尹愛軍　任宏基

1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,4000442.重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044

?

RFID無損檢測方法及在油液磨粒監(jiān)測中的應(yīng)用

尹愛軍1,2任宏基2

1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,4000442.重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044

摘要：對一種低成本的利用電磁波傳輸特性對油液中鐵磁性磨粒進(jìn)行監(jiān)測的方案進(jìn)行了前期研究。 首先建立了油液磨粒模型,并針對磨粒相關(guān)參數(shù)對電磁波傳輸特性的影響進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果顯示磨粒含量與電磁波傳輸特性具有明顯的相關(guān)性。然后利用射頻識別對磨粒含量的影響進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果顯示磨粒含量可以影響電磁波傳播特性，與仿真結(jié)果相符。

關(guān)鍵詞：磨粒;電磁波;油液監(jiān)測;無線傳感器;射頻識別

0引言

良好的潤滑具有減小摩擦、防銹、吸收振動等作用，是機(jī)械設(shè)備長期可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。潤滑油液中的磨粒會對機(jī)械設(shè)備造成磨損。由于磨粒中包含豐富的信息,因此有必要對油液展開分析[1]。油液分析技術(shù)是一種基于潤滑油液分析的磨損工況實(shí)時監(jiān)測與診斷技術(shù) ,基于被測機(jī)器油樣的磨粒分析技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)器磨損評價和故障分析中[2]。

1油液監(jiān)測研究現(xiàn)狀

常用的油液磨粒監(jiān)測傳感器有光學(xué)傳感器、聲傳感器、電容傳感器、電感傳感器、磁傳感器等。Mitchell等[3]通過獲取一系列空間解析橫向弛豫時間分布,使用低場磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)技術(shù)連續(xù)監(jiān)測油液飽和度分布。Wang等[4]建立了電火花加工(electricaldischargemachining,EDM)中加工間隙的包含固體、液體及氣體的流體場三維模型并分析了磨粒的機(jī)械性能。殷勇輝[5]系統(tǒng)地分析了油液監(jiān)測技術(shù)內(nèi)涵，研制了電感和光纖組合測量傳感器，集中了兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大了顆粒監(jiān)測范圍，有效地提高了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。Tan等[6]通過聲發(fā)射、振動及光譜測定等方法對齒輪箱油液進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,對這些技術(shù)在齒輪失效判定中的效果進(jìn)行比較。張曉飛[7]研究了基于介電常數(shù)測量的油液監(jiān)測方法，設(shè)計(jì)了電容傳感器，研究了微小電容檢測方法并設(shè)計(jì)了實(shí)用的電容檢測方案。

在以上各種油液磨粒監(jiān)測方案中,有些傳感器(如磁傳感器、光學(xué)傳感器)不適合在線監(jiān)測，有些方法(如X射線)對試驗(yàn)條件要求很高且設(shè)備昂貴、可用性低，此外還存在容易被干擾的問題(聲學(xué)傳感器)。電磁波檢測方面，以前的研究主要集中在特高頻(UHF,300MHz～3GHz),超高頻(SHF,3GHz～300GHz)和遠(yuǎn)紅外波段(FIR,300GHz～3THz)。岳凌月[8]利用透射式太赫茲時域光譜系統(tǒng)對除草劑、化肥、塑化劑進(jìn)行了檢測,獲得了它們在太赫茲波段的折射率和吸收系數(shù),為今后利用太赫茲技術(shù)對水中污染物進(jìn)行檢測的研究打下了良好的基礎(chǔ)。張尊泉等[9]在10GHz頻段利用同軸線探頭對金屬表面裂痕進(jìn)行探測。王華娟等[10]構(gòu)造了一種適用于太赫茲器件的二維金屬光子晶體結(jié)構(gòu),研究了晶格常數(shù)α=0.3mm的正方晶格二維銅介質(zhì)柱光子晶體，研究結(jié)果為性能優(yōu)良的太赫茲器件開發(fā)提供了理論依據(jù)。較低頻率的電磁波,比如射頻識別(RFID,13.56MHz)、藍(lán)牙、Zigbee及無線保真技術(shù)(WIFI)通常被用于無線通信[11-12]。國內(nèi)外有研究將此類電磁波用于無損檢測的報道。Moura等[13]提出一個可行方案來減小質(zhì)量流率對激勵頻率為75kHz至5MHz時谷物水含量的影響，其原理是谷物水含量和其電介質(zhì)參數(shù)的高度相關(guān)性。Mukhopadhyay等[14]構(gòu)建一種基于射頻的低成本、高可靠性、高精度、快速測量裝置來監(jiān)測奶制品。馬耀[15]對電磁波檢測技術(shù)應(yīng)用于混合液體組分識別進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，提出了基于電磁波技術(shù)檢測混合液體組分的新方法。Jian等[16]研究了射頻識別(RFID)信號的傳輸特性。

