有结构简单、安装方便、不受油质的影响以及能够区分铁磁性金属颗粒和非铁磁性金属颗粒等优势。但是在目前的工程应用中，较大管径的传感器还存在传感器灵敏度低、信号噪声干扰严重、缺乏完整的信号在线监测系统等问题。

发明内容

本发明提供一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统及方法，旨在解决上述存在的问题。

本发明是这样实现的，一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统及方法，所述的信号处理系统包括激励信号发生器模块、模拟信号处理电路模块、单片机信号采集模块和计算机信号处理程序模块；所述激励信号发生器模块产生激励信号驱动传感器激励线圈；所述模拟信号处理电路模块对传感器输出信号进行解调、放大；所述单片机信号采集模块用来采集经过处理后的感应信号，并将信号传输到计算机；所述计算机信号处理程序模块用于将传输到计算机的感应信号数据进行识别和统计，并通过监控面板显示磨粒监测信息。

进一步的，所述的激励信号发生器模块包括控制单片机、数字合成信号发生器、滤波调幅电路和功率放大电路。

进一步的，所述的控制单片机用来向数字合成信号发生器发送控制命令，控制命令中的频率控制字用于决定数字合成信号发生器输出信号的频率；

所述的数字合成信号发生器利用直接数字频率合成（DDS）技术，在接收到控制命令后，合成所需频率的数字信号序列，再经过数模转换和低通滤波后，输出模拟正弦信号；

所述的滤波调幅电路将信号合成器输出的信号利用高通滤波器进行处理，以滤除信号中的直流偏移分量；

所述的功率放大电路将滤波调幅后的信号通过功率放大后，使其驱动传感器激励线圈产生足够强度的磁场。

进一步的，所述的模拟信号处理电路模块包括有效值转换电路、滤波调幅电路、差分放大电路和后置放大电路。

进一步的，所述的有效值转换电路接收传感器两组感应线圈输出信号，并利用有效值检波原理，对两路信号分别进行解调；

所述的滤波调幅电路为高通滤波器，将两路经过有效值检波后的信号进行滤波，滤除直流偏移量，留下带有磨粒信息的感应信号；

所述的差分放大电路将滤波后的两路信号进行差分放大，由于磨粒通过两组线圈的时间顺序不同，经过差分放大后的磨粒感应信号合成一个周期的正弦信号波形；

所述的后置放大电路对差分放大后的信号进行进一步的滤波放大，提高信号信噪比。

进一步的，所述的单片机信号采集模块包括匹配和驱动电路、A/D转换电路、单片机采集电路和串口通信电路。

进一步的，所述的匹配和驱动电路是模数转换器的输入电压范围匹配电路和逐次逼近型模数转换器驱动电路，功能是接收模拟信号处理电路的输出信号，并将信号进行幅值放缩，以使信号的电压范围匹配模数转换器输入信号电压范围的要求；

所述的A/D转换电路和单片机采集电路利用单片机内部模数转换器将信号进行A/D转换后，采集到的单片机内部；

所述的串口通信电路将采集到的信号数据通过串口通信的方式传输到计算机。

进一步的，所述的计算机信号处理程序模块包括计算机通信程序、信号识别统计程序和磨粒数据监测程序。

进一步的，所述的计算机通信程序用于接收传输到计算机串口的信号数据，并将信号存入数据队列中；

所述的信号识别统计程序将数据队列中的信号数据分段调取，利用状态机程序识别信号数据中有磨粒时的感应信号，并将信号按照铁磁性和非铁磁性两大类以及不同的尺寸区间进行分类统计；

所述的磨粒数据监测程序是该信号处理系统的监控面板，通过监控面板可以实时地在线监测油液中磨粒的信息。

本发明还提供一种感应式油液磨粒传感器信号处理方法，包括以下步骤：

步骤S1：计算所需激励信号的频率值，并利用控制单片机将控制命令发送到数字合成信号发生器，数字合成信号发生器接收到命令后根据要求输出正弦信号，并经过滤波调幅和功率放大后驱动传感器的两个激励线圈上，此时两个感应线圈输出相应的感应信号；

