1、北大中文核心期刊国外电子测量技术 ：金属磨屑在线检测电子系统温鹏周诗超孙建港边瑞卿李凯（中北大学信息探测与处理山西省重点实验室 太原 ）摘要：针对机械设备运转油液中存在的金属磨屑检测设备复杂、检测步骤繁琐、实时性差等问题，设计了基于电磁感应原理的油液金属磨屑在线检测电子系统。通过研究电感式系统检测磨屑的原理，设计了磨屑检测传感器、激励控制器、调理采集电路和磨屑识别程序。在 的油路管径中进行试验测试，铁磁磨屑的信号波形主峰呈“”型感应增大，最小检测磨屑 的信号电压差 ；铜磁磨屑的信号波形主峰呈“”型感应减小，最小检测磨屑 的信号电压差 。结果表明，系统具有检测效率高、体积小的特点，对机械设备运作
2、性能评估和故障预防诊断有重要意义。关键词：金属磨屑；电磁感应；在线检测中图分类号：文献标识码：国家标准学科分类代码：（，）：，；，；，：；收稿日期：基金项目：山西省基础研究计划（）项目资助引言现代工业生产和生活中，燃油和润滑油的品质对发动机等机械设备的正常运转有着重要意义。机械设备正常运转需要的油液在实际使用过程中由于各种各样的原因被污染，油液中含有的金属磨屑是其中一个 重要 问题。在使用前，需要对油液中的金属磨屑检测，防止进入到设备中的金属磨屑超标加剧机械磨损，减少设备使用寿命。在机械运转过程中，对循环油液的检测可提早判断机械的磨损程度，对故障设备及时更换，预防生产事故和保护生命财产安全。目
3、前国内外关于油液中金属磨屑检测的技术方法主要有电磁法、电容法、声波法、光学图像法等。电磁法主要利用电磁感应原理，将磨屑经过检测区域引起的磁导率变化转化为电压信号作为识别方法。文献 提出了一种高灵敏低压低功耗的三线圈电磁感应式磨屑检测方法，可检测到 的铁质颗粒。文献 利用控制变量法对传感器性能进行了参数仿真，得到感应线圈的半径增加感国外电子测量技术北大中文核心期刊应电压非线性增加、间隙与感应电压呈反比关系、宽度为 时感应电压最大的结果。文献 针对风力发电系统检测较大磨屑的需求，进行了三线圈结构电感型磨屑检测传感器的研究，通过在 的风机上试验，证明该传感器可以识别 的铁磁性磨屑。电容法基于两导体间
4、存在电容效应的原理，利用磨屑通过电容两极之间改变介电常数从而得到电容器的电压变化识别磨屑。文献 设计了一种圆筒结构传感器电容检测结构，通过理论推导和建模试验，得到电容值随磨屑数量、尺寸增大而线性增大的结论。文献 提出了一种由个圆柱形电极组成的电容传感器结构，经过实验验证，该传感器具有很高的输出精度（）和准确度。文献 设计了一种电容阵列传感器，可监测 的磨粒，检测精度比传统方法高 。声波法利用磨屑对超声波的反射来检测磨屑，文献 设计了一种新型超声磨粒传感器，能够有效检测润滑油中小至 的磨粒。光学图像法使用光源照射油液，利用光敏元件探测磨屑经过时的光信号变化，文献 针对传统光学检测法不能自动获取磨
5、粒信息的问题，在 的微通道中利用光学视频成像技术检测到 以下的磨粒。上述方法目前主要存在的问题，是电感法的电磁干扰问题和信号处理方法目前需要更进一步提升。电容型传感器主要存在不易区分金属磨屑的种类、尺寸、含量的问题。声波法系统复杂，声波频率容易受到现场工作环境干扰。光学图像法需要高速捕获大量高清图像，适用于微通道，算法处理需要时间较长。根据以上研究现状，本文设计了一种油液磨屑在线检测电子系统，既能区分不同种类、小尺寸的磨屑，又能做到不耗费时间不耗费人力。根据相关参数设计制作对应的电路和试验装置，试验表明，本系统能够对 的铁磁磨屑和 的非铁磁磨屑精确检测分辨。与现有的检测系统对比，系统体积只有
6、，并且可满足实时在线测量的需求。金属磨屑检测原理 对称式检测传感器设计原理金属磨屑的检测传感器采用对称的两个线圈分别正反向绕制而成作为激励单元，两个线圈中间夹一个任意绕向的线圈作为感应单元。激励单元两端加以交变的电压信号，从而产生方向相反、大小相等，在感应单元形成的圆柱形油路区域互相抵消的磁场环境。当有金属磨屑通过油路时，原来激励单元油路的磁导率发生改变，所以其产生的原平衡磁场环境被扰动改变，根据法拉第电磁感应定律，感应单元由于线圈回路磁通量变化而产感应电流。将该变化通过电流电压转换得到电压信号，并分析该电压信号特征即可得到油液中金属磨屑的个数、大小。对称式检测传感器的设计示意图如图所示。图传