考慮到射頻設(shè)備如RFID、WIFI、藍(lán)牙等成本低、組裝方便、抗干擾性好，且易于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，本文對油液中磨粒對電磁波傳輸特性的影響進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，對磨粒含量對傳輸特性的影響進(jìn)行了仿真,并利用RFID對磨粒含量仿真結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2理論

電磁波在介質(zhì)間傳播時交界處會發(fā)生反射、吸收和透射，假設(shè)電磁波從介質(zhì)a入射到介質(zhì)b。入射波、反射波及透射波的電場及磁場可表示為

(1)

(2)

(3)

其中,ex和ey為相互垂直的且與傳播方向垂直的單位向量,Ei、Er和Et分別為入射波、反射波及透射波的電場,Hi、Hr和Ht分別為入射波、反射波及透射波的磁場,Eim、Erm及Etm分別為入射波、反射波及透射波的電場強(qiáng)度,k和η分別為傳播系數(shù)及本征阻抗,ω、μ和ε分別為電磁波的角頻率、介質(zhì)的磁導(dǎo)率及介質(zhì)的介電常數(shù)。

考慮到介質(zhì)交界處的邊界條件可得

(4)

據(jù)此可得出反射系數(shù)Γ及透射系數(shù)Δ：

(5)

(6)

由式(4)～式(6)可知,電磁波傳輸(反射、吸收及透射)特性會受到介質(zhì)磁導(dǎo)率、介電常數(shù)及電磁波頻率的影響。當(dāng)電磁波穿過有金屬磨粒的油液時，部分會被油液和磨粒吸收，部分會反射回來，剩下的一部分可以穿透到另一邊。反射、吸收和穿透特性會受到油液中磨粒參數(shù)(如磨粒含量和磨粒尺寸)的影響。通過研究反射與透射系數(shù)的變化,可以確定磨粒參數(shù)，進(jìn)而對機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

3仿真與試驗(yàn)

3.1仿真模型

仿真模型為一個位于電磁波激勵端和接收端之間的包含磨粒的油液模型,如圖1所示。為更明顯地顯示磨粒位置分布，圖中磨粒大小比仿真中要大得多。該模型使用CST Microwave Studio軟件創(chuàng)建?；诖四Ｐ?分別改變磨粒數(shù)量及磨粒尺寸進(jìn)行了兩組仿真。容器和磨粒的材料分別為玻璃和鐵。仿真背景參數(shù)為“Normal”，激勵信號為高斯信號?；痉抡鎱?shù)如表1所示。

圖1　仿真模型

溫度(℃)20磨粒材料鐵容器大小(mm×mm×mm)90×90×45磨粒磁導(dǎo)率(μH/m)800×10-6油液密度(kg/m3)920鐵密度(kg/m3)7870頻率(MHz)13.56磨粒數(shù)量45,60,75,90,105磨粒尺寸(μm)2,3,4,5,6

仿真遵循單一變量原則,每次仿真只改變某一變量而保持其他參數(shù)不變，從而觀察該變量對穿透及反射系數(shù)的影響。在磨粒數(shù)量仿真中磨粒尺寸為5 μm，在磨粒尺寸仿真中磨粒數(shù)量為105個。

3.2仿真結(jié)果

3.2.1磨粒數(shù)量與電磁波傳播特性的關(guān)系

磨粒數(shù)量的變化可以改變油液模型整體的電磁參數(shù)，繼而影響穿透和反射系數(shù)，研究其相關(guān)性可以根據(jù)穿透及反射系數(shù)的變化推測油液中磨粒含量的信息。

考慮到本文采用的試驗(yàn)裝置中RFID開發(fā)板頻率為13.56 MHz，現(xiàn)主要關(guān)注此頻率附近的仿真結(jié)果，如圖2所示，散射參數(shù)為端口接收的能量與總能量的比值，用于判斷能量大小。從圖2中可以看出，隨著磨粒數(shù)量的增加，穿透能量逐漸減小，反射能量逐漸增大，結(jié)合式(5)、式(6)可知,這是油液模型的磁導(dǎo)率μ及介電常數(shù)ε因磨粒數(shù)量變化所致。隨著磨粒含量繼續(xù)增大，由于磨粒間的反射導(dǎo)致能量消耗，穿透能量的減小及反射能量的增大都趨于緩慢。

