電磁式油液金屬磨粒檢測系統(tǒng)研究

左云波，谷玉海，王立勇

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

機械磨損是導(dǎo)致機器異常運轉(zhuǎn)的常見故障。通過檢測存在于潤滑油液中的金屬顆粒信息，能夠反映設(shè)備工作的磨損故障程度，為設(shè)備保養(yǎng)維修提供決策信息。油液金屬顆粒檢測技術(shù)可分為在線式和離線式檢測。在線式檢測分為光學(xué)檢測、電磁檢測、超聲檢測等。光學(xué)檢測通過遮光技術(shù)檢測顆粒，檢測精度高，但是不能區(qū)分金屬性質(zhì)，易受氣泡等因素影響。超聲波檢測精度不高，而且超聲波容易破壞顆粒，造成油品再污染。電磁式具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，且不易受振動、氣泡和其他外部干擾[1-3]。離線檢測需要通過采樣分析，不能全液流檢測，測量結(jié)果滯后。電磁檢測已成為潤滑油在線金屬顆粒檢測的重要研究方向之一。國外研發(fā)的電磁式檢測傳感器有加拿大GasTOPS公司MetalSCAN、美國MACOM公司techalerttm10等。國內(nèi)研究單位包括北京理工大學(xué)、國防科技大學(xué)、北京交通大學(xué)、中國航天科技集團(tuán)等[4-5]。目前國內(nèi)傳感器的檢測穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性與國外同類產(chǎn)品相比有較大差距。

1 差動電磁式金屬磨粒檢測原理

差動電磁式金屬磨粒檢測傳感器主要包括兩個激勵線圈和一個感應(yīng)線圈。正弦信號輸入激勵線圈后產(chǎn)生動態(tài)振蕩磁場，由于兩激勵線圈參數(shù)相同，產(chǎn)生的磁場大小相同，極性相反，磁場在感應(yīng)線圈中點相互抵消。理想狀態(tài)下，沒有金屬顆粒通過螺線管時，感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢為零，當(dāng)有金屬顆粒通過螺線管時，改變了螺線管中心的磁導(dǎo)率，引起磁場變化，使得感應(yīng)電動勢發(fā)生變化。通過檢測感應(yīng)電動勢的變化幅值與相位，可以分析油液金屬顆粒的大小與鐵磁性質(zhì)。

圖1 電磁式磨粒檢測傳感器結(jié)構(gòu)

圖2 感應(yīng)電動勢曲線

金屬顆粒通過時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E計算公式見式（1）。

式中j是復(fù)數(shù)變量，f是激勵電流頻率，I是激勵電流大小。R是線圈外徑，N是激勵線圈圈數(shù)，N0是感應(yīng)線圈圈數(shù)，Ra是磨粒等效半徑，x是以螺線管軸向中點為零點建立坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，μ0是空氣磁導(dǎo)率，μr是磨粒的磁導(dǎo)率。

2 檢測系統(tǒng)框架

金屬磨粒檢測系統(tǒng)主要包括電磁式磨粒檢測傳感器、激勵信號發(fā)生模塊、交流穩(wěn)流模塊、數(shù)字鎖相放大模塊、通信模塊和電源模塊。傳感器包括產(chǎn)生交變磁場的激勵線圈A、激勵線圈B和產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的感應(yīng)線圈。激勵信號發(fā)生模塊輸出正弦振蕩信號，激勵電流輸出到交流穩(wěn)流模塊在輸出至激勵線圈產(chǎn)生兩個極性相反的動態(tài)交變磁場。交流穩(wěn)流模塊同時給數(shù)字鎖相放大模塊提供相同相位的正弦參考脈沖信號。電磁感應(yīng)電流同時輸入數(shù)字鎖相放大模塊，與參考信號作比較，提取指定頻率上的電流信息。信號再經(jīng)過交流放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過通信模塊RS485或者USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）協(xié)議將數(shù)字信息發(fā)送給計算機接收軟件計算顯示。檢測系統(tǒng)電源模塊為各個功能模塊提供各種所需電壓。系統(tǒng)運行框架圖如圖3所示

