郭翠娟，張 猛，榮 鋒

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

0 引言

液壓技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、風(fēng)力渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備，而液壓設(shè)備零部件的磨損失效是導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)故障，引發(fā)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)事故的主要因素之一[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，有75%的機(jī)械系統(tǒng)故障是液壓油中的金屬磨粒所致[2]。設(shè)備零部件的磨損一般分為磨合、穩(wěn)定磨損和劇烈磨損3個(gè)階段，當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，油液中的金屬磨粒尺寸通常在10～20 μm，并且濃度也保持在較低水平，而當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常磨損時(shí)，磨粒尺寸會增加至50～100 μm，同時(shí)濃度也會急劇增加[3]。因此通過實(shí)時(shí)監(jiān)測液壓油中磨粒信息來了解齒輪、軸承等設(shè)備關(guān)鍵零部件的磨損狀態(tài)，對于預(yù)防和檢查機(jī)械故障具有極其重要的意義。

國內(nèi)外已有文獻(xiàn)提出了幾種基于光學(xué)、超聲波、電容和電感的磨粒檢測方法。其中光學(xué)顆粒計(jì)數(shù)器具有高靈敏度和高精度的特點(diǎn)，檢測粒度較寬，但易受液壓油中磨粒、油質(zhì)和其他污染物的影響[4]。超聲波型傳感器能夠檢測磨粒并區(qū)分磨粒和氣泡，方向性好，穿透性強(qiáng)，但對傳感器安裝位置、超聲波頻率選樣以及機(jī)器的振動(dòng)系數(shù)等條件很敏感[5]。電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但測量精度會受到潤滑油酸度、雜質(zhì)和油溫的影響[6]。與其他方法相比，電感式磨粒檢測傳感器成本低廉，不受油液環(huán)境影響，而且能夠區(qū)分鐵磁性和非鐵磁性金屬磨粒[7-8]，具有非常廣闊的市場前景。

文獻(xiàn)[9]提出了一種電感式微流體芯片，此種傳感器能區(qū)分檢測非鐵磨粒和鐵磨粒，但缺陷也十分明顯：線圈品質(zhì)因數(shù)較低；線圈的邊緣效應(yīng)[10]明顯：越遠(yuǎn)離線圈邊緣，磁場強(qiáng)度越低，磨粒引起線圈電感的變化量也越??；傳統(tǒng)流道直徑通常在幾百μm，易被油液中的污染物沉積堵塞；油液注射速度很慢，只能在實(shí)驗(yàn)室中有專業(yè)微量注射泵才可以進(jìn)行磨粒檢測實(shí)驗(yàn)，不能廣泛應(yīng)用于工廠、檢測中心等實(shí)際場景。阿克倫大學(xué)的Li Du[12]等人用油液多管道設(shè)計(jì)提高傳感器的吞吐量，但該裝置制作過程較為復(fù)雜。

本文提出了一種帶有鐵氧體磁芯的微流體芯片磨粒檢測傳感器，可以區(qū)分檢測鐵磁性和非鐵磁性金屬磨粒。實(shí)現(xiàn)50 mL/min的油液高吞吐量，最小可分別檢測到40 μm鐵磨粒和90 μm銅磨粒。

1 傳感器設(shè)計(jì)與檢測原理

1.1 傳感器設(shè)計(jì)

微流體芯片設(shè)計(jì)如圖1所示。主要設(shè)計(jì)包括磁芯線圈檢測區(qū)域和矩形流體管道2部分。檢測區(qū)域由一對鐵氧體磁芯和分別纏繞在其端口的單層平面方形線圈組成。2個(gè)線圈全部沿順時(shí)針方向繞制且并聯(lián)連接，2塊上下對置的鐵氧體磁芯板中心存在一個(gè)微小間隙。流體管道平行于玻璃基片穿過2塊鐵氧體磁芯板中心間隙，且緊挨著上下兩側(cè)的平面線圈。傳感器的參數(shù)如表1所示。

圖1 微流體檢測芯片設(shè)計(jì)

表1 傳感器參數(shù)

1.2 電感檢測原理

如圖2所示，微流體芯片管道中的油液磨粒經(jīng)過檢測區(qū)域時(shí)，由于金屬磨粒在交變磁場中發(fā)生的磁化效應(yīng)和渦流效應(yīng)，改變了穿過檢測區(qū)域的磁通量，從而引起線圈的視在電感發(fā)生變化。鐵磁性磨粒的磁化效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于渦流效應(yīng)，會使線圈電感增大；非鐵磁性磨粒不會被磁化只有渦流效應(yīng)，會使線圈電感減小[13]。

圖2 磨粒位于檢測區(qū)域

對于方形平面線圈產(chǎn)生的磁場計(jì)算，可以簡化為N個(gè)不同尺寸的單匝線圈所產(chǎn)生磁場的疊加。這里ΔL是由金屬顆粒引起的單層平面線圈的電感變化，ΔM是與兩個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料有關(guān)的互感變化。雙層平面線圈被磨粒引起的電感變化量為包括線圈自感和互感的變化量之和[14]:

(1)

