電磁式油液金屬磨粒檢測系統研究

左云波，谷玉海，王立勇

（北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

機械磨損是導致機器異常運轉的常見故障。通過檢測存在于潤滑油液中的金屬顆粒信息，能夠反映設備工作的磨損故障程度，為設備保養維修提供決策信息。油液金屬顆粒檢測技術可分為在線式和離線式檢測。在線式檢測分為光學檢測、電磁檢測、超聲檢測等。光學檢測通過遮光技術檢測顆粒，檢測精度高，但是不能區分金屬性質，易受氣泡等因素影響。超聲波檢測精度不高，而且超聲波容易破壞顆粒，造成油品再污染。電磁式具有結構簡單，響應速度快，且不易受振動、氣泡和其他外部干擾[1-3]。離線檢測需要通過采樣分析，不能全液流檢測，測量結果滯后。電磁檢測已成為潤滑油在線金屬顆粒檢測的重要研究方向之一。國外研發的電磁式檢測傳感器有加拿大GasTOPS公司MetalSCAN、美國MACOM公司techalerttm10等。國內研究單位包括北京理工大學、國防科技大學、北京交通大學、中國航天科技集團等[4-5]。目前國內傳感器的檢測穩定性和準確性與國外同類產品相比有較大差距。

1 差動電磁式金屬磨粒檢測原理

差動電磁式金屬磨粒檢測傳感器主要包括兩個激勵線圈和一個感應線圈。正弦信號輸入激勵線圈后產生動態振蕩磁場，由于兩激勵線圈參數相同，產生的磁場大小相同，極性相反，磁場在感應線圈中點相互抵消。理想狀態下，沒有金屬顆粒通過螺線管時，感應線圈的感應電動勢為零，當有金屬顆粒通過螺線管時，改變了螺線管中心的磁導率，引起磁場變化，使得感應電動勢發生變化。通過檢測感應電動勢的變化幅值與相位，可以分析油液金屬顆粒的大小與鐵磁性質。

圖1 電磁式磨粒檢測傳感器結構

圖2 感應電動勢曲線

金屬顆粒通過時產生的感應電動勢E計算公式見式（1）。

式中j是復數變量，f是激勵電流頻率，I是激勵電流大小。R是線圈外徑，N是激勵線圈圈數，N0是感應線圈圈數，Ra是磨粒等效半徑，x是以螺線管軸向中點為零點建立坐標系的坐標值，μ0是空氣磁導率，μr是磨粒的磁導率。

2 檢測系統框架

金屬磨粒檢測系統主要包括電磁式磨粒檢測傳感器、激勵信號發生模塊、交流穩流模塊、數字鎖相放大模塊、通信模塊和電源模塊。傳感器包括產生交變磁場的激勵線圈A、激勵線圈B和產生感應電動勢的感應線圈。激勵信號發生模塊輸出正弦振蕩信號，激勵電流輸出到交流穩流模塊在輸出至激勵線圈產生兩個極性相反的動態交變磁場。交流穩流模塊同時給數字鎖相放大模塊提供相同相位的正弦參考脈沖信號。電磁感應電流同時輸入數字鎖相放大模塊，與參考信號作比較，提取指定頻率上的電流信息。信號再經過交流放大，模數轉換，通過通信模塊RS485或者USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）協議將數字信息發送給計算機接收軟件計算顯示。檢測系統電源模塊為各個功能模塊提供各種所需電壓。系統運行框架圖如圖3所示

圖3 檢測系統運行框架

3 系統硬件主要模塊設計

（1）激勵信號發生模塊。通過直接數字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）用于產生正弦信號。該方法具有信號快速、相位可控、分辨率高的特點。采用STM32F103單片機進行模塊設計。檢測系統將保存在固化內存中的正弦信號數據通過內置集成DMA（Direct Memory Access，直接內存存取）發送到微控制器的數模轉換器。正弦數據值被轉換成由定時器設置的時間頻率輸出的電壓信號。10.6 kHz正弦信號輸出到輸出端子。正弦曲線包含128個數據值。模擬轉換頻率是1.365 MHz，定時器的時間間隔為52.74 μs。

