電渦流式油液磨粒監(jiān)測傳感器的研究

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

在高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械中，軸承和齒輪容易產(chǎn)生金屬磨粒，潤滑油在長期使用后，污染物會逐漸增多，循環(huán)潤滑系統(tǒng)的故障中，70%～80%是由污染物引起的，其中固體顆粒物對機(jī)械的危害最大[1]。油液監(jiān)測技術(shù)就是通過對設(shè)備在用潤滑油的理化性能指標(biāo)、磨損金屬和污染雜質(zhì)顆粒的定期跟蹤監(jiān)測，及時掌握設(shè)備的潤滑和磨損狀態(tài)信息，診斷設(shè)備磨損故障的類型、部位和原因，為設(shè)備維修提供科學(xué)依據(jù)，從而防止機(jī)械設(shè)備重大事故的發(fā)生，降低維護(hù)成本。

在國外，油液在線監(jiān)測產(chǎn)品已經(jīng)得到了廣泛的推廣與應(yīng)用，技術(shù)日益成熟，各類油液檢測產(chǎn)品層出不窮,油液在線監(jiān)測產(chǎn)品在各類戰(zhàn)機(jī)、軍艦、民用機(jī)器設(shè)備中廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。具有代表性的有加拿大Gastops公司生產(chǎn)的MetalSCAN金屬磨粒傳感器[2]及美國Foxboro公司研制的應(yīng)用于958PF型在線鐵譜儀[3]。而國內(nèi)，油液金屬磨粒在線監(jiān)測傳感器的研究相對較少，有待深入研究發(fā)展。較有影響力的有：南京航空航天大學(xué)利用電荷效應(yīng)制作了相關(guān)的油液分析傳感器，但電荷效應(yīng)傳感器制作工藝要求較高，而且油液金屬磨粒攜帶的電荷量十分微弱，需要運用信號的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)，所以傳感器監(jiān)測電路復(fù)雜，信號處理困難[4-5]；沈陽理工大學(xué)設(shè)計的電感型傳感器，測量誤差較大，難以達(dá)到應(yīng)用需求[6]；由航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所[7-8]研制的螺旋管式電感型傳感器，測量精度高，已經(jīng)成功投入工程使用，但是體積較大。為此，本文提出一種基于電渦流式PCB平面線圈傳感器。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測量、成本低等特點，為微型傳感器加入油液磨粒監(jiān)測技術(shù)提供一種可行的方法。

1 電渦流式傳感器的理論基礎(chǔ)與設(shè)計

1.1 檢測原理

往 PCB 線圈中通入交變電流，線圈周圍產(chǎn)生交變電磁場，如果有鐵磁性導(dǎo)體進(jìn)入電磁場，導(dǎo)體則產(chǎn)生渦流。渦流產(chǎn)生的反向磁場跟線圈耦合在一起，就像是有另一個次級線圈存在一樣。PCB線圈作為初級線圈，渦流效應(yīng)作為次級線圈，形成了一個變壓器。由于變壓器的互感作用，在初級線圈上便可以檢測到次級線圈的參數(shù)。其原理如圖1所示。

圖1 檢測原理示意圖

圖1中,L(s)為初級線圈電感值；R(s)為初級線圈的寄生電阻；L(d)為互感值；R(d)為互感的寄生電阻，與到金屬板的距離d有直接的關(guān)系。交變電流如果只加在電感上(初級線圈)，則在產(chǎn)生交變磁場的同時也會消耗大量的能量。這時將一個電容并聯(lián)在電感上，由于并聯(lián)諧振作用能量損耗大大減小，只會損耗在R(s)和R(d)上，使得測量難度降低。

1.2 工作線圈的設(shè)計

電感形狀是電感器的一個重要特征，它決定所產(chǎn)生的磁場的分布。其中圓形螺旋線圈是最佳的形狀，因為它產(chǎn)生的磁場比其他形狀更對稱，而且結(jié)合L-C模型的R(s)考慮，圓形傳感器能使R(s)最低并得到最佳的品質(zhì)因素Q，同時降低集膚效應(yīng)的影響。線圈結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 線圈結(jié)構(gòu)圖

計算圓形線圈的總電感有：

(1)

(2)

式中，K1和K2為基于電感器形狀的幾何相關(guān)系數(shù)；μ0為自由空間滲透性，其值為4π×107；din為線圈內(nèi)徑；dout為線圈外徑；n為電感器圈數(shù)；davg為平均匝數(shù)，其值為(dout+din)/2；ρ為電感器的填充率；Ci(i=1,2,3,4)為基于幾何結(jié)構(gòu)的布局因素[9]。