鐵氧體磁芯增強(qiáng)了線圈的磁場，同時(shí)也帶來了磁滯損失和渦流損失。計(jì)算中采用相應(yīng)的修正系數(shù)A表示鐵氧體磁芯對線圈電感變化量的影響，所以總電感變化量為

(2)

2 有限元仿真

2.1 建立仿真模型

依據(jù)表1的傳感器參數(shù)建立三維仿真模型，如圖3所示。為了方便觀察金屬磨粒在檢測區(qū)域內(nèi)引起的磁場分布，選用粒徑為220 μm的鐵、銅球磨粒。鐵、銅和磁芯的相對磁導(dǎo)率分別為4 000，0.999 99和750，激勵(lì)頻率和電壓分別為2 MHz和2 V。

圖3 三維仿真模型

2.2 檢測區(qū)域磁場均勻性仿真

分別仿真含有磁芯和不含磁芯的傳感器檢測區(qū)域中，磁場的大小和均勻性。過檢測區(qū)域中心點(diǎn)，沿圖3所示X，Y，Z坐標(biāo)軸方向作3條直線，分別求解沿這3條直線方向上的磁通密度，得到檢測區(qū)域內(nèi)磁場分布的仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 X軸方向磁通密度

圖5 Y軸方向磁通密度

圖6 Z軸方向磁通密度

由圖4～圖6可得，鐵氧體磁芯的使用使得檢測區(qū)域各個(gè)方向的磁通量更均勻，改善了邊緣效應(yīng)帶來的對傳感器靈敏度檢測的影響，磁場強(qiáng)度明顯強(qiáng)于不含磁芯時(shí)的檢測區(qū)域磁場強(qiáng)度。

2.3 有無磁芯仿真對比

對含磁芯和不含磁芯的傳感器線圈進(jìn)行模型仿真，如圖7～圖12所示。在ZOY截面觀察，檢測區(qū)域有無磨粒、有無磁芯時(shí)的磁場強(qiáng)度。

圖7 無磨粒、無磁芯，檢測區(qū)域磁場分布

圖8 鐵磨粒、無磁芯，檢測區(qū)域磁場分布

圖9 銅磨粒、無磁芯，檢測區(qū)域磁場分布

圖10 無磨粒、含磁芯，檢測區(qū)域磁場分布

圖11 鐵磨粒、含磁芯，檢測區(qū)域磁場分布

圖12 銅磨粒、含磁芯，檢測區(qū)域磁場分布

由圖7～圖12可觀察到，鐵磁性磨粒在磁場中產(chǎn)生渦流效應(yīng)和磁化效應(yīng)，非鐵磁性磨粒磁芯只產(chǎn)生渦流效應(yīng)沒有磁化效應(yīng)。鐵氧體磁芯使得檢測區(qū)域磁場強(qiáng)度更高，降低漏磁帶來的線圈磁場損耗影響，磁感應(yīng)強(qiáng)度更均勻致密。

3 檢測試驗(yàn)

3.1 傳感器制作

本文用模塑法[15]來制作微流體檢測芯片。首先用繞線機(jī)(WZY-AC15001)將酒精自粘線繞制成平面方形線圈。然后將一塊鐵氧體磁芯插入線圈空心并作固定處理，重復(fù)制作得到2個(gè)磁芯線圈單元。將一個(gè)磁芯線圈的磁芯朝下固定在玻璃基底上,另一個(gè)磁芯線圈倒置并固定在模具上，2個(gè)磁芯線圈上下對齊。2個(gè)平面線圈全都沿順時(shí)針方向繞制且并聯(lián)焊接，通電后根據(jù)右手定則，兩線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相同。

用一表面光滑的鋁片(0.3 mm厚，5 mm寬)作為微流道模具，平行于玻璃基底穿過2個(gè)磁芯線圈的中心縫隙。用PDMS膠(聚二甲基硅氧烷)與固化劑按照10∶1的比例完全混合并攪拌均勻。將微流體模具放置于真空箱(DZF-6020A)內(nèi)30 min,抽干混合液中的氣泡，將混合液澆筑在模具內(nèi)，直至完全包裹鋁片、線圈和磁芯。將模具放置真空烘干箱內(nèi)設(shè)置溫度為130 ℃烘干1 h。PDMS膠水凝固之后將模具取出，用鉗子將鋁片從固化好的芯片中抽離，由此微流體流道成型。

用萬用表調(diào)至蜂鳴檔測量線圈的兩端，保證線圈沒有斷裂。然后用打孔器在微流體芯片上制造流道出入口，用聚四氟橡膠管插入孔內(nèi)并固定，至此傳感器制作完成。

3.2 樣品制備

首先用天平(JT3003D)分別稱取不同粒徑的鐵顆粒和銅顆粒各1份，每份4 mg。鐵顆粒粒徑區(qū)間為40～250 μm，銅顆粒粒徑區(qū)間為90～250 μm。用燒杯量取2份100 mL的液壓油(L-HM46)，將不同尺寸的鐵磨粒和銅磨粒分別加入到液壓油中，并用攪拌棒將油液顆?；旌暇鶆?，取每份鐵、銅顆粒油液各50 mL備用。