步骤S2：通过模拟信号处理电路将接收到的两路感应线圈输出信号进行有效值检波、滤波调幅、差分放大和滤波放大后，输出金属磨粒的感应信号；

步骤S3：通过单片机信号采集模块将输出的金属磨粒的感应信号进行模数转换采集到单片机，并将信号数据通过串口通信电路传输到计算机。

步骤S4：通过计算机信号处理模块将传输到计算机中的信号数据进行识别和统计，并通过监控面板显示磨粒监测信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开了一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统及方法，对于目前的感应式油液磨粒检测传感器，本发明应用于油液磨粒在线监测的传感器信号处理系统结构简单，应用方便，具有完整的信号统计和监控界面，可实时有效的监测油液中金属磨粒的大小和浓度等信息。

附图说明

图1为本发明信号处理系统结构示意图；

图2为传感器结构示意图；

图3为激励信号发生器模块示意图；

图4为模拟信号处理电路模块示意图；

图5为单片机信号采集模块示意图；

图6为计算机信号处理程序模块磨粒信息监控界面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等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。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统，包括：传感器、激励信号发生器、模拟信号处理电路、单片机信号采集模块和计算机信号处理模块。

其中，传感器具有两组感应线圈，激励信号发生器产生激励信号并驱动传感器激励线圈输出带有磨粒信息的感应信号，模拟信号处理电路接收传感器输出的感应信号，并对感应信号进行解调、放大；单片机信号采集模块采集经过处理的感应信号，并将感应信号传输到计算机；计算机信号处理模块对传输到计算机的感应信号数据进行识别和统计，并通过监控面板显示磨粒监测信息。

具体地，激励信号发生器包括控制单片机、数字合成信号发生器、第一滤波调幅电路和功率放大电路。

控制单片机向数字合成信号发生器发送控制命令，控制命令中的频率控制字用于决定数字合成信号发生器输出信号的频率；数字合成信号发生器接收控制命令，合成数字信号序列，再经过数模转换和低通滤波后，输出模拟正弦信号；第一滤波调幅电路将数字合成信号发生器输出的信号利用高通滤波器进行处理，以滤除信号中的直流偏移分量；功率放大电路将滤波调幅后的信号通过功率放大后，驱动传感器激励线圈产生磁场。

模拟信号处理电路包括有效值转换电路、第二滤波调幅电路、差分放大电路和后置放大电路。

有效值转换电路接收传感器两组感应线圈输出的感应信号，并利用有效值检波原理，对两路感应信号分别进行解调；第二滤波调幅电路为高通滤波器，对两路经过有效值检波的感应信号进行滤波，滤除直流偏移量，留下带有磨粒信息的感应信号；差分放大电路将滤波后的两路感应信号进行差分放大，由于磨粒通过两组线圈的时间顺序不同，经过差分放大后的感应信号合成一个周期的正弦信号波形；后置放大电路对差分放大后的信号进行进一步的滤波放大，提高信号信噪比。

单片机信号采集模块包括匹配和驱动电路、A/D转换电路、单片机采集电路和串口通信电路。

匹配和驱动电路为模数转换器的输入电压范围匹配电路和逐次逼近型模数转换器驱动电路，用于接收模拟信号处理电路的输出信号，并将信号进行幅值放缩，以使信号的电压范围匹配模数转换器输入信号电压范围的要求；A/D转换电路和单片机采集电路通过单片机内部的模数转换器将信号进行A/D转换，并采集到的单片机内部；串口通信电路将采集到的信号数据通过串口通信的方式传输到计算机。

计算机信号处理模块包括通信模块、信号识别统计模块和磨粒数据监测模块。

通信模块接收传输到计算机串口的信号数据，并将信号存入数据队列中；信号识别统计模块将数据队列中的信号数据分段调取，识别信号数据中有磨粒时的感应信号，并将信号按照铁磁性和非铁磁性两大类以及不同的尺寸区间进行分类统计；磨粒数据监测模块用于实时地在线监测显示油液中磨粒信息。

本发明基于双激励双感应式油液磨粒传感器，结构如图2所示，由两组绕制在陶瓷管上的激励线圈和感应线圈构成。

在激励线圈中通入高频交流信号，则激励线圈内部产生交变磁场，此时感应线圈受磁场影响产生交变的感应电动势，当线圈内无金属颗粒通过时，交变感应电动势有效值不变，当线圈内有铁磁性金属颗粒通过时，由于金属颗粒在交变磁场中的磁化效应和涡流效应的作用，交变感应电动势的最大值增加。