圖2　13.56 MHz時磨粒含量仿真結(jié)果

3.2.2磨粒尺寸與電磁波傳播特性的關(guān)系

和磨粒數(shù)量類似，隨著磨粒尺寸變化，油液模型的總體電磁參數(shù)也會改變，進(jìn)而影響電磁波的傳播特性。在磨粒尺寸仿真中，共設(shè)置了5組尺寸不同的樣本。

磨粒尺寸仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,隨著磨粒尺寸增大，穿透能量減小，反射能量增大。這也可以通過磨粒尺寸變化改變模型的磁導(dǎo)率μ及介電常數(shù)ε來解釋。與磨粒數(shù)量仿真類似，由于磨粒間反射造成能量消耗，穿透能量與反射能量的變化趨于緩慢。

圖3　13.56 MHz時磨粒尺寸仿真結(jié)果

比較磨粒數(shù)量與尺寸仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，磨粒數(shù)量與尺寸變化對油液整體電磁參數(shù)的影響是基本一致的。因此，可以將二者統(tǒng)一為磨粒含量的變化,兩種仿真可統(tǒng)一為磨粒含量的仿真。

3.3試驗(yàn)與討論

基于RFID的油液磨粒含量檢測試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖見圖4。基于磨粒含量仿真結(jié)果,此試驗(yàn)中共設(shè)置了5組含有不同量磨粒的油液試樣，相關(guān)參數(shù)如表2所示。對于每個樣本讀取15個讀數(shù)以減小誤差，穿透試驗(yàn)與反射試驗(yàn)分開進(jìn)行。

RFID開發(fā)板、油液及檢測線圈依次固定在鐵架臺上，開發(fā)板自帶的天線及檢測線圈的信號通過示波器檢測，其中檢測線圈檢測到的信號為穿透信號，RFID天線可用來檢測反射信號。示波器與計(jì)算機(jī)相連，通過示波器配套的上位機(jī)軟件將采集到的信號保存到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行后續(xù)處理。燒杯中放有不同量的磨粒，加油液至固定刻度，為防止磨粒沉淀在底層影響試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)時先行攪拌以模擬仿真中的磨粒均勻分布。

圖4　試驗(yàn)裝置圖

溫度(℃)≈20(室溫)頻率(MHz)13.56磨粒材料鐵磨粒尺寸(μm)2～3磨粒磁導(dǎo)率(μH/m)600容器尺寸(mm)直徑:40,高度:50潤滑油型號齒輪油GL-475W-90磨粒材料密度(kg/m3)7870油液密度(kg/m3)870試樣體積(mL)25磨粒含量(g)0,0.5,1.0,1.5,2.0

試驗(yàn)中通過測量RFID開發(fā)板天線及檢測線圈上的電動勢來獲取能量變化趨勢。對于檢測線圈,穿透的電磁波越多,線圈上的電動勢越大;對于RFID天線，反射回來的電磁波產(chǎn)生的電動勢與其原方向相反且要小得多，因此反射回來的電磁波越多，天線上檢測到的電壓越小。根據(jù)天線及線圈數(shù)據(jù)整理的反射能量及穿透能量結(jié)果如圖5所示，以磨粒質(zhì)量增大表示磨粒含量增大。

圖5　油液檢測試驗(yàn)結(jié)果

從圖5中可以看出，隨著磨粒含量增大反射能量逐漸增大，穿透能量逐漸減小，且二者變化趨勢總體上趨于緩和。變化幅度上，由于RFID信號在傳播過程中衰減，穿透信號的能量變化要比反射信號小得多。與仿真結(jié)果比較可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真相吻合。試驗(yàn)中誤差可能是磨粒形狀不規(guī)則、磨粒分布不均勻及電路噪聲的影響造成的。

4結(jié)束語

本文提出了一種基于RFID傳播特性檢測油液中磨粒的方法，通過仿真和試驗(yàn)證實(shí)了RFID信號傳播特性與油液中磨粒含量存在對應(yīng)關(guān)系。以后的研究將集中于通過進(jìn)一步的特征提取來降噪；通過參數(shù)化及量化的電磁波傳輸特性評價設(shè)備狀態(tài)；重點(diǎn)研究傳感器的優(yōu)化，從傳感器設(shè)計(jì)等方面增強(qiáng)傳感器抗干擾能力，提高傳感器精度。

參考文獻(xiàn):

[1]嚴(yán)新平,謝友柏,蕭漢梁.油液監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].中國機(jī)械工程,1997,8(1):102-105.