7、感器结构 系统设计电路参数的确定依据理论上激励单元产生磁场环境越干净越好，多匝通电线圈的油路区的磁通量越大感应单元对油路的磁通变化越灵敏。根据，可知除油路磁导率之外对感应单元产生磁场环境影响参数主要是线圈的匝数和激励电流。根据则可知，感应单元的输出信号能力与感应单元的线圈匝数有关，金属磨屑通过感应单元油路区域的速度则反应了磁场环境的变化。感应单元的匝数越多，金属磨屑的通过速度越快，其输出信号特性越好。当金属磨屑通过传感器时，轴向磁通量的改变量为：（）（）式中：为磨屑的体积；为油路圆界面半径；为油路工作环境下介质相对磁导率。根据电感原理得到磨屑通过传感器时感应线圈输出的电动势：（）（）除了上述相
8、关参数，实际系统设计由于油路粗细环境限制，传感器所使用的漆包线线径，导电能力的限制，使得系统设备的大小有一定限制，本系统在上述参数的基础上将系统体积做到最小。系统设计整个系统主要由传感器单元、激励控制模块、信号调理模块、传感器控制器、采集显示模块和电源管理组成。激励线圈和感应线圈共同组成传感器组，激励控制模块控制激励线圈产生稳定的磁场检测环境，感应线圈感应磨屑扰动信号然后通过信号调理进行初次滤波放大，控制处理器采集调理后的信号并利用所设计的程序进行磨屑信号特征识别。电源采用直流 供电，使整个系统正常运行。硬件系统设计总体框图如图所示。传感器组设计传感器组采用漆包铜导线制作，其中激励线圈用于产生
9、稳定检测背景磁场环境，感应线圈用于感应磨屑扰动稳定的磁场产生的电压信号。为了产生稳定的背景磁场环境和使感应线圈对磨屑通过的反应达到最灵敏，对激励线圈和感应线圈的结构和相关参数进行精确设计，线圈设计参数如表所示。北大中文核心期刊国外电子测量技术图系统硬件组成表线圈设计参数线圈类型激励传感器感应传感器总匝数 电阻 位置两边中间磨屑含于检测油路的油液中，由式（）可知，若其他参数不变的情况下，磨屑速度越快对磁场的扰动越强，输出的电信号越强。当有金属磨屑通过传感器时，磨屑信号加载在正弦交流电上，传感器输出的感应信号为振幅调制信号，本文使用相干解调检波的方法从传感器接收的调制信号中恢复出磨屑信号。激励控制
10、模块为了提升传感器的灵敏度，检测到更加微小的金属磨屑，将激励线圈通以高频大电流，产生能够对称抵消的强磁场环境。系统通过采用传感器线圈外部并联谐振振荡电路构成 并联谐振回路的方式。当系统工作在谐振频率时，回路呈高阻抗特性，可放大磨屑通过传感器时所引起的阻抗变化，提高传感器的灵敏度。利用 分别检测激励传感器的 组线圈和组线圈的磁场激励状态，将两相检测电压值传入激励平衡判别程序，平衡状态的激励和产生的磁场大小相同，方向相反，在不平衡状态下两个检测值差别很大。如果检测到不平衡则激励判别控制器控制 使激励信号修正两边磁场。信号调理模块微小金属磨屑通过感应线圈所产生的电压扰动信号非常小，使用 运放芯片设计
11、放大器对其放大实现磨屑特征小信号的采集。编程设置小信号增益为 倍使共模抑制保持恒定，从而对原始的高频载波激励和噪声滤波实现检波。为了使调理后的信号能够被控制处理器采集，利用可调电位器和二极管分别设计了输入偏置电路和输出限幅电路。金属磨屑产生的磁场扰动信号属于低频信号并且与油液流速大致相等，为了使信号波形更加容易识别，因此将输入信号加到 放大器电路来实现电流放大，再通过 有源滤波器，提供到输入电压放大器。控制处理器整个系统的正常运行由控制处理器负责，控制处理器选用 公司的 单片机，该芯片具有最高 的系统主频，可对数据进行快速处理，同时支持 、等通信协议，自带多路高速的 采集转换，因此配置为 的采
