基于平面線圈的油液磨粒監測傳感器設計?

郭翠娟，馬雪皓，榮 鋒，徐 偉

(1.天津工業大學電子與信息工程學院，天津300387；2.天津市光電檢測技術與系統重點實驗室，天津300387)

潤滑油中的磨粒大小和含量是衡量旋轉機械磨損狀態的重要指標[1]。因為轉子的制造工藝和制造材料決定了產生磨粒既有鐵磁性顆粒也有非鐵磁性顆粒，所以對磨粒的監測不僅需要測量磨粒的大小還要判斷磨粒的極性。磨損微粒分析的監測技術主要有鐵譜、光譜、電磁、顆粒計數及磁塞等，但多數屬于實驗室離線測量，不能快速、連續進行檢測和及時反映機器運行狀態[2]。基于電感式傳感器的油液磨粒在線監測技術不僅具有較高的可靠性，而且能判斷磨粒極性不受氣泡等環境干擾，成為未來油液磨粒在線監測技術的發展方向之一[3]。

基于微流體技術的磨粒傳感器和螺線管纏繞式傳感器是電感式磨粒監測傳感器最重要的兩種模型。微流體磨粒傳感器的油液管道直徑僅有300 μm，可以分辨 50 μm 鐵磨粒和 75 μm 銅磨粒[4]，顯著提高了線圈探測最小磨粒的能力。但是過小的管道限制了油液的流量以及忽視了大磨粒的堵塞問題。螺線管式的磨粒傳感器一般采用毫米甚至厘米級的管道，管道直徑越大，傳感器檢測小磨粒的能力越弱。而且螺線管傳感器的線圈中部范圍為非均勻場，且呈非線性變化[5]。雖然改變傳感器線圈的繞線方式可以提高傳感器的精度，降低系統噪聲和減小誤差，但是在提高磁場均勻性，降低磨粒運動誤差方面仍存在缺陷[6－7]。

電感式磨粒監測傳感器的基本原理是傳感器線圈產生磁場，磨粒穿過磁場時改變磁場分布和磁感應強度，從而改變線圈的阻抗和電感等特性[8]。無論是微流體傳感器還是螺線管型傳感器，線圈在感應區的磁場均勻性較差，當同一磨粒通過油管橫截面不同位置時引起的電感變化不同，進而導致檢測錯誤[9－11]。為了提高線圈磁場均勻性，彌補磨粒流型變化帶來的誤差，本文設計了一種多線圈結構的在線磨粒監測傳感器。通過仿真驗證該傳感器提高了感應區的磁場均勻性，同時通過實驗測試該傳感器在管徑1 mm時可以測量和分辨100 μm鐵磨粒和100 μm銅磨粒，降低了由于磨粒位置不同導致的電感測量誤差，提高了測量的可靠性。

1 傳感器設計

1.1 傳感器監測原理

傳感器的線圈通上交流電，將在線圈周圍產生磁場。油液管道置于這一磁場中，油管中的金屬磨粒進入磁場后，通過磁化效應和渦流效應改變磁場分布和磁通密度，從而影響線圈的電感變化[12]。影響磁化的主要因素是磁導率，磨粒磁導率越高磁化效應越強。影響渦流效應的主要因素是激勵頻率和磨粒尺寸，高頻率和大尺寸磨粒產生強渦流效應。

鐵磁性磨粒(如鐵)由于磁導率較高，磁化作用遠高于渦流作用。非鐵磁性磨粒(如銅)磁導率較小，渦流效應對電感的變化起主導作用[13]。磁化效應增強了線圈產生的磁場，表現為線圈電感量增加，渦流效應在磨粒周圍產生與原磁場相反的磁場，削弱了原磁場，表現為線圈電感量減小。電感變化量與粒子的體積成正比，變化的極性取決于粒子種類[14]。所以磨粒監測通常等效為傳感器線圈電感特性和磁場強度的監測。

1.2 傳感器結構

圖1顯示了所設計的多線圈組傳感器的幾何形狀，三個線圈組等間距纏繞在油管上，相鄰兩個線圈間距大小等于油液管道半徑。

三個線圈組安匝比為15/7/15，可以使線圈組中心較大部分區域磁場均勻[15]。每個線圈組由三層平面線圈構成，相比于單層平面線圈，它能增強線圈在中心點處的磁場強度[16]。三個線圈以串聯方式工作。

圖1 傳感器的幾何結構

根據畢奧薩伐爾定律，通電線圈在軸線產生磁場強度

磁場源由三部分組成，在檢測區間任意點p(x0，y0，z0)所產生的磁場強度

式中

r1＝(x0－Rcosθ，y0－Rsinθ，z0－R) (3)

r2＝(x0－Rcosθ，y0－Rsinθ，z0) (4)

r3＝(x0－Rcosθ，y0－Rsinθ，z0＋R) (5)

三個平行線圈在油管內部產生同向磁場疊加，

線圈產生的總磁能

線圈同向串聯，所以 I0＝I1＝I2＝I3

所以串聯等效電感

2 仿真

2.1 電磁場分布

傳感器模型使用Comsol有限元分析仿真，三個線圈組緊密繞制，所以用圓盤代替密繞線圈。由于潤滑油的介電常數和空氣接近且對于電磁場影響很小，所以仿真時以空氣域填充油管區域。為了保證三個線圈串聯工作，設置線圈激勵源為電流源激勵，激勵電流100 mA。線圈半徑0.5 mm。線圈在交流激勵信號下軸向截面磁場分布如圖2所示。