計算當(dāng)直徑最大且匝數(shù)最大時的線圈電感，發(fā)現(xiàn)單層的PCB螺旋電感整體電感值依然太小，于是增加多層PCB螺旋電感以增大整體的電感值。對于雙層線圈，線圈的總電感計算公式為

L=L1+L2+2M

(3)

式中，L1為線圈1的電感值；L2為線圈2的電感值；M為兩線圈的互感值。

在雙層PCB線圈設(shè)計中，上下兩層線圈的旋轉(zhuǎn)方向至關(guān)重要，如果頂層逆時針方向，則底層應(yīng)為順時針方向，以保證電流方向的一致，達(dá)到增加電感的目的。由于總電感值和匝數(shù)成正比，調(diào)整匝數(shù)能有效地改變總電感值。當(dāng)din相對于dout變小，davg減小，電感值減少。為了得到較高的Q，應(yīng)保持din/dout>0.3。當(dāng)測量目標(biāo)非常接近傳感器時，din過小不會顯著增加電感，反而增加R(s)并降低整體測量精度[10]。

2 平面線圈式傳感器的電磁仿真

根據(jù)上述傳感器磁場的理論分析，電感的計算公式復(fù)雜，難以形象地表示出被測目標(biāo)的電磁分布情況。故采用電磁仿真軟件Maxwell[11-12]對檢測目標(biāo)進(jìn)行電磁仿真，將檢測目標(biāo)簡化為一個薄圓盤。由于線圈的匝數(shù)、磨粒與線圈的距離和激勵源等參數(shù)都會影響到傳感器的靈敏度和線性度，改變匝數(shù)、距離和激勵源頻率得到在各參數(shù)影響下的電阻損耗，當(dāng)線圈匝數(shù)為25圈，激勵頻率為1.3 MHz時電阻損耗較明顯。其仿真結(jié)果的電磁分布圖如圖3所示。從電阻損耗分布可以看出，電阻損耗從線圈中心到線圈邊緣遞減，線圈的電阻損耗主要集中在線圈中部，因此在實際測量中應(yīng)盡量利用線圈中部，以達(dá)到最佳的測量效果。

圖3 平面線圈電阻損耗分布

3 傳感器測量電路及處理電路的設(shè)計

3.1 電橋電路

測量轉(zhuǎn)換電路使用電橋法[13]，將傳感器線圈的阻抗變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化。傳感器的PCB線圈作為電橋的兩個橋臂，一個用于測量，另一個用于消除溫度的影響。當(dāng)傳感器阻抗變化時，電橋失去平衡，對電橋輸出的信號進(jìn)行線性放大檢波得到包含測量目標(biāo)的電信號。

傳感器是由電感器L和電容器C并聯(lián)形成L-C振蕩電路作為電橋的橋臂，電感和電容的值決定了振蕩器器的頻率，頻率f可由式(4)計算得出。

(4)

當(dāng)?shù)玫胶线m的線圈，通過計算得到其電感值，搭配合適的電容，便能計算出振蕩器所需的頻率，得到最佳的測量效果。

3.2 正弦信號發(fā)生器電路設(shè)計

為保證激勵信號的可調(diào)性及穩(wěn)定性，需設(shè)計正弦發(fā)生器電路。如圖4所示，本設(shè)計采用Max038芯片作為正弦信號發(fā)生器主電路。該發(fā)生器能產(chǎn)生方波、三角波、正弦波信號，其輸出頻率由圖4中電阻Rin1和電容Cf1決定。

圖4 正弦信號發(fā)生器主電路

由于該芯片輸出電壓峰峰值Vp-p=2 V，驅(qū)動負(fù)載為100 Ω，為了提高其負(fù)載能力，增大輸出電壓幅值，本設(shè)計采用單運放OPA604進(jìn)行電壓放大和BUF634進(jìn)行功率放大處理，具體電路如圖5所示。BUF634 輸出電流可達(dá)250 mA,且?guī)挻螅耆珴M足本設(shè)計要求。

3.3 全波檢波電路設(shè)計

由于全波檢波電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出電壓幅值調(diào)節(jié)電阻值進(jìn)行倍數(shù)放大。采用全波檢波電路整流。該電路主要由半波檢波器和加法運算放大器電路組成,如圖6所示。

其檢波過程如下:當(dāng)處于正半周期時，運放A1輸出負(fù)電壓，D1、D2均導(dǎo)通。輸出電壓Vo=Vi；反之，D2截止，D1導(dǎo)通，輸出電壓Vo=-(R5/R3)·Vi。其中運算放大器采用具有轉(zhuǎn)換精度高、低溫漂運放OP37。其輸出信號負(fù)半周期翻轉(zhuǎn)，達(dá)到了檢波目的。

