一種快速檢測潤滑油中鐵磁磨粒的裝置和方法

張宏輝，趙天禪，鄭 翔，馬天悅，劉先名

ZHANG Hong-hui1, ZHAO Tian-chan2, ZHENG Xiang3, MA Tian-yue3, LIU Xian-ming3

（1.東莞理工學院 機械工程學院，東莞 523808；2.東莞理工學院 城市學院機電工程系，東莞 523419；3.深圳市亞泰光電技術有限公司，深圳 518172）

0 引言

在機械傳動中經常會使用到潤滑油，潤滑油好比機械設備的血液，而所有摩擦副產生磨損顆粒都會流入潤滑油中，從而使得潤滑油變成了機械磨損信息的載體，通過監測潤滑油的鐵磁性磨粒，根據鐵磁顆粒的多少、大小進行分析可得知機器的磨損狀況，預知機器的運行狀況和發現故障隱患。

目前對潤滑油鐵磨粒的檢測手段很多，比如鐵譜分析、光譜分析、顆粒計數器等。1）鐵譜分析技術是利用高梯度的磁場，將油內磨屑顆粒與油液及雜質分離，并使其按一定規律，沉積在置于磁場上方的玻璃片上，形成譜片，再利用光學顯微系統對譜片上的磨屑進行大小、形狀、色澤、表面紋理等的觀察，再對磨損類型進行鑒別和分類。它的特點是能觀測到磨粒的尺寸、形貌、顏色等，但需要樣品預處理，檢測周期長，工序流程復雜，條件要求較高，而且操作人員需要具備一定素質及經驗，不利于現場進行測試。2）光譜分析是利用每個元素都有其特有的原子結構的事實。當原子吸收到附加的能量時，其核外電子就會從低能級躍遷到高能級的軌道上去，這時的原子處于不穩定狀態，原子由不穩定狀態返回穩定狀態要釋放一定頻率的電磁波能量，每種元素發出特有波長的光或顏色。將輻射出的光經過色散，得到按波長排列的線光譜，根據特征譜線有無出現判斷某物質是否存在，根據特征譜線的強弱判斷該物質含量的多少。它的特點是可在30秒鐘內精確分析出油液中近20種（最多可達32種）元素的（PPM級）含量，可分析潤滑油和液壓油中的各種磨損金屬元素Fe、Cu、Al、Pb，添加劑元素S、P、Ca、Ba和外界污染元素Si的濃度。但是，它的體積笨重、龐大，檢測費用昂貴。3）顆粒計數器的基本原理是利用用樣流過毛細管，在毛細管的一側裝有激光光源，另一側裝的有光學放大系統，和圖像傳感器，當油樣有磨粒流過時，磨粒在傳感器上成像，根據成像的尺寸大小和脈沖次數便可以獲知磨粒的尺寸的大小和個數，它的不足之處是不能檢出粒徑的材質，潤滑油中往往含有不同的顆粒種類，比如碳粒、油泥和各種氧化物等，而且體積龐大，顆粒計數器只能識別大小和數目，不能反應鐵磨粒的多少。上述這些方法通常僅僅適合于實驗室分析用。

本文所提出的方法不同于傳統的精密電子天平對周圍環境以及制取設備要求極高的檢測手段，而是采用一種基于變壓器原理、不提供閉合磁路、以一個柱形銜鐵（鐵氧體磁芯）為核心的雙次級線圈特殊傳感器，配合高精度采樣保持電路對其進行精確放大，從而能達到快速磨粒計量的目的?；诖嗽沓晒ρ兄瞥鼍哂凶灾髦R產權的潤滑油鐵磨粒計量分析儀——TTL-3鐵量儀。該儀器不僅操作簡單、自動化程度與性價比高，而且相關技術指標達到甚至超過國外同行儀器水平。