Yan Xinping,Xie Youbai,Xia Hanliang.Development of Oil Monitoring Techniques and Its Tendency[J].China Mechanical Engineering,1997,8(1):102-105.

[2]盛晨興,嚴(yán)新平,徐泰富. 基于油液分析的柴油機(jī)可靠性試驗(yàn)?zāi)p評價研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報,2008，28(6)：556-561.

Sheng Chenxing,Yan Xinping,Xu Taifu.The Study of Wear Evaluation in Reliability Test of Diesel Engine Based on Oil Analysis[J].Tribology,2008,28(6)：556-561.

[3]Mitchell J,Staniland J,Chassagne R,et al.Mapping Oil Saturation Distribution in a Limestone Plug with Low-field Magnetic Resonance[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2013,108:14-21.

[4]Wang Jin,Han Fuzhu.Simulation Model of Debris and Bubble Movement in Consecutive-pulse Discharge of Electrical Discharge Machining[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture,2014,77:56-65.

[5]殷勇輝. 基于電感測量和光纖技術(shù)的在線油液監(jiān)測方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2002.

[6]Tan C K,Irving P,Mba D.A Comparative Experimental Study on the Diagnostic and Prognostic Capabilities of Acoustics Emission, Vibration and Spectrometric Oil Analysis for Spur Gears[J].Mechanical Systems and Signal Processing, 2007，21(1):208-233.

[7]張曉飛. 基于介電常數(shù)測量的油液監(jiān)測技術(shù)研究[D]. 長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2008.

[8]岳凌月. 利用太赫茲技術(shù)檢測水中污染物的初步研究[D].北京：首都師范大學(xué),2013.

[9]張尊泉,張兵,賀其元. 金屬表面微波無損探傷方法的研究[J]. 中國機(jī)械工程,2001,12(4):383-385.

Zhang Zunquan,Zhang Bing,He Qiyuan.Study on Microwave Nondestructive Testing in Metallic Surface [J]. China Mechanical Engineering,2001,12(4):383-385.

[10]王華娟,畢崗,楊冬曉,等. 太赫茲波在金屬光子晶體中的傳播特性[J]. 微波學(xué)報,2005,21(1):31-34.

WangHuajuan，Bi Gang， Yang Xiaodong， et al. Characteristic of Metallic Photonic Crystal in THz Range [J]. Journal of Microwaves,2005,21(1):31-34.

[11]Cama A,Montoya F G,Gomez J,et al.Integration of Communication Technologies in Sensor Networks to Monitor the Amazon Environment[J].Journal of Cleaner Production,2013,59:32-42.

[12]馬海.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué),2010.

[13]Moura E E,Berbert P A,Berbert-Molina M A,et al.Performance Analysis of RF Dielectric Models for Density-independent Estimation of Moisture Content in Sorghum[J].Powder Technology,2013,246:369-378.

[14]Mukhopadhyay S C,Gooneratne C P,Sen Gupta G,et al.A low-cost Sensing System for Quality Monitoring of Dairy Products[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2006,55(4):1331-1338.

[15]馬耀. 混合液體組分的微波檢測技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué),2013.

[16]Jian Xin,Zeng Xiaoping,Zhang Li.An Innovative Semicircular Spiral Antenna for On-Metal Passive RFID Applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(3):1026-31.

(編輯王旻玥)

MonitoringWearDebrisinOilUtilizingRFIDSignalTransmissionFeatures

YinAijun1,2RenHongji2

1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,

Chongqing University,Chongqing,400044

2.The State Key Laboratory of Mechanical Transmission,Chongqing University,Chongqing,400044

Abstract:A preliminary study on a low-cost solution for monitoring ferromagnetism debris in oil was demonstrated based on electromagnetic wave transmission features.A model was set up to simulate the affection of debris parameters on electromagnetic wave transmission features.Simulation results indicate an abvious relevance between debris density and electromagnetic wave energy distribution.An experiment was conducted to verify the simulation results based on RFID.

Key words:wear debris;electromagnetic wave;oil monitoring;wireless sensor;radio frequency identification(RFID)

作者簡介：尹愛軍,男，1978年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。研究方向?yàn)闊o損檢測、信號處理、虛擬儀器、視覺識別。發(fā)表論文50余篇。任宏基,男,1988年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CDJZR13115501)；重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2011DA105287-FW201505)

收稿日期：2015-03-24

中圖分類號：TH17DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.24.015