圖5 放大電路

圖6 全波檢波電路

3.4 低通濾波器電路設(shè)計

信號經(jīng)過全波檢波后，需要將載波信號的高頻信號除去，讓低頻直流信號通過，需設(shè)計低通濾波器。由于低通濾波器設(shè)計及計算過于復(fù)雜,所以采用TI公司的FilterPro Desktop軟件進(jìn)行設(shè)計，濾波器通頻為500 Hz，截止頻率為2 kHz，通帶增益為2。在軟件中輸入以上參數(shù)，自動可生成濾波器電路結(jié)構(gòu)。本設(shè)計為Sallen-key型濾波器結(jié)構(gòu)，由兩個二階低通濾波器組成。經(jīng)過仿真得濾波器的輸出為兩路直流信號，結(jié)果比較理想。

3.5 差分放大器電路設(shè)計

兩路信號經(jīng)過檢波濾波后等到兩路直流電壓信號，將這兩路直流信號進(jìn)行差分放大處理。通過精密儀表放大芯片INA114進(jìn)行差分放大。由上述傳感器檢測電路的設(shè)計，初步實現(xiàn)了電橋轉(zhuǎn)換電路、檢波濾波電路。最終得到兩路直流電壓信號。將其中測量橋路在某一瞬時時刻通入油液磨粒，輸出結(jié)果如圖7所示。發(fā)現(xiàn)接近平穩(wěn)的電壓信號有一個較大波動，其電壓的平均改變量約為1.9 V。改變幅值較大，實時性較好，響應(yīng)速度快，從而驗證了上述電路設(shè)計的合理性。

圖7 有油液磨粒下電壓信號的變化

4 電渦流式油液檢測傳感器的測試

根據(jù)仿真得出的參數(shù)以及檢測電路原理，將本油液監(jiān)測系統(tǒng)制作成實物。其實物圖如圖8和圖9所示。

圖8 傳感器實物圖

圖9 試驗裝置圖

圖8為所采用的平面螺旋線圈，圖9為測試系統(tǒng)硬件電路，在圖9中，①和②兩個接口分別接入圖8所示的線圈。

為測試傳感器的靈敏度、線性度及工作可靠性，分別用電子稱稱出1 mg，2 mg，…，10 mg的10份細(xì)小鐵磨粒。將10份鐵磨粒分別用潤滑油粘在4.5 cm×6 cm的試紙上用傳感器進(jìn)行檢測，用萬用表測量電壓值并且記錄傳感器的電感，計算出變化值。得到的質(zhì)量-電感變化曲線如圖10所示。

圖10 鐵磨粒質(zhì)量與電感變化量曲線

由圖10可以看出，磨粒的質(zhì)量越大，近似于磨粒濃度越大，傳感器電感的改變量越大，進(jìn)而影響輸出電壓，反饋磨粒信息。圖中磨粒質(zhì)量與電感改變量近似成線性關(guān)系，說明傳感器具有良好的線性度。而且由圖可得，傳感器對每毫克鐵磨粒電感改變量為9 nH，測量精度可達(dá)9 nH/mg,以此決定了傳感器的靈敏度。

此外，該傳感器的靈敏度還與其激勵源頻率有關(guān)。將制備的傳感器接入激勵信號源進(jìn)行測試，改變激勵源大小，然后將10 mg的鐵磨粒作為檢測對象得到圖11所示的關(guān)系曲線。當(dāng)頻率在10 kHz左右時，該傳感器的靈敏度最大,約為0.1661 V/g。與仿真所得激勵源頻率的誤差較小，且達(dá)到最大值后，測量的靈敏度開始減小。顯然測量的準(zhǔn)確性與激勵源頻率有關(guān)。

圖11 靈敏度與激勵源頻率關(guān)系曲線

5 結(jié)束語

本文通過 Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行了線圈的電磁仿真，對圓形平面PCB線圈的電磁場仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，線圈中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)。通過設(shè)定不同的參數(shù)值對線圈電阻損耗進(jìn)行分析，得出了最優(yōu)的參數(shù)值。并且根據(jù)最優(yōu)參數(shù)值制作了PCB雙層線圈。此外設(shè)計了電橋電路、正弦發(fā)生器電路、檢波電路、低通濾波電路、差分放大電路，并研制了該傳感器的檢測電路系統(tǒng)。通過在PCB線圈上添加不同質(zhì)量的鐵磨粒作為檢測對象，進(jìn)行了靈敏度測試，發(fā)現(xiàn)該傳感器具有良好的線性度及靈敏度，以及體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、能進(jìn)行非接觸測量、實時性好等特性，因此該傳感器在油液監(jiān)測領(lǐng)域具備較好的應(yīng)用前景。