三線圈電感式油液金屬磨粒檢測系統

白文斌,李 凱

(中北大學 信息探測與處理山西省重點實驗室，太原 030051)

0 引言

現代工業、民用、軍事為了準確控制機械設備的運行，液壓系統和潤滑系統廣泛應用于機械自動化等領域，對機械設備在運轉過程的在線故障診斷需求逐漸提高[1]。機械設備在運行過程中由于相互摩擦、碰撞、污染物侵入等原因產生磨粒[2]，其在線、離線檢測是判斷機械設備磨損的重要手段[3]，也是預測設備使用壽命、故障檢測的重要依據，成為了一個重要的機械設備故障監測研究方向[4]。

油液在線檢測傳感器可分為光學[5]、超聲[6]、電容[7]和電感傳感器。基于金屬磨粒通過油路時產生的磁場擾動具有較好的金屬類別表征特性，電感檢測法在油液中金屬磨粒檢測領域受到高度重視。國外有關金屬磨粒電感探測方法研究較早，主要包括加拿大GasTOPS公司研發的MetalSCAN傳感器與英國Kittiwake公司研制的FG型電感傳感器[8]。

針對微流道油液傳感器，大連海事大學做了很多研究。為提高微流道油液傳感器檢測精度，文獻[9]通過在傳感器內部填充超順磁性材料提升磁場強度，對于顆粒檢測信噪比提升了20%左右，與未填充磁性納米材料的傳感器相比，具有更高的檢測信噪比以及更低的檢測下限。為提高微流道油液傳感器吞吐量，文獻[10]基于相分復用原理搭建的雙通道檢測系統，在提高檢測流量的同時，達到了檢測74～88 μm鐵磨粒的效果。基于對非鐵磁性顆粒檢測更為敏感的電阻檢測法，文獻[11]提出了一種雙螺線管線圈結構的電感電阻微流控傳感器，有效彌補電感傳感器對非鐵磁性顆粒檢測能力低的缺陷，完成了500 μm流道中20 μm鐵磨粒和60 μm銅磨粒的檢測。基于此檢測方法，文獻[12]提出一種平面線圈與鐵氧體磁芯組合的新型結構，增大吞吐量的同時提高了信噪比。為實現微流道油液傳感器多污染物的檢測，基于電感與電容檢測法，張洪朋團隊共提出了4類多參數測量傳感器，可檢測潤滑油中存在金屬磨粒、氣泡與水滴。其一，文獻[13]將兩個單層平面線圈正對排布在微通道兩側，通過調節激勵源實現電感電容模式的切換。在300 μm流道中，電容模式可對180 μm水滴和240 μm氣泡進行區分檢測，電感模式可對80 μm鐵顆粒和150 μm銅顆粒進行區分檢測。其二，為提升檢測分辨率，文獻[14]采用流道垂直嵌入兩個貼合的平面線圈內孔的傳感器，在300 μm流道中成功檢測到40 μm鐵顆粒、110 μm、100 μm水滴及180 μm氣泡。為提升高吞吐量流道的檢測精度，文獻[15]將油液通道改為環狀結構增大流量同時在油液通道內的毛細玻璃管加入硅鋼片，在縮短檢測時間的同時可完成40 μm鐵磁性顆粒、130 μm銅顆粒的檢測，切換為電容檢測模式時，可完成200 μm水滴和270 μm氣泡的檢測。在此基礎上，文獻[16]將平面線圈優化為螺線管線圈結構，保持高通量的同時提升了檢測精度，可檢測到30 μm鐵顆粒、110 μm銅顆粒、100 μm水滴和180 μm氣泡。其三，文獻[17]提出一種包含電容式傳感器和電感式傳感器的集成式磨粒檢測裝置，該裝置能夠檢測并區分80 μm氣泡，30 μm鐵顆粒和45 μm銅顆粒。目前關于微流道金屬磨粒檢測技術的研究較多且可達到的檢測精度較高，但是微流道金屬磨粒檢測精度是在犧牲傳感器流量的情況下實現的，為了保證檢測精度，常將微流道傳感器的孔徑設置過小而受到限制，無法滿足大流量機械設備油路中的金屬磨粒檢測，而且由于孔徑過小，使得油液在流道口處受到較大的阻力，管路承受的壓力增大，進而產生雜質堆積，造成流道堵塞，同時，由于傳感器通量較小，通常只能安裝在潤滑油旁路，導致傳感器僅對部分潤滑油進行取樣檢測，檢測結果隨機性較大。