1 總體結構設計

圖1為TTL-3鐵量儀裝置總體結構示意圖。裝置的主要部件為一個激勵線圈2，激勵線圈2中間為一個磁芯，磁芯采用柱狀鐵芯（鐵芯材料可選用塞鋼等材料），磁芯上纏繞線圈構成激勵線圈2，當給激勵線圈通入交變電流時，即會產生交變磁場。激勵線圈2兩端等距離處，分別設有一個線圈，其中一個作為檢測線圈3，另一個作為平衡線圈4，檢測線圈3和平衡線圈4阻抗相等。由于在激勵線圈2的兩端附近，會出現相同分布的發散磁場，檢測線圈3和平衡線圈4與激勵線圈2同軸排列，且在激勵線圈2兩端等距離的對稱位置上，理論上會感應出兩個相等的信號。靠近檢測線圈3一端設有一個測試平面，如果沒有將被測油樣（或被測油樣中鐵磁磨粒含量為零），從測試平面靠近檢測線圈時，兩線圈輸出相等，即差異為零；如將含有鐵磁磨粒的被測油樣靠近檢測線圈時，油樣中存在鐵磁磨粒，由于鐵磁磨粒具有小磁矩的作用，使得磁路和磁場重新建立，達到一個新的平衡體系，即鐵磁性物質導致激勵線圈2靠近檢測線圈3一端的發散磁場發生變形，中央磁場增強，這樣就使得檢測線圈3產生的感應信號比平衡線圈4產生的感應信號要大，從而導致兩個線圈的輸出不平衡，使檢測線圈3和平衡線圈4之間的輸出信號產生差異，經過將這個差異信號比較放大、整形和積分等相關的換算，就可以表征出鐵磨粒的鐵磁性大小，通過對此信號大小的識別，可計算出試樣中的鐵磁性物質的含量，即用兩個線圈感應信號的差異表征出被檢測樣品鐵磁磨粒含量。由于用兩個線圈感應信號的差異表征出被檢測樣品鐵磁磨粒含量的因素較多，比如檢測線圈3和平衡線圈4距離激勵線圈的距離遠近、激勵線圈的磁場強度、測試平面距離檢測線圈3的遠近等等，所以，很難形成一個定量的關系，但是，由于上述因素一旦固定，則潤滑油中的鐵磁性磨粒含量的多少，與檢測線圈3和平衡線圈4感應信號的差異的大小即成線性關系，所以，一個固定檢測裝置初始時，任何一個技術人員可以通過有限次的實驗確定檢測線圈3和平衡線圈4感應信號的差異與鐵磁性磨粒含量之間的函數關系。裝置中將主要部件安裝在基座1內，形成一個整體的檢測裝置。基座1頂部設有蓋板5，激勵線圈2安裝在蓋板5上，為了使用方便，激勵線圈2豎直設置，且激勵線圈2通過一個帶缺口的圓環6固定安裝在蓋板5上。檢測線圈3設置在蓋板5上方，平衡線圈4設置在下方，檢測線圈3和平衡線圈4相對于激勵線圈2等距離對稱設置。蓋板5上方安裝有一個轉盤7，轉盤7即為測試平面，基座1內固定安裝有電機8，由電機8帶動轉盤7轉動。基座1內固定安裝有變壓器10，通過變壓器10可將交流市電轉換成需要的電壓，給電機8和其他電路部分供電?；?外側設有一個顯示器9，可用于顯示測量數值，顯示器9可采用數碼管或液晶顯示屏等。

圖1 TTL-3鐵量儀裝置總體結構示意圖

2 裝置電路設計

圖2 TTL-3鐵量儀裝置電路方框圖

圖2 為TTL-3鐵量儀裝置電路方框圖。裝置的電路主要包括振蕩器、傳感器、檢測電橋、采樣保持器、比較器、直流放大器、數模轉換器和單片機。采用振蕩器產生一個頻率為1kHz～5kHz的正弦信號為磁芯提供激勵信號，使其產生一個交變磁場，然后通過檢測電橋將感應線圈和平衡線圈產生的信號輸出給采樣保持器，由采樣保持器將其轉換成峰值信號，直流放大器對采樣保持器輸出的峰值信號進行比較并輸出，模數轉換器將直流放大器輸出的直流信號進行模數轉換后輸出至單片機。單片機驅動顯示器顯示測量結果，并控制轉盤將油液容器傳送到感應線圈處。在正常情況下，即感應線圈周圍無鐵磁物質時，比較器輸出為零，當含有鐵磁磨屑的容器置于感應線圈上方時，傳感器兩端輸出不再平衡，此時經過采樣保持器輸出的峰值信號也將不再平衡，比較器輸出一與鐵磁磨屑含量成比例的直流信號經直流放大器放大后，經過模數轉換器轉換成數字信號由單片機進行處理并由顯示器顯示結果。

