電感式磨粒傳感器磨感電動勢提取方法*

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(shù)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(shè)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(shè)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(shè)備磨損失效的主要原因，其中，金屬顆粒物對設(shè)備的損壞起著更為關(guān)鍵的作用。因此，對油液中金屬顆粒的監(jiān)測是減少機械設(shè)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(shù)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(lǐng)域已逐漸被在線監(jiān)測技術(shù)所替代[1-2]。在線監(jiān)測技術(shù)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(shù)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(shù)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(shè)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(shè)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?，順磁性和抗磁性材料的磁化率都很小，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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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。可以看出，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(shù)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(shù)、車輛故障診斷技術(shù)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