目前電感式磨粒傳感器的主要技術瓶頸是傳感器的檢測精度受限于流道孔徑。高通量傳感器可完成多種機械設備潤滑油路的高吞吐量金屬磨粒檢測，但存在檢測精度低等問題[18]。現階段關于電磁感應傳感器技術主要包括結構設計技術、電路補償技術。結構設計主要包括傳感器最優結構參數設計[19]、一激多感及多激一感等新型傳感器探測結構設計、傳感器內部磁場增強結構設計等，電路補償技術主要包括諧振電路、相分復用電路、激勵線圈不平衡補償電路[20]等。

針對目前高通量傳感器存在檢測精度低的問題，本文設計了基于FPGA的電感式金屬磨粒檢測系統，通過對雙激勵傳感器結構建立數學模型，對影響傳感器靈敏度參數進行仿真，結合實際情況并求出最優解。經實驗驗證：本系統可在油液流量為5～10 L/min的工況下實現500 μm鐵磨粒及1 000 μm銅磨粒的檢測精度。

1 電感式金屬磨粒檢測原理

電感式磨粒檢測傳感器結構如圖1所示，線圈骨架采用不影響傳感器磁場分布的酚醛塑酯材料設計而成。激勵線圈位于骨架兩側且對稱放置，線圈繞向既可同向也可反向，骨架中部為感應線圈。兩激勵線圈同向繞制時，由相位相差180°的信號源驅動，而激勵線圈反向繞制時，僅由單個信號源驅動即可。當信號源驅動激勵線圈后，傳感器內部產生激勵磁場，兩參數相同的激勵線圈繞制時采用反向繞制，在同一信號源的驅動下，位于傳感器骨架中點位置的磁場強度接近于零。當有金屬磨粒通過傳感器時，基于磨粒自身的磁化或渦流效應，擾動中心零磁場狀態，感應線圈內部產生感應電動勢。通過分析傳感器輸出電壓信號的變化趨勢及幅值，即可判斷金屬磨粒的數量、類別、大小等信息。

圖1 電感式磨粒檢測傳感器結構

金屬磨粒通過傳感器時感應電動勢的數學模型見式(1)。

(1)

令:

(2)

式(1)可簡化為：

(3)

式中,r1為球形磨粒半徑，μ1為磨粒相對磁導率，v為油液流速，t為磨粒經過第一個線圈時間，n為激勵線圈到感應線圈中心距離，r為螺線管內徑，μ0為真空磁導率，m為初級線圈長度，N為激勵線圈匝數，I為電流大小，K值中包含影響傳感器靈敏度的傳感器結構參數。

2 檢測系統框架設計

金屬磨粒檢測系統整體設計方案如圖2所示，主要由磨粒傳感器模塊(激勵線圈A、激勵線圈B、感應線圈)、信號源模塊、調幅模塊、電源模塊、信號調理模塊、通信模塊構成。磨粒傳感器模塊用于獲取油液中的磨粒信息，電源模塊為其他模塊供電，信號源模塊輸出的正弦交流電壓通過調幅模塊實現對磨粒傳感器的激勵，激勵線圈產生極性相反的動態交變磁場保證感應線圈處于零磁場狀態，當磨粒通過傳感器時，信號調理模塊對感應線圈輸出的電壓信號進行濾波、放大、解調等信號調理，通信模塊將調理后的電壓信號傳輸至計算機進行數字信號處理。同時在傳感器模塊與整體電路模塊加入磁場防干擾結構減弱外部磁場干擾，增強系統穩定性。

圖2 檢測系統框架

2.1 勵磁信號源

傳感器輸出的應信號特性受信號源影響，勵磁信號源中的高次諧波會在感應線圈上產生同頻率的感應信號，干擾信號解調，為此設計的勵磁信號源應具有頻率、相位、幅值穩定可調、波形失真小等特點。

本方案采用直接數字合成器技術(DDS)[21]，DDS以數控振蕩器的方式，產生頻率、相位可調的信號源，主要由基準時鐘模塊、相位累加器、相位調制器、正弦ROM查找表、DAC、低通濾波電路構成。

輸出信號源的頻率及相位分別由頻率控制字和相位控制字計算控制。DDS系統的核心是相位累加器，時鐘脈沖每觸發一次，累加器將頻率控制數據與相位寄存器輸出的累加相位數據相加后的結果輸入至相位寄存器的數據輸入端。相位寄存器將累加后的數據重新輸入至累加器，以便加法器在下一時鐘的作用下繼續與頻率控制數據相加。當相位累加器累加滿時，產生溢出，完成一個頻率周期的動作，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，結果作為正弦查找表的地址，根據正弦ROM表中的地址，將相應的正弦矢量值發送到8位DAC的輸入端，通過DAC可將FPGA輸出的8位數字信號的波形幅值轉換成所要求的合成離散的模擬信號。