圖3 檢測系統(tǒng)運行框架

3 系統(tǒng)硬件主要模塊設(shè)計

（1）激勵信號發(fā)生模塊。通過直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）用于產(chǎn)生正弦信號。該方法具有信號快速、相位可控、分辨率高的特點。采用STM32F103單片機進(jìn)行模塊設(shè)計。檢測系統(tǒng)將保存在固化內(nèi)存中的正弦信號數(shù)據(jù)通過內(nèi)置集成DMA（Direct Memory Access，直接內(nèi)存存取）發(fā)送到微控制器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。正弦數(shù)據(jù)值被轉(zhuǎn)換成由定時器設(shè)置的時間頻率輸出的電壓信號。10.6 kHz正弦信號輸出到輸出端子。正弦曲線包含128個數(shù)據(jù)值。模擬轉(zhuǎn)換頻率是1.365 MHz，定時器的時間間隔為52.74 μs。

（2）交流穩(wěn)流模塊。交流穩(wěn)流模塊為激勵線圈提供（0～33）ma正弦穩(wěn)態(tài)勵磁電流。該模塊利用反饋控制回路的NMOS（NMental -Oxide -Semiconductor，N 型金屬氧化物半導(dǎo)體）實現(xiàn)穩(wěn)定電流控制。激勵線圈是勵磁電路中的一種感性負(fù)載。在激勵線圈兩端采用并聯(lián)諧振電容，電流穩(wěn)定電路的總阻抗為純電阻，產(chǎn)生振蕩電流，線圈激勵頻率為24.68 kHz。

圖4 激勵信號發(fā)生模塊

（3）數(shù)字鎖相放大模塊。數(shù)字鎖相放大模塊實現(xiàn)了對交變電流信號的放大，靈敏地檢測相位，最后檢測微弱的感應(yīng)電壓信號。

圖5 數(shù)字鎖相原理

該模塊設(shè)計與混合信號DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器）微控制器MK60DN512。MK60DN512集成高精度的 16位 ADC（Analog to Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、12位DAC（Data Acquisition Chassis，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）、可編程增益放大器、高速比較器和內(nèi)部參考等。傳感器感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢信號由儀表放大器放大。信號經(jīng)過陷波濾波器后消除工頻干擾，再經(jīng)過抗混疊濾波器，模擬信號輸入到單片機16位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。同步相位參考信號由交流電流調(diào)節(jié)模塊輸出，觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換器完成信號采樣。同時，它觸發(fā)了向量累加器到新的相位位置。采樣的數(shù)字信號乘以由向量累加器所引用的正弦和余弦值，實現(xiàn)數(shù)字鑒相。判別結(jié)果用FIR（Finite Impulse Response，有限脈沖響應(yīng)）低通濾波器進(jìn)行濾波，保留低頻信號。最后，根據(jù)一定的通信協(xié)議，將數(shù)字信號的幅度和相位傳遞給上位機系統(tǒng)。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實驗

圖6 上位機軟件流程

圖7 軟件運行界面

上位機軟件系統(tǒng)主要實現(xiàn)了金屬顆粒數(shù)據(jù)的采集和保存、粒子數(shù)分析以及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等。參數(shù)設(shè)置主要選擇數(shù)據(jù)采集卡的通信串口，設(shè)置通信波特率，設(shè)置軟件工作方式，設(shè)置曲線顯示方式。軟件工作模式分為示波器模式和采集模式。在示波器模式下，軟件只顯示數(shù)據(jù)曲線，不能存儲數(shù)據(jù)。在采集模式下，曲線顯示同時存儲。數(shù)據(jù)存儲在二進(jìn)制文件中，文件名與當(dāng)前時間相關(guān)。啟動采集后，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波。通過尋找信號的峰值和波谷點，比較了峰值與磨粒直徑的關(guān)系及相位關(guān)系，確定粒子數(shù)、直徑和鐵磁性質(zhì)。軟件界面顯示了鐵磁顆粒的累積量、非鐵磁性粒子的數(shù)量和每個粒徑范圍內(nèi)的粒子總數(shù)。存儲二進(jìn)制文件的數(shù)據(jù)可以回看數(shù)據(jù)視圖。通過數(shù)據(jù)導(dǎo)出，存儲的二進(jìn)制文件可以導(dǎo)出到文本文件中查看數(shù)據(jù)和其他分析軟件。

5 結(jié)論

電磁式檢測法是潤滑油液中金屬顆粒在線檢測的一種重要方法。它能快速檢測油液中金屬顆粒的數(shù)量和大小，反映設(shè)備的磨損狀態(tài)。所開發(fā)的油液磨粒檢測系統(tǒng)可為機械設(shè)備磨損狀態(tài)分析、機械故障的診斷和預(yù)警提供研究條件。但是當(dāng)油管直徑和流量增大時，分析顆粒數(shù)量和粒徑的難度增大。