鄭長松， 李 萌， 高 震， 陳 讬

(1.北京理工大學機械與車輛學院 北京，100081) (2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心 北京，100081)

電感式磨粒傳感器磨感電動勢提取方法*

鄭長松1,2， 李 萌1， 高 震1， 陳 讬1

(1.北京理工大學機械與車輛學院 北京，100081) (2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心 北京，100081)

利用高頻交流電對三線圈電感式傳感器進行激勵，由于互感的作用，感應線圈產(chǎn)生的互感電動勢對磨粒通過時產(chǎn)生的磨感電動勢信號產(chǎn)生干擾。利用互感原理建立了傳感器的數(shù)學模型，提出磨感電動勢概念，并分析了磨感電動勢的產(chǎn)生機理。利用鎖相放大技術建立了磨感電動勢的提取方法模型并進行仿真研究。通過設計試驗提取出磨感電動勢信號，驗證了所建模型的正確性，為該傳感器的設計提供了參考。

故障診斷； 電感式磨粒傳感器； 磨感電動勢； 信號提取

引 言

大量的生產(chǎn)實踐調(diào)查發(fā)現(xiàn)，油液中的磨損顆粒污染物是機械設備磨損失效的主要原因，其中，金屬顆粒物對設備的損壞起著更為關鍵的作用。因此，對油液中金屬顆粒的監(jiān)測是減少機械設備失效的重要途徑。對油液的監(jiān)測分為離線和在線兩種。傳統(tǒng)的油液監(jiān)測技術主要是采用離線的方法，如顆粒計數(shù)法和光譜法等，可實現(xiàn)對油品和油中固體雜質(zhì)的離線監(jiān)測；但需要先取樣再分析，不僅費力費時、成本高，而且測定結(jié)果的返回具有滯后性，在許多應用領域已逐漸被在線監(jiān)測技術所替代[1-2]。在線監(jiān)測技術按原理可以分為光學型、電磁型、導電型和超聲型4大類。其中，由于電磁型磨粒監(jiān)測技術安裝方便，不易受振動等外界環(huán)境條件的干擾且可檢測出鐵磁性、非鐵磁性兩類金屬顆粒等優(yōu)點，成為國內(nèi)外研究熱點。國外應用比較成功的這類傳感器是美國MACOM Technologies公司開發(fā)的TechAlertTM 10型、加拿大GasTOPS公司開發(fā)的MetalSCAN磨粒傳感器[3-4]和英國Kittiwake開發(fā)的FG型在線磨粒量傳感器[5]。國內(nèi)對電磁型傳感器也進行了研究。范紅波等[6-7]建立了線圈中含有鐵磁質(zhì)磨粒時的磁場模型，研制了一種在線磨粒監(jiān)測傳感器，利用奇異性降噪技術對感應電動勢信號進行處理。文獻[8-9]建立了傳感器線圈與鐵磁質(zhì)磨粒的簡化模型并進行仿真分析。吳超等[10-11]運用有限元分析軟件Jmag Designer建立差動式螺管型傳感器有限元分析模型，得出當磨粒粒度為150 μm時，感應電動勢的幅值在10-6數(shù)量級。

實際中，由于互感電動勢的影響，磨粒產(chǎn)生的微弱感應電動勢會隱藏到互感電動勢信號中，對于磨粒信號的提取帶來了很大困難。筆者針對這一問題，分析了磨粒信號的產(chǎn)生，提出了磨感電動勢，建立了磨感電動勢提取方法的數(shù)學模型并進行仿真研究。通過設計試驗，成功提取了磨感電動勢信號，為電感式磨粒傳感器的設計發(fā)展提供指導。

1 傳感器數(shù)學模型

如圖1(a)所示，傳感器元件內(nèi)有3個內(nèi)部線圈，其中，激勵線圈1和激勵線圈2反向繞制，并串聯(lián)在一起由交流電源驅(qū)動，它們各自產(chǎn)生的磁場方向相反，在兩個線圈之間的中點相互抵消，感應線圈纏繞方向和激勵線圈1相同。圖1(a)所示的傳感器原理可以簡化如圖1(b)所示的電路示意圖。電流參考方向和電壓參考方向如圖1(b)所示。