12、样率把调理后的磨屑信号由模拟量转换为数字量，然后进行判别计算。控制处理器的功能实现示意图如图所示。图控制处理器工作示意图 电源管理模块电源管理模块主要用于整个系统的供电管理，提供各部分需要的供电电压。电源管理的拓扑结构如图所示。整个系统的电源来自电源适配器的 供电电压，经过型号为 的 芯片之后，转变为系统电压，不同的转化后给系统其他部分供电。单片机和显示单元的供电电压来自于再由 的 线性电压转换；运算放大器的双端供电电压由电压经过电荷泵芯片 芯片得到负电压；由于金属磨屑通过油路引起的磁通变化也会对激励线圈产生影响，为了保持激励稳定，激励控制器需要的电压由隔离变压转化得到。图电源管理拓扑图程序设
13、计程序执行流程如图所示。系统上电后首先进行初始化，本文主要 用到 的 的 功 能主 要 是 、和 ，所以上电后程序依次初始化这个功能。初始化完毕后设定感应 差值上限。共初始化个通道，当 采集一次电压后，代码做一次移动均方去噪 计算，并将去噪后的值作为当前采样真实值，若激励的两个采样值不一致则调整控制激励的 输出值，使两个磁场环境稳定，感应单元区域磁场抵消。若一致则国外电子测量技术北大中文核心期刊计算当前采样值与上一次采样值的差值，然后与设定的作比较，若大于该值则是磨屑信号，反之不是磨屑信号。一次执行完毕后通过 串口将结果显示出来，然后进行下一次采样计算，实现实时循坏检测。图程序设计流程图试验过
14、程试验结果与分析 试验过程图所示为最终的试验设备和用来试验的金属磨屑，所用金属磨屑大小采用游标卡尺标定，以铁磨屑和铜磨屑为代表试验材质。试验过程模拟油液流量为 的工作状态下的检测环境，由于铁的相对磁导率大于铜的相对磁导率，且铜的相对磁导率小于，相同数值粒度的铁磨屑比铜磨屑对磁场的扰动能力强，所以试验选择金属磨屑时铜磨屑的尺寸要大于铁磨屑的尺寸，选用 、的铁磨屑与 、的铜磨屑作为样本磨屑封装在热缩管中并标记，将粘有磨屑样本的热缩管以一定的速度通过传感器检测油路模拟油中磨屑的流动。为了直观显示检测结果，将采集的原始信号数据和去噪处理后的数据保存下来作为结果分析说明。试验结果分析）铁磨屑通过信号分析
15、图所示分别为 、和 铁磨屑通过检测装置时采集到的信号波形，可以看出系统能够检测到最小 的铁磨屑，对比种铁磨屑去噪后的信号波形可知铁磨屑通过时有相同的信号特征：无磨屑通过时，信号基本是一条直线，铁磨屑通过时检测到信号突变，先减小后急剧增大，然后急剧减小，再增大恢复到无磨屑通过时的状态，主要呈“”型变化，波形主峰对比无磨屑通过时表现为感应增大。图 铁磨屑通过信号图 铁磨屑通过信号所测试的种铁磨屑信号通过时最大感应电压与无北大中文核心期刊国外电子测量技术图 铁磨屑通过信号磨屑通过时的电压差对比如表所示，可以看出磨屑越大信号电压差越大，最小磨屑的信号电压差为 。表铁磨屑信号电压差对比铁磨屑大小无磨屑电
16、压信号主峰电压电压差（有无）铜磨屑通过信号分析图 所示分别为 、和 铜磨屑通过检测装置时采集到的信号波形，可以看出系统能够检测到最小 的铜磨屑，对比种铜磨屑去噪后的信号波形可知铜磨屑通过时也具有相同的信号特征：铜磨屑通过时检测到信号突变，但与铁磨屑不同，该信号先增大后急剧减小，再急剧增大，最后减小恢复到无磨屑通过时的状态，主要呈“”型变化，波形主峰对比无磨屑通过时表现为感应减小。图 铜磨屑通过信号图 铜磨屑通过信号图 铜磨屑通过信号所测试的种铜磨屑信号通过时最小感应电压与无磨屑通过时的电压差对比如表所示，可以看出磨屑越大信 号 电 压 差 绝 对 值 越 大，最 小 磨 屑 的 信 号 电 压 差为 。表铜磨屑信号电压差对比铜磨屑大小无磨屑电压信号主峰电压电压差（有无）表和的试验结果中，无磨屑通过时系统测量的电压存在噪声，滤波去噪后结果也存在缓慢波动，波动电压差最大 ，所测最小铁磨屑和铜磨屑信号均大于该波动信号的倍，保证检测时不发生误判，所以满足系统实时分辨判断的需要。分析该波动的产生与环境电磁场变化有关。国外电子测量技术北大中文核心期刊结论本文设计了一种油液金属磨屑在线检测电子系统。