除此之外，為滿足感應信號解調條件，還需輸出一路勵磁信號作為解調模塊的參考頻率信號。基于DDS模塊，可獲得頻率、相位、幅值穩定可調的正弦穩流激勵信號，根據感應信號數學模型、勵磁線圈匝數條件并結合實際傳感器輸出信號特點設置勵磁信號源激勵頻率。

2.2 低通濾波電路

DAC輸出端為離散的模擬信號，需要將離散的模擬信號變為平滑的模擬信號，同時輸出信號中含有高次諧波成分，為避免高次諧波影響后續信號解調，設計無源LC低通濾波電路，用于衰減和濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。低通濾波器的截止頻率為40 MHz，頻率響應曲線如圖3所示。

圖3 頻率響應曲線圖

2.3 調幅電路

DAC芯片輸出為差分輸出，為此基于高性能145 MHz帶寬的運放AD8065設計調幅電路將差分輸出變為單端輸出，但經由AD8065芯片設計的單端輸出電路后輸出的電壓幅值無法滿足傳感器所需的激勵幅值的要求，由于繞制工藝的限制，相同參數的傳感器所需最佳激勵幅值也會有差異，基于檢測系統普適性要求，同時考慮到傳感器輸出的感應電動勢大小受勵磁信號源輸出幅度的影響，需根據感應信號數學模型、勵磁線圈匝數等條件并結合實際傳感器輸出信號特點設置勵磁信號幅值大小，因此設計調幅電路如圖4所示，調幅電路最終輸出范圍為-5～5 V。

圖4 調幅電路

2.4 解調電路

當信號源激勵線圈，金屬磨粒通過傳感器時，感應線圈輸出的信號為振幅調制信號[22]，需使用解調方法進行頻譜搬移，將磨粒信號從載波中解調出來。解調方法包括包絡檢波、相干解調等，傳統的二極管包絡檢波后的信號會出現較大失真，因此采用相干解調方法[23]。

乘法器電路如圖5所示。相干解調需滿足調制信號與激勵信號同頻同相，在進行相干解調時，調制信號與DDS輸出的一路勵磁信號作為解調模塊的參考頻率信號相乘后，經過低通濾波器取出低頻分量，此刻輸出信號為單個磨粒通過傳感器時的感應信號。

圖5 乘法器電路

3 仿真

3.1 模型參數的確定

由感應電動勢的數學模型可知，傳感器輸出的感應電動勢即傳感器的探測靈敏度主要受傳感器結構參數與磨粒參數的影響，傳感器結構參數主要包括傳感器孔徑、激勵線圈長度、激勵線圈匝數、激勵線圈到感應線圈中心距離等，磨粒參數主要包括磨粒半徑、磨粒相對磁導率、磨粒流速等。

為了使磨粒通過傳感器時輸出的感應電動勢能夠有效表達金屬磨粒的特性，即傳感器的金屬磨粒探測靈敏度達到最優，使用MATLAB對影響傳感器靈敏度因素的變量進行仿真，求得影響傳感器靈敏度因素的最優解，傳感器參數表如表1所示。

表1 傳感器參數

3.2 磨粒半徑與感應電動勢關系

當磨粒材料相同粒徑不同時，磨粒擾動中心零磁場狀態產生的電感變化量不同，不同的電感變化量影響傳感器輸出的感應電動勢，傳感器可通過感應電動勢的大小區分材料相同但粒徑不同的磨粒，為明確磨粒粒徑大小與傳感器輸出感應電動勢的變化關系，根據感應電動勢的數學模型，對磨粒半徑與感應電動勢關系進行仿真，仿真采用的磨粒材料為鐵磁性材料，磁導率為μ1，磨粒半徑的變化范圍是0～500 μm，磨粒流速為5 m/s。

磨粒半徑與感應電動勢的關系仿真結果如圖6所示，從仿真結果可以看出，當磨粒半徑為零時，傳感器輸出的感應電動勢為零，仿真處于理想情況，在忽略其他因素干擾的條件下，當磨粒粒徑為零(即沒有磨粒通過傳感器)時，感應電動勢輸出即為零，將磨粒粒徑為零代入感應電動勢的數學模型，感應電動勢輸出結果也為零，在實際傳感器運行過程中，當沒有磨粒通過傳感時，傳感器的輸出信號應包含環境噪聲及電路噪聲，但此類噪聲對磨粒通過傳感器時輸出感應電動勢干擾較小，仿真結果同樣與實際情況相符。