圖3 振蕩器部分電路原理圖

圖4 檢測電橋部分電路原理圖

圖5 采樣保持電路電路原理圖

圖6 觸發電路電路原理圖

圖3 為振蕩器部分電路原理圖，振蕩器是由DDS信號發生器IC4和運算放大器IC6A、運算放大器IC6B、運算放大器IC7A、運算放大器IC7B以及功率放大器IC5及外圍電阻電容組成的振蕩電路，振蕩電路產生的正弦波信號的振蕩頻率為1kHz，具體實施時，也可通過調節電路參數，而改變其振蕩頻率，使其范圍保持在1kHz～5kHz之間。圖4為檢測電橋部分電路原理圖，傳感器采用兩個電感量相等的電磁線圈，其中一個作為檢測線圈La，一個作為平衡線圈Lb，檢測電橋為一個不平衡狀態的電感電橋，檢測電橋包括串聯的電阻R23和電阻R33，電阻R23和電阻R33之間串聯有一個電位器VR1，為第一橋臂，電阻R23和電阻R33采用精密電阻，電位器VR1采用精密多圈電位器。與第一橋臂并聯有第二橋臂，第二橋臂包括串聯的電阻R24和電阻R34，電阻R24和電阻R34之間串聯有一個電位器VR2，電阻R24和電阻R34采用精密電阻，電位器VR2采用精密多圈電位器，電阻R24和電阻R34形成的支路與電阻R23和電阻R33形成的支路并聯連接成一個回路。這個電路回路通過電位器VR1和電位器VR2的滑動端分成兩部分，兩部分分別與檢測線圈La和連接平衡線圈Lb連接，其中檢測線圈La輸出信號為S-org，平衡線圈Lb輸出信號為B-org。電位器VR2和電阻R34的公共端上，連接有基準信號Base，電位器VR2和電阻R24 的公共端上，連接有傳感器輸出信號Sense。通過調節電位器VR1，可以確保兩個電阻橋臂阻值相等，從而調節檢測線圈La和平衡線圈Lb在工作時輸出的信號幅值相等；通過調節電位器VR2，可以確保兩個電阻橋臂阻值相等，從而調節檢測線圈La和平衡線圈Lb在工作時輸出的信號相位一致。調幅調相通過阻抗匹配法使兩個信號回路的初態相位保持一致，再通過分壓使初態幅值相等，信號相位調節，即能使信號超前/滯后于原始相角；幅值調節，即能控制最終信號的輸出大?。幌辔?、幅值獨立調節，即信號的相位與幅值調節不會相互干擾。圖5為采樣保持電路電路原理圖，采樣保持電路包括采樣保持芯片IC8、采樣保持芯片IC9、采樣保持芯片IC10和采樣保持芯片IC11以及外圍電阻電容構成，四個采樣保持芯片相互獨立設置，分別對檢測線圈La和平衡線圈Lb產生的感應信號的正負峰值進行采樣保持。采樣保持芯片均采用型號為LF398的高精度采樣保持芯片。采樣保持電路由觸發電路控制觸發角。圖6為觸發電路電路原理圖，觸發電路由基準芯片IC13、運算放大器IC14A、運算放大器IC12A、運算放大器IC12B和電位器VR3、電位器VR4以及外圍電阻電容構成，檢測電橋輸出信號與基準芯片IC13產生的信號通過運算放大器IC12A、運算放大器IC12B比較后，分別輸出給采樣保持芯片的觸發端，其中，運算放大器IC12A輸出給采樣保持芯片IC8和采樣保持芯片IC9，用于對檢測線圈La和平衡線圈Lb產生的感應信號的正峰值信號的保持；運算放大器IC12B輸出給采樣保持芯片IC10和采樣保持芯片IC11，用于對檢測線圈La和平衡線圈Lb產生的感應信號的負峰值信號的保持?？赏ㄟ^調整兩個電位器來調整觸發角。圖7為比較器和直流放大器部分電路原理圖，運算放大器IC17和運算放大器IC18構成比較電路，分別對檢測線圈La和平衡線圈Lb產生的感應信號進行比較，運算放大器IC17和運算放大器IC18采用型號為INA105的精密增益差分放大器。直流放大器包括運算放大器IC15A、運算放大器IC15B、運算放大器IC14B和數字電位器IC16以及外圍電容電阻，數字電位器通過比較電路產生的信號經過直流放大器放大后，輸入給模數轉換器，模數轉換器將直流放大器輸出的信號轉換成數字信號輸入給單片機進行算法處理。

圖7 比較器和直流放大器部分電路原理圖

3 ANALEX PQM/TTL-3鐵量儀對比測試

由廣州分析測試中心澳凱油品檢測實驗室利用英國Kittiwake ANALEX PQM鐵譜指數儀對十組油樣檢測數據與TTL-3鐵量儀測試結果如表1所示。

4 結論

1）采用變壓器型的電磁傳感器，通過檢測沉積磨屑引起的空間磁場改變造成電磁傳感器參數的改變進行檢測，可自然排除堆積現象及污染物的影響，可達到較高的線性度。

2）采用一種用于微弱信號檢測的電路，使其在較簡單的實現方式下盡可能地摒除存在的干擾（如白噪音、溫漂、初始狀態的相位差、幅值差、電磁場影響等等），使微弱的有用信號得以準確檢測及放大，盡可能快地將微弱信號送入安全區域，采用有用信號與干擾信號差異化，差異化后的干擾信號與有用信號一抑一揚，完成信號篩選，從而獲得對信號的優化效果。

表1 英國Kittiwake ANALEX PQM鐵譜指數儀檢測結果

表1 TTL-3鐵量儀檢測結果

3）通過TTL-3鐵量儀與英國Kittiwake ANALEX PQM鐵譜指數儀對比測試，TTL-3鐵量儀檢測結果的重復性與總體標準偏差達到甚至超過國外同行儀器水平。

[1] 張宏輝.基于知識的轉子故障診斷理論與方法的研究[D].清華大學.北京:1993.06.

[2] 唐錫寬,等.機械動力學[M].北京:高等教育出版社,1986.05.