当有非铁磁性金属颗粒通过时，由于非铁磁性金属颗粒在交变磁场中的涡流效应的作用，产生与激励磁场相反的磁场，交变感应电动势的有效值减小，输出与铁磁性金属颗粒通过时相反的感应电动势。

可以将输出信号看作对载波信号的双边带调幅信号，利用解调电路对传感器输出信号进行处理可以得到与金属磨粒相关的信息。

如图1所示，本发明公开的一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统，其包括激励信号发生器模块、模拟信号处理电路模块、单片机信号采集模块和计算机信号处理程序模块，其中激励信号发生器模块产生激励信号驱动传感器激励线圈；模拟信号处理电路模块对传感器输出信号进行解调、放大；单片机信号采集模块用来采集经过处理后的感应信号，并将信号传输到计算机；计算机信号处理程序模块用于将传输到计算机的感应信号数据进行识别和统计，并通过监控面板显示磨粒监测信息。

如图3所示为激励信号发生器模块示意图，包括控制单片机、数字合成信号发生器、滤波调幅电路和功率放大电路。

首先，根据所需激励信号的频率计算频率控制字，并利用控制单片机向数字合成信号源发送包含频率控制字的控制命令；然后，数字合成信号发生器接收到控制命令后，基于25MHz晶振合成所需频率的正弦信号；最后，合成的正弦信号经过调幅放大5倍和功率放大后10倍后输出激励信号，驱动传感器激励线圈。

如图4所示为模拟信号处理电路模块示意图，包括有效值转换电路、滤波调幅电路、差分放大电路和后置放大电路。

首先，有效值转换电路利用AD637设计电路，接收传感器两组感应线圈S1和S2的输出信号，并利用有效值检波原理，对两路信号分别进行解调；其次，滤波调幅电路为高通滤波器，将两路经过有效值检波后的信号进行滤波，滤除直流偏移量，留下带有磨粒信息的感应信号；然后，差分放大电路将滤波后的两路信号进行差分处理并放大1000倍，由于磨粒通过两组线圈的时间顺序不同，经过差分放大后的磨粒感应信号合成一个周期的正弦信号波形；最后，后置放大电路对差分放大后的信号进行进一步的滤波放大50倍，提高信号信噪比。

如图5所示为单片机信号采集模块示意图，包括匹配和驱动电路、A/D转换电路、单片机采集电路和串口通信电路。

匹配和驱动电路是模数转换器的输入电压范围匹配电路和逐次逼近型模数转换器驱动电路，功能是接收模拟信号处理电路的输出信号，先将±10V范围内的信号衰减为±2.5V，然后再将信号叠加2.5V的直流分量并衰减为原信号的3/5,以使信号的电压范围匹配模数转换器输入信号电压范围在0-3V，然后单片机采集电路利用单片机内部模数转换器将信号进行A/D转换后，采集到的单片机内部,并利用串口通信电路将采集到的信号数据通过串口通信的方式传输到计算机。

如图6所示为计算机信号处理程序模块磨粒信息监控界面示意图，计算机信号处理程序包括计算机通信程序、信号识别统计程序和磨粒数据监测程序。

首先，计算机通信程序接收传输到计算机串口的信号数据，并将信号存入数据队列中；然后，信号识别统计程序将数据队列中的信号数据分段调取，利用状态机程序识别信号数据中有磨粒时的感应信号，在测量信号幅值和峰谷值的顺序后，将信号按照铁磁性和非铁磁性两大类以及不同的尺寸区间进行分类统计；最后，磨粒数据监测程序是该信号处理系统的监控面板，通过监控面板可以实时地在线监测油液中磨粒的信息，监控信息包括感应信号实时显示，铁磁性和非铁磁性分别统计各尺寸段的数量、数量百分比和速率等信息。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统，其特征在于，包括：