（2）交流穩流模塊。交流穩流模塊為激勵線圈提供（0～33）ma正弦穩態勵磁電流。該模塊利用反饋控制回路的NMOS（NMental -Oxide -Semiconductor,N型金屬氧化物半導體）實現穩定電流控制。激勵線圈是勵磁電路中的一種感性負載。在激勵線圈兩端采用并聯諧振電容，電流穩定電路的總阻抗為純電阻，產生振蕩電流，線圈激勵頻率為24.68 kHz。

圖4 激勵信號發生模塊

（3）數字鎖相放大模塊。數字鎖相放大模塊實現了對交變電流信號的放大，靈敏地檢測相位，最后檢測微弱的感應電壓信號。

圖5 數字鎖相原理

該模塊設計與混合信號DSP（Digital Signal Processor，數字信號處理器）微控制器MK60DN512。MK60DN512集成高精度的 16位 ADC（Analog to Digital Converter，模數轉換器）、12位DAC（Data Acquisition Chassis，數字模擬轉換器）、可編程增益放大器、高速比較器和內部參考等。傳感器感應線圈產生的感應電動勢信號由儀表放大器放大。信號經過陷波濾波器后消除工頻干擾，再經過抗混疊濾波器，模擬信號輸入到單片機16位高速模數轉換器轉換并轉化為數字信號。同步相位參考信號由交流電流調節模塊輸出，觸發ADC轉換器完成信號采樣。同時，它觸發了向量累加器到新的相位位置。采樣的數字信號乘以由向量累加器所引用的正弦和余弦值，實現數字鑒相。判別結果用FIR（Finite Impulse Response，有限脈沖響應）低通濾波器進行濾波，保留低頻信號。最后，根據一定的通信協議，將數字信號的幅度和相位傳遞給上位機系統。

4 軟件系統設計與實驗

圖6 上位機軟件流程

圖7 軟件運行界面

上位機軟件系統主要實現了金屬顆粒數據的采集和保存、粒子數分析以及系統參數設置等。參數設置主要選擇數據采集卡的通信串口，設置通信波特率，設置軟件工作方式，設置曲線顯示方式。軟件工作模式分為示波器模式和采集模式。在示波器模式下，軟件只顯示數據曲線，不能存儲數據。在采集模式下，曲線顯示同時存儲。數據存儲在二進制文件中，文件名與當前時間相關。啟動采集后，對原始數據進行平滑濾波。通過尋找信號的峰值和波谷點，比較了峰值與磨粒直徑的關系及相位關系，確定粒子數、直徑和鐵磁性質。軟件界面顯示了鐵磁顆粒的累積量、非鐵磁性粒子的數量和每個粒徑范圍內的粒子總數。存儲二進制文件的數據可以回看數據視圖。通過數據導出，存儲的二進制文件可以導出到文本文件中查看數據和其他分析軟件。

5 結論

電磁式檢測法是潤滑油液中金屬顆粒在線檢測的一種重要方法。它能快速檢測油液中金屬顆粒的數量和大小，反映設備的磨損狀態。所開發的油液磨粒檢測系統可為機械設備磨損狀態分析、機械故障的診斷和預警提供研究條件。但是當油管直徑和流量增大時，分析顆粒數量和粒徑的難度增大。

[1]彭峰.油液磨粒在線監測技術發展現狀與趨勢[J].設備管理與維修，2016（S2）：26-27.

[2]范斌.基于油液監測技術的重型車輛綜合傳動磨損狀態研究[D].呼和浩特：內蒙古工業大學，2013.

[3]陳讬.車輛傳動油液磨粒在線監測的信號處理技術研究[D].北京：北京理工大學，2015.

[4]石新發，劉東風，周志才.油液監測信息綜合應用的關鍵問題研究[J].武漢理工大學學報，2014，38（6）：1351-1354.

[5]李寶璽.電磁式金屬磨粒傳感器理論與實驗研究[D].長沙：國防科學技術大學，2015.