圖1 傳感器原理圖及電路示意圖Fig.1 Sensor schematic diagram and circuit diagram

代入電流i，得到

根據(jù)感應電動勢eo=e1+e2，得到

(3)

從式(3)可以看出：在無磨粒通過傳感器時，由于M1=M2，感應電動勢eo為0；當有魔力通過傳感器后會引起M1-M2的變化，從而引起感應電動勢eo的變化。

2 磨感電動勢產(chǎn)生及特性

2.1 互感系數(shù)

試驗和理論研究表明，磁介質(zhì)可按照其磁特性分為3類：順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)。表1為幾種順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)材料的磁化率[12]?？梢钥吹剑槾判院涂勾判圆牧系拇呕识己苄?，而鐵磁性材料的磁化率從幾百到幾千。當鐵磁性磨粒進入激勵線圈1，鐵磁性磨粒對于磁場的增強作用可以參照鐵芯對電磁鐵的增強作用，即磨粒體積所覆蓋部分的磁導率由空氣的磁導率變成鐵的磁導率。由于鐵的磁導率遠大于空氣磁導率，則激勵線圈1對感應線圈的互感系數(shù)M1增大，M1>M2。當磨粒進入激勵線圈2后，M1

表1 幾種物質(zhì)的磁化率

圖2 互感系數(shù)變化規(guī)律圖Fig.2 Mutual inductance change rule diagram

2.2 磨感電動勢

由于電流i為高頻正弦交流電，互感系數(shù)的變化會作用到高頻正弦交流電上。此過程類似于信號的調(diào)制過程，互感系數(shù)的差值變化對信號進行調(diào)制，電流i為載波。

為了更好地表示感應電動勢信號隨時間的變化規(guī)律，設互感系數(shù)的差值

(4)

用式(4)來表示圖2中的變化規(guī)律。電流信號為載波信號i=Imcos(2πft+φ)，則感應電動勢信號

(5)

(6)

2.3 頻率范圍

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)Fig.3 The sensor structure (unit: mm)

3 提取方法建模

已知激勵電流源i=Imcos(2πft+φ)，則激勵電壓為

(7)

其中：L1為激勵線圈1的電感；L2為激勵線圈2的電感。

(8)

(9)

由于激勵線圈電壓和感應電動勢信號eo中高頻成分頻率相同，可以作為鎖相放大的參考信號。

將式(9)和式(6)相乘，則

(10)

如果選擇截止頻率遠小于4πf的低通濾波器，可獲得直流分量為

(11)

其中：Um/2為常數(shù)。

4 仿真分析

利用JMAG-Designer 10.4建立差動式磨粒傳感器的三維模型，如圖4(a)所示。利用軟件Magnetic模塊的Transient Analysis進行求解運算。網(wǎng)格單元總數(shù)為5 963。給線圈添加不同的材料，激勵線圈1，2和感應線圈為銅，磨粒為鐵磁性材料，種類代號為25CS300，骨架為可加工陶瓷。將傳感器的不同線圈和軟件自帶的電路連接起來，電路圖如圖4(b)所示。Coil1和Coil3分別為3D模型中的激勵線圈1和激勵線圈2，且設置二者纏繞方向相反。Coil2的感應線圈纏繞方向與激勵線圈1相同。電壓表1，2分別測量激勵電壓和感應電動勢。線圈采用頻率為100 kHz的高頻交流電激勵。設定鐵磁性磨粒速度為1 m/s，時間為0.1 s，鐵磁性磨粒先進入激勵線圈1。

圖4 傳感器模型及電路關聯(lián)Fig.4 Sensor model and the circuits

將電壓表1，2采集到的數(shù)據(jù)輸入Matlab進行繪圖，如圖5所示。激勵電壓為高頻交流信號，感應電動勢為振幅調(diào)制信號，二者的頻譜如圖6所示?？梢钥闯?，二者的高頻成分相同，故激勵電壓信號可以作為參考信號。