3.3 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

本文設(shè)計(jì)的傳感器檢測系統(tǒng)如圖13所示。該系統(tǒng)包括油液注射設(shè)備：注射泵(LSP01-1A)；微流體芯片：含磁芯芯片和不含磁芯傳感器；磨粒在流道中的運(yùn)動(dòng)軌跡觀察設(shè)備：顯微鏡(XSP-06-1600X)；激勵(lì)源及線圈電感測量設(shè)備：阻抗分析儀(4294A)；上位機(jī)：連接阻抗分析儀并裝有LabVIEW的計(jì)算機(jī)。

圖13 系統(tǒng)工作流程圖

4 檢測試驗(yàn)

阻抗分析儀作為激勵(lì)源，注射泵流速設(shè)為50 mL/min。首先進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)：對有無磁芯的2種傳感器滴入220 μm銅磨粒和100 μm鐵磨粒，觀察輸出信號；然后檢測不同尺寸銅、鐵磨粒引起的2種傳感器線圈電感變化量；最后檢測鐵氧體磁芯式傳感器對金屬磨粒的最小靈敏度。

4.1 靈敏度檢測試驗(yàn)

有無磁芯對比實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果如圖14、圖15所示。檢測結(jié)果表明，在檢測相同尺寸的顆粒時(shí)，具有鐵氧體磁芯的線圈電感變化量大于沒有鐵氧體磁芯的電感變化量，并且對于鐵顆粒而言變化是正向脈沖，對于銅顆粒則是負(fù)向脈沖。

圖14 90～100 μm鐵磨粒檢測信號

圖15 200～210 μm銅磨粒檢測信號

90 μm鐵顆粒的尺寸要遠(yuǎn)小于210 μm銅顆粒，但是其所得脈沖信號幅值卻與銅顆粒近似相等，這表明傳感器對鐵磁性磨粒的檢測能力要高于非鐵磁性磨粒。

有無磁芯芯片檢測詳細(xì)結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流道中的鐵氧體磁芯增加了電感線圈的基礎(chǔ)電感值。這是由于選用的鐵氧體磁芯磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，磁化效應(yīng)大于渦流效應(yīng)，增強(qiáng)了穿過電感線圈內(nèi)部的磁通量，從而增大了平面電感線圈的等效電感值，這與檢測原理一致。

表2 傳感器有無鐵氧體磁芯檢測結(jié)果對比

芯片中不含磁芯時(shí)所得脈沖信號平均值較芯片中含有鐵氧體磁芯時(shí)所得脈沖信號平均值小，這是由于鐵氧體磁芯增大了線圈的品質(zhì)因數(shù)。使用阻抗分析儀分別測得不含磁芯的傳感器線圈品質(zhì)因數(shù)為5，含磁芯的傳感器線圈品質(zhì)因數(shù)為24。2個(gè)芯片輸出信號的噪聲基本相同，信噪比提高了約9倍。

注意到含鐵氧體磁芯傳感器檢測磨粒，不含鐵氧體磁芯傳感器檢測磨粒時(shí)的基礎(chǔ)電感值并非一致，這是由外部引線電感變化和阻抗分析儀的測量誤差所致。

4.2 不同粒徑下電感變化率曲線

取準(zhǔn)備好的不同直徑鐵磨粒和銅磨粒各1份，配置液壓油后，分別滴入含有無磁芯的2種檢測芯片中。測得不同尺寸的鐵磨粒引起的線圈電感變化率曲線如圖16所示。測得不同尺寸的銅磨粒引起的線圈電感變化率曲線如圖17所示。實(shí)驗(yàn)表明，鐵氧體磁芯使得線圈的電感變化率增幅更大。

圖16 不同鐵磨粒粒徑電感變化率

4.3 鐵氧體磁芯式芯片檢測下限

在經(jīng)過多次不同粒徑的顆粒檢測試驗(yàn)后，成功檢測到最小粒徑為40 μm的鐵顆粒和90 μm的銅顆粒，檢測結(jié)果如圖18，圖19所示。

圖17 不同銅磨粒粒徑電感變化率

圖18 40 μm鐵磨粒的檢測信號

圖19 90 μm銅磨粒的檢測信號

5 結(jié)束語

提出了一種含有鐵氧體磁芯的電感式油液磨粒檢測方法。鐵氧體磁芯的使用增大了線圈的品質(zhì)因數(shù)和基礎(chǔ)電感值，線圈檢測區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度更加密集且均勻，改善了邊緣效應(yīng)。

根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]，油液流速越快，傳感器檢測靈敏度越低。相比于傳統(tǒng)的微流體芯片，本文設(shè)計(jì)的芯片流道更寬，能避免流道被堵塞的情況發(fā)生。還可以在保證檢測靈敏度的情況下實(shí)現(xiàn)油液的50 mL/min的高吞吐量，40 μm鐵磨粒和90 μm銅磨粒的檢測下限。本項(xiàng)研究對實(shí)現(xiàn)高吞吐量的同時(shí)又不失靈敏度的在線磨粒檢測具有實(shí)際意義。