传感器，具有两组感应线圈；

激励信号发生器，所述激励信号发生器产生激励信号并驱动传感器激励线圈输出带有磨粒信息的感应信号；

模拟信号处理电路，所述模拟信号处理电路接收传感器输出的感应信号，并对感应信号进行解调、放大；

单片机信号采集模块，所述单片机信号采集模块采集经过处理的感应信号，并将感应信号传输到计算机；

计算机信号处理模块，对传输到计算机的感应信号数据进行识别和统计，并通过监控面板显示磨粒监测信息。

2.根据权利要求1所述的一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统，其特征在于：所述激励信号发生器包括控制单片机、数字合成信号发生器、第一滤波调幅电路和功率放大电路。

3.根据权利要求2所述的一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统，其特征在于：所述控制单片机向数字合成信号发生器发送控制命令，所述控制命令中的频率控制字用于决定数字合成信号发生器输出信号的频率；

所述数字合成信号发生器接收控制命令，合成数字信号序列，再经过数模转换和低通滤波后，输出模拟正弦信号；

所述第一滤波调幅电路将数字合成信号发生器输出的信号利用高通滤波器进行处理，以滤除信号中的直流偏移分量；

所述功率放大电路将滤波调幅后的信号通过功率放大后，驱动传感器激励线圈产生磁场。

4.根据权利要求1所述的一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统，其特征在于：所述模拟信号处理电路包括有效值转换电路、第二滤波调幅电路、差分放大电路和后置放大电路。

5.根据权利要求4所述的一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统，其特征在于：所述有效值转换电路接收传感器两组感应线圈输出的感应信号，并利用有效值检波原理，对两路感应信号分别进行解调；

所述第二滤波调幅电路为高通滤波器，对两路经过有效值检波的感应信号进行滤波，滤除直流偏移量，留下带有磨粒信息的感应信号；

所述差分放大电路将滤波后的两路感应信号进行差分放大，由于磨粒通过两组线圈的时间顺序不同，经过差分放大后的感应信号合成一个周期的正弦信号波形；

所述后置放大电路对差分放大后的信号进行进一步的滤波放大，提高信号信噪比。

6.根据权利要求1所述的一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统，其特征在于：所述单片机信号采集模块包括匹配和驱动电路、A/D转换电路、单片机采集电路和串口通信电路。

7.根据权利要求6所述的一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统，其特征在于：所述匹配和驱动电路为模数转换器的输入电压范围匹配电路和逐次逼近型模数转换器驱动电路，用于接收模拟信号处理电路的输出信号，并将信号进行幅值放缩，以使信号的电压范围匹配模数转换器输入信号电压范围的要求；

所述A/D转换电路和单片机采集电路通过单片机内部的模数转换器将信号进行A/D转换，并采集到的单片机内部；

所述串口通信电路将采集到的信号数据通过串口通信的方式传输到计算机。

8.根据权利要求1所述的一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统，其特征在于：所述计算机信号处理模块包括通信模块、信号识别统计模块和磨粒数据监测模块。

9.根据权利要求8所述的一种感应式油液磨粒传感器信号处理系统，其特征在于：所述通信模块接收传输到计算机串口的信号数据，并将信号存入数据队列中；

所述信号识别统计模块将数据队列中的信号数据分段调取，识别信号数据中有磨粒时的感应信号，并将信号按照铁磁性和非铁磁性两大类以及不同的尺寸区间进行分类统计；

所述磨粒数据监测模块用于实时地在线监测显示油液中磨粒信息。

10.一种感应式油液磨粒传感器信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：计算所需激励信号的频率值，并利用控制单片机将控制命令发送到数字合成信号发生器，数字合成信号发生器接收到命令后根据要求输出正弦信号，并经过滤波调幅和功率放大后驱动传感器的两个激励线圈上，此时两个感应线圈输出相应的感应信号；

步骤S2：通过模拟信号处理电路将接收到的两路感应线圈输出信号进行有效值检波、滤波调幅、差分放大和滤波放大后，输出金属磨粒的感应信号；

步骤S3：通过单片机信号采集模块将输出的金属磨粒的感应信号进行模数转换采集到单片机，并将信号数据通过串口通信电路传输到计算机；

步骤S4：通过计算机信号处理模块将传输到计算机中的信号数据进行识别和统计，并通过监控面板显示磨粒监测信息。

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