當粒徑為微米級別的磨粒通過傳感器時，傳感器輸出的感應電動勢量級為納伏級別，由于微米級別的磨粒通過傳感器時，感應線圈上引起的電感變化范圍小，導致輸出的感應電動勢也十分微弱，因此在實際應用中，需要對傳感器輸出的感應電動勢進行放大、濾波等信號調理。從圖中可以看出，隨著磨粒半徑逐漸增大，感應電動勢也逐漸增大，二者之間近似呈三次方的變化關系，與數學模型中磨粒半徑與感應電動勢的變化關系保持一致。不同粒徑的磨粒產生的感應電動勢相差較大，仿真證明，傳感器可以對微米級別粒徑的磨粒進行檢測，同時根據感應電動勢的幅值大小對磨粒粒徑進行區分。

圖6 磨粒半徑與感應電動勢關系圖

3.3 磨粒磁導率與輸出電壓關系

當磨粒粒徑相同材料不同時，磨粒擾動中心零磁場狀態產生的電感變化量不同，進而影響傳感器輸出的感應電動勢，不同的感應電動勢的幅值可代表粒徑相同但磁導率不同的磨粒，根據感應電動勢的數學模型，對磨粒磁導率與感應電動勢關系進行仿真，仿真采用的磨粒粒徑為500 μm，磨粒流速為5 m/s，磨粒磁導率的變化范圍是0～1 000 H/m。

磨粒磁導率與感應電動勢關系仿真結果如圖7所示，從仿真圖可以看出，隨著磨粒磁導率的增加，感應電動勢逐漸增大，同一尺寸不同磁導率的金屬磨粒輸出的感應電動勢不同，當磨粒通過傳感器時，傳感器輸出的感應電動勢量級為微伏級，當磨粒磁導率從0～300 H/m變化時，不同磁導率的磨粒產生的感應電動勢相差較大，當磁導率超過900 H/m時，感應電動勢變化趨于平緩。

圖7 磨粒磁導率與輸出電壓關系圖

3.4 傳感器參數與傳感器靈敏度關系

傳感器檢測靈敏度受機械設備實際運行工況的影響，在機械設備的實際運轉中，其運動部件在軸承、氣缸以及導板等設備內部不同位置產生相對運動，發生磨損，由上述磨損原因產生的金屬磨粒具有較大區別，具體表現為金屬磨粒的成分與尺寸，即磨粒磁導率與磨粒粒徑不同。當油路孔徑一定時，磨粒流速是由潤滑油液流量決定的，當潤滑油裹挾金屬磨粒通過傳感器時，磨粒流速也是固定的，為分析傳感器參數與傳感器探測靈敏度關系，可結合實際工況，將磨粒參數值設為定值，簡化傳感器參數的優化過程。

當磨粒參數一定時(磨粒磁導率、磨粒流速、磨粒半徑)，傳感器結構參數將成為影響感應電動勢的主要因素，當使用條件不同時，需根據實際需求設計不同結構參數的傳感器，傳感器結構參數主要包括傳感器孔徑、激勵線圈長度、激勵線圈匝數、激勵線圈到感應線圈中心距離等，將此類影響傳感器靈敏度的結構參數總結，即為式(2)中的K，K值大小將直接影響傳感器輸出的感應電動勢。通過對K值包含的傳感器結構參數進行MATLAB仿真，可發現線圈各參數與傳感器檢測靈敏度的影響關系，得到線圈參數的最優解，更好地完成金屬磨粒的檢測。

在傳感器運行的實際工況中，傳感器孔徑是首先需要確定的傳感器參數，傳感器孔徑需結合實際檢測情況即油路的管徑及油液流量及進行設計，若傳感器孔徑過小，無法滿足主油路高通量的金屬磨粒的檢測，需從主油路中引出與傳感器孔徑相同的旁路，傳感器接入旁路進行檢測，但旁路檢測不能完整反映主油路中潤滑油包含的金屬磨粒情況，檢測結果具有隨機性，且由于孔徑過小使得油液在流道口處受到較大的阻力，管路承受的壓力增大，進而產生雜質堆積，造成流道堵塞；若傳感器孔徑過大，潤滑油無法完全填充油路，油路中會含有氣泡等影響油質與傳感器靈敏度，同時裹挾金屬磨粒的潤滑油由于重力會集中分布在傳感器下側，影響傳感器對潤滑油中金屬磨粒的檢測。

當傳感器孔徑不同時，同一粒徑的金屬磨粒檢測靈敏度具有很大區別，不同孔徑的傳感器具有不同的內部磁場分布，磨粒擾動中心零磁場狀態產生的影響傳感器輸出的感應電動勢不同，為明確傳感器孔徑大小與傳感器輸出感應電動勢的變化關系，對傳感器孔徑與感應電動勢關系進行仿真，仿真采用的磨粒材料為鐵磁性材料，磁導率為μ1，磨粒粒徑為500 μm，磨粒流速為5 m/s，傳感器孔徑的變化范圍是0～50 mm。