圖5 傳感器信號圖Fig.5 Sensor signal

圖6 傳感器信號頻譜圖Fig.6 Sensor signal spectrum

圖7 鐵磨粒處理信號Fig.7 Iron wear particle signal processing

圖8 銅磨粒處理信號Fig.8 Copper wear particle signal processing

激勵電壓信號和感應電動勢相乘得到的信號如圖7(a)所示。利用Butterworth低通濾波器進行濾波，截止頻率為25 Hz，得到的磨感電動勢信號如圖7(b)所示?？梢钥闯?，磨感電動勢先為正，經(jīng)過一個峰值然后進入波谷。圖8為銅磨粒通過傳感器產(chǎn)生信號進行乘法運算和低通濾波后的圖形，圖像先負后正。

5 試驗對比

為了驗證提出方法的正確性，搭建磨粒檢測試驗臺，試驗原理如圖9所示。

圖9 試驗原理圖Fig.9 The principle diagram of the test

激勵系統(tǒng)采用直接數(shù)字式頻率合成器(direct digital synthesizer，簡稱DDS)產(chǎn)生一定頻率的正弦波形，經(jīng)過差分放大后驅(qū)動電壓控制型恒流電路，產(chǎn)生正弦型電流激勵源對激勵線圈進行激勵，同時輸出一路電壓參考信號到鎖相放大器[14-15]，DDS芯片選用AD9850，其原理如圖10所示。

當磨粒通過傳感器時，感應線圈輸出信號經(jīng)過鎖相放大器處理后經(jīng)示波器輸出，實物圖如圖11所示。

試驗選用直徑為150 μm的鐵磨粒。為了能夠看到單個磨粒通過傳感器的情況，將磨粒密封到熱縮管中。由于熱縮管通過傳感器時不會對試驗產(chǎn)生影響，試驗時用頻率為100 kHz的電流源對激勵線圈進行激勵。

將帶有鐵磨粒的熱縮管勻速通過傳感器，經(jīng)過示波器得到的信號如圖12(a)所示?？梢钥吹?，磨感電動勢先出現(xiàn)波峰然后出現(xiàn)波谷，這是由于鐵磨粒進入激勵線圈1后，增強了激勵線圈1的磁場，感應線圈的纏繞方向和激勵線圈1一致。由于互感原理使感應線圈的磨感電動勢為正值，激勵線圈2的纏繞方向與感應線圈相反，所以當磨粒進入激勵線圈2時，產(chǎn)生的磨感電動勢為負值。銅磨粒產(chǎn)生的信號如圖12(b)所示。磨感電動勢先出現(xiàn)波谷然后出現(xiàn)波峰，這是由于銅磨粒的磁導率為負值，對磁場起減弱作用，所以波形變化與鐵磨粒相反。此變化規(guī)律和互感系數(shù)的分析是一致的，驗證了所建模型的正確性。

圖10 DDS芯片AD9850原理圖Fig.10 The principle diagram of the DDS chip AD9850

圖11 實物圖Fig.11 Picture of real products

圖12 單個磨粒磨感電動勢Fig.12 A single wear particle electromotive force

6 結(jié) 論

1) 對于差動式三線圈電磁磨粒傳感器，利用互感原理建立了磨粒通過傳感器的動態(tài)數(shù)學模型，較好地描述了磨粒通過傳感器的過程。為了表征磨粒信號，提出了磨感電動勢的概念，通過分析互感系數(shù)進而分析了磨感電動勢的產(chǎn)生過程。

2) 從感應線圈可以得到包含有磨感電動勢的振幅調(diào)制信號，利用鎖相放大技術建立了磨感電動勢提取方法的數(shù)學模型，并利用仿真建模和試驗驗證了模型的正確性。

3) 分析了鐵磨粒和銅磨粒產(chǎn)生的磨感電動勢相位相反，這是由于鐵磨粒的磁導率為正值，銅磨粒的磁導率為負值，兩種磨粒進入傳感器后對磁場的作用相反。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.01.006

??基金資助項目(51475044)

2014-01-07；修回日期：2014-04-10

TP212.13； TH117.1

鄭長松，男，1975年7月生，副教授。主要研究方向為車輛工程專業(yè)的車輛理論與技術、車輛故障診斷技術的科研與教學工作。曾發(fā)表《電感式磨粒傳感器中鐵磁質(zhì)磨粒特性仿真分析》(《儀器儀表學報》2011年第32卷第12期)等論文。 E-mail: zhengchangsong@bit.edu.cn