RFID無損檢測方法及在油液磨粒監測中的應用

尹愛軍　任宏基

1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室,重慶,4000442.重慶大學機械傳動國家重點實驗室,重慶,400044

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RFID無損檢測方法及在油液磨粒監測中的應用

尹愛軍1,2任宏基2

1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室,重慶,4000442.重慶大學機械傳動國家重點實驗室,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行監測的方案進行了前期研究。 首先建立了油液磨粒模型,并針對磨粒相關參數對電磁波傳輸特性的影響進行了仿真，仿真結果顯示磨粒含量與電磁波傳輸特性具有明顯的相關性。然后利用射頻識別對磨粒含量的影響進行了試驗驗證，試驗結果顯示磨粒含量可以影響電磁波傳播特性，與仿真結果相符。

關鍵詞：磨粒;電磁波;油液監測;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，是機械設備長期可靠運行的基礎。潤滑油液中的磨粒會對機械設備造成磨損。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]。油液分析技術是一種基于潤滑油液分析的磨損工況實時監測與診斷技術 ,基于被測機器油樣的磨粒分析技術已經應用于機器磨損評價和故障分析中[2]。

1油液監測研究現狀

常用的油液磨粒監測傳感器有光學傳感器、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)技術連續監測油液飽和度分布。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械性能。殷勇輝[5]系統地分析了油液監測技術內涵，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點，擴大了顆粒監測范圍，有效地提高了監測系統的可靠性。Tan等[6]通過聲發射、振動及光譜測定等方法對齒輪箱油液進行連續監測,對這些技術在齒輪失效判定中的效果進行比較。張曉飛[7]研究了基于介電常數測量的油液監測方法，設計了電容傳感器，研究了微小電容檢測方法并設計了實用的電容檢測方案。

在以上各種油液磨粒監測方案中,有些傳感器(如磁傳感器、光學傳感器)不適合在線監測，有些方法(如X射線)對試驗條件要求很高且設備昂貴、可用性低，此外還存在容易被干擾的問題(聲學傳感器)。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對除草劑、化肥、塑化劑進行了檢測,獲得了它們在太赫茲波段的折射率和吸收系數,為今后利用太赫茲技術對水中污染物進行檢測的研究打下了良好的基礎。張尊泉等[9]在10GHz頻段利用同軸線探頭對金屬表面裂痕進行探測。王華娟等[10]構造了一種適用于太赫茲器件的二維金屬光子晶體結構,研究了晶格常數α=0.3mm的正方晶格二維銅介質柱光子晶體，研究結果為性能優良的太赫茲器件開發提供了理論依據。較低頻率的電磁波,比如射頻識別(RFID,13.56MHz)、藍牙、Zigbee及無線保真技術(WIFI)通常被用于無線通信[11-12]。國內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參數的高度相關性。Mukhopadhyay等[14]構建一種基于射頻的低成本、高可靠性、高精度、快速測量裝置來監測奶制品。馬耀[15]對電磁波檢測技術應用于混合液體組分識別進行了理論和實驗研究，提出了基于電磁波技術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。

考慮到射頻設備如RFID、WIFI、藍牙等成本低、組裝方便、抗干擾性好，且易于實現在線監測，本文對油液中磨粒對電磁波傳輸特性的影響進行了基礎研究，對磨粒含量對傳輸特性的影響進行了仿真,并利用RFID對磨粒含量仿真結果進行了試驗驗證。

2理論

電磁波在介質間傳播時交界處會發生反射、吸收和透射，假設電磁波從介質a入射到介質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度,k和η分別為傳播系數及本征阻抗,ω、μ和ε分別為電磁波的角頻率、介質的磁導率及介質的介電常數。

考慮到介質交界處的邊界條件可得

(4)

據此可得出反射系數Γ及透射系數Δ：

(5)

(6)

由式(4)～式(6)可知,電磁波傳輸(反射、吸收及透射)特性會受到介質磁導率、介電常數及電磁波頻率的影響。當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(如磨粒含量和磨粒尺寸)的影響。通過研究反射與透射系數的變化,可以確定磨粒參數，進而對機器運行狀態進行監測。

3仿真與試驗

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軟件創建。基于此模型,分別改變磨粒數量及磨粒尺寸進行了兩組仿真。容器和磨粒的材料分別為玻璃和鐵。仿真背景參數為“Normal”，激勵信號為高斯信號。基本仿真參數如表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不變，從而觀察該變量對穿透及反射系數的影響。在磨粒數量仿真中磨粒尺寸為5 μm，在磨粒尺寸仿真中磨粒數量為105個。

3.2仿真結果

3.2.1磨粒數量與電磁波傳播特性的關系

磨粒數量的變化可以改變油液模型整體的電磁參數，繼而影響穿透和反射系數，研究其相關性可以根據穿透及反射系數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裝置中RFID開發板頻率為13.56 MHz，現主要關注此頻率附近的仿真結果，如圖2所示，散射參數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，隨著磨粒數量的增加，穿透能量逐漸減小，反射能量逐漸增大，結合式(5)、式(6)可知,這是油液模型的磁導率μ及介電常數ε因磨粒數量變化所致。隨著磨粒含量繼續增大，由于磨粒間的反射導致能量消耗，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時磨粒含量仿真結果

3.2.2磨粒尺寸與電磁波傳播特性的關系

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

磨粒尺寸仿真結果如圖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率μ及介電常數ε來解釋。與磨粒數量仿真類似，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時磨粒尺寸仿真結果

比較磨粒數量與尺寸仿真結果可以發現，磨粒數量與尺寸變化對油液整體電磁參數的影響是基本一致的。因此，可以將二者統一為磨粒含量的變化,兩種仿真可統一為磨粒含量的仿真。

3.3試驗與討論

基于RFID的油液磨粒含量檢測試驗系統實物圖見圖4。基于磨粒含量仿真結果,此試驗中共設置了5組含有不同量磨粒的油液試樣，相關參數如表2所示。對于每個樣本讀取15個讀數以減小誤差，穿透試驗與反射試驗分開進行。

RFID開發板、油液及檢測線圈依次固定在鐵架臺上，開發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。示波器與計算機相連，通過示波器配套的上位機軟件將采集到的信號保存到計算機上進行后續處理。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結果，試驗時先行攪拌以模擬仿真中的磨粒均勻分布。

圖4　試驗裝置圖

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

試驗中通過測量RFID開發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。根據天線及線圈數據整理的反射能量及穿透能量結果如圖5所示，以磨粒質量增大表示磨粒含量增大。

圖5　油液檢測試驗結果

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。與仿真結果比較可知，試驗結果與仿真相吻合。試驗中誤差可能是磨粒形狀不規則、磨粒分布不均勻及電路噪聲的影響造成的。

4結束語

本文提出了一種基于RFID傳播特性檢測油液中磨粒的方法，通過仿真和試驗證實了RFID信號傳播特性與油液中磨粒含量存在對應關系。以后的研究將集中于通過進一步的特征提取來降噪；通過參數化及量化的電磁波傳輸特性評價設備狀態；重點研究傳感器的優化，從傳感器設計等方面增強傳感器抗干擾能力，提高傳感器精度。

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(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。重慶大學機械工程學院教授。研究方向為無損檢測、信號處理、虛擬儀器、視覺識別。發表論文50余篇。任宏基,男,1988年生。重慶大學機械工程學院碩士研究生。

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(CDJZR13115501)；重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室開放課題(2011DA105287-FW201505)

收稿日期：2015-03-24

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