傳感器孔徑與K值關系仿真結果如圖8所示，從仿真結果可以看出，當傳感器孔徑從0～30 mm變化時，K值及傳感器靈敏度呈逐漸變大趨勢，但傳感器孔徑與傳感器靈敏度為非線性關系，當傳感器孔徑達到30 mm時，傳感器靈敏度達到最高，后隨著孔徑增大，傳感器對同一金屬磨粒的探測難度將增大，同時受外界環境干擾的影響，傳感器靈敏度逐漸降低。

圖8 傳感器孔徑與靈敏度關系圖

當激勵線圈到感應線圈中心距離不同時，傳感器內部磁場分布具有很大區別，將直接影響磨粒擾動中心零磁場狀態產生感應電動勢，為明確激勵線圈到感應線圈中心距離與傳感器輸出感應電動勢的變化關系，對激勵線圈到感應線圈中心距離與感應電動勢關系進行仿真，仿真采用的磨粒材料為鐵磁性材料，磁導率為μ1，磨粒粒徑為500 μm，磨粒流速為5 m/s，激勵線圈長度為20 mm，而激勵線圈到感應線圈中心距離應大于20 mm，因此設置激勵線圈到感應線圈中心距離的變化范圍是20～50 mm。

激勵線圈到感應線圈中心距離與K值關系仿真結果如圖9所示，從仿真結果可以看出，當激勵線圈到感應線圈中心距離從0～22.5 mm變化時，K值即傳感器靈敏度呈逐漸增大的趨勢，但激勵線圈到感應線圈中心距離與傳感器靈敏度之間呈非線性變化關系，當激勵線圈到感應線圈中心距離達到22.5 mm時，傳感器靈敏度達到最高，后隨著距離增大，傳感器對同一金屬磨粒的探測難度將增大，傳感器靈敏度逐漸降低。

圖9 激勵線圈到感應線圈中心距離

4 試驗及分析

為了驗證上述方法的正確性及有效性，對三線圈電感式油液金屬磨粒檢測系統進行了實驗研究，測試實驗臺由傳感器、激勵檢測單元、上位機構成，激勵及檢測單元為傳感器提供正弦激勵信號并對感應電動勢進行信號調理、采集、傳輸等，上位機對所得的數據進行濾波處理并顯示。

實驗采用游標卡尺標定不同粒徑的鐵磨粒與銅磨粒，鐵磨粒粒徑為500 μm，銅磨粒粒徑分別為1 000 μm，將不同尺寸金屬磨粒作為樣本磨粒封裝在熱縮管中，并用標記對樣本磨粒進行標記，對制作出的磨粒樣本進行半實物仿真測試，將攜帶磨粒樣本的熱縮管以一定的速度通過傳感器檢測區域模擬油中磨粒的流動。

將磨粒信號傳輸至上位機進行顯示，500 μm鐵磨粒通過傳感器時的感應電動勢如圖10～11所示，從圖中可以明顯看出類正弦波信號的出現，同時信號呈先增后降趨勢，當磨粒先進入一側激勵線圈時，由于鐵磨粒的磁化作用，增強了激勵線圈磁場，因此感應電動勢呈增大趨勢，后磨粒通過另一激勵線圈，由于楞次定律，減弱了激勵線圈磁場，感應電動勢呈減小趨勢。

圖10 500 μm鐵磨粒處理信號圖

圖11 500 μm鐵磨粒處理信號圖

1 000 μm銅磨粒通過傳感器時的感應電動勢如圖12～圖13所示，從圖中可以明顯看出類正弦波信號的出現，同時信號呈先降后增趨勢，當磨粒先進入一側激勵線圈時，由于銅磨粒的渦流作用，減弱了激勵線圈磁場，因此感應電動勢呈減小趨勢，后磨粒通過另一激勵線圈，由于楞次定律，增大了激勵線圈磁場，感應電動勢呈增大趨勢。

圖12 1 000 μm銅磨粒信號

圖13 1 000 μm銅磨粒信號

5 結束語

本文設計了一種基于FPGA的三線圈電感式金屬磨粒檢測系統，該系統根據法拉第電磁感應定律對發動機油液內金屬磨粒通過情況進行檢測。實驗結果表明，本系統可以在油液流量為5～10 L/min的工況下實現500 μm鐵磨粒及1 000 μm銅磨粒的檢測精度。本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。