圖2 線圈截面磁場分布

當粒度100 μm的鐵粒子和銅粒子分別放在傳感器幾何中心時，傳感器沿徑向坐標軸截線的磁場分布如圖3所示。

圖3 鐵磨粒和銅磨粒對磁場影響圖

從圖中可知，鐵磨粒使周圍磁場增強，銅磨粒使周圍磁場減弱。圖3(a)中在坐標中心的磁場強度發生突變，且低于無磨粒時的磁場強度。這是由于鐵磨粒在兆赫茲下的透入深度不超過11 μm，當磨粒半徑遠大于透入深度時，根據電磁屏蔽的原理，磨粒內部磁場強度減弱。

2.2 傳感器激勵頻率

線圈的激勵頻率不但對于油液中磨粒的渦流效應和趨膚效應有影響，而且是決定線圈品質因數的關鍵參數。分別將粒度150 μm鐵磨粒和銅磨粒放置在線圈中心位置，改變激勵頻率，測得線圈的電感變化率如圖4所示。隨著頻率增加，鐵磨粒對電感改變量減小，銅磨粒對電感改變量增加。適當提高激勵頻率能提高傳感器對銅磨粒的檢測能力。但是頻率過高會使線圈品質因數下降，功耗增大。為了同時保持線圈靈敏度和高品質因數，后續分析中激勵頻率選擇4 MHz。

圖4 電感變化量與頻率關系

2.3 磨粒粒度研究

保持線圈激勵源0.1 A～4 MHz，改變磨粒粒度大小，測量線圈電感變化率，得到電感隨磨粒粒度大小變化關系如圖5所示。從圖中可以看出粒度越大，電感變化越明顯，且傳感器對粒度100 μm以上的鐵磨粒和170 μm以上的銅磨粒有良好的響應。

圖5 磨粒粒度和電感變化率關系

圖6 磁通密度圖

2.4 磨粒位置對傳感器性能影響

在激勵信號下，線圈徑向坐標軸截線和軸向坐標軸截線的磁通密度如圖6所示。在管道徑向－0.30 mm～0.30 mm范圍和軸向－0.1 mm～0.1 mm磁場變化率低于1%，所以管道徑向60%區域可視為均勻場。

為了研究磨粒位置與電感變化的關系，設置磨粒位置為全局變量，求解中增加參數掃描，掃描步進0.05 mm，測量同一磨粒在不同位置的電感變化。圖7顯示了磨粒在徑向不同位置時電感的變化。150 μm鐵磨粒在管道徑向引起的電感變化率在0.030%～0.045%之間，150 μm銅磨粒在徑向引起的電感變化為0.005%。

由圖6徑向磁通密度變化曲線可知，疊加磁場的場強在徑向－0.23 mm和0.35 mm位置急劇變化，且變化率遠高于其他位置。所以磨粒在這兩點附近的電感變化率高于其他位置，造成較大的測量誤差，且當磨粒在0.35 mm時達到最大誤差24%。徑向位置變化的平均電感變化率為0.039%，平均誤差5%。

圖7 徑向位置電感變化

3 實驗分析

3.1 傳感器實測

首先采用0.07 mm漆包線在內直徑1 mm，壁厚0.2 mm～0.3 mm的玻璃管手動繞制線圈。三個線圈的匝數為15/7/15，線圈中心間距0.75 mm，其中左右兩個線圈寬約0.17 mm，厚度0.6 mm，中心線圈單層繞制，厚度0.5 mm。然后將不同粒度的磨粒分別放入直徑0.3 mm的毛細玻璃管一端，并在電子顯微鏡下觀察確保只有單個粒子存在。最后根據仿真結果，設置LCR儀(固緯，LCR8110G)的激勵信號電壓1 V，頻率4 MHz，并將LCR儀探頭和傳感器連接，測量傳感器電感值。測量示意圖如圖8所示。

3.2 實驗結果

首先將粒度 75 μm、100 μm、150 μm 的鐵磨粒或銅磨粒分別放置圖8中的毛細玻璃管一端，然后使毛細玻璃管內的磨粒在傳感器測量區的軸線上通過，記錄電感的最大值作為實際測量值。為減小測量誤差，每組實驗測量5次求均值，測量結果如表1所示。

圖8 傳感器測量圖

表1 傳感器的電感變化量

從表中可以看出，75 μm的磨粒經過傳感器時，LCR儀測量的電感變化為0，說明傳感器不能檢測低于75 μm的磨粒。100 μm以上的鐵磨粒經過傳感器時電感變化量為正，100 μm以上銅磨粒經過傳感器時電感變化量為負。所以可以根據電感變化量的正負判別磨粒種類，根據變化率的大小判斷粒子尺寸，變化率的絕對值越大，磨粒粒度越大。

選擇150 μm的鐵磨粒和銅磨粒分別放置在毛細玻璃管內，通過改變毛細玻璃管位置測量磨粒位置不同時的電感變化。由仿真結果可知，傳感器的磁場強度在油管中心軸線和管壁位置相差最大，實驗測量磨粒在傳感器中心軸線和管壁位置的電感變化如圖9所示。

圖9 電感變化與位置關系圖

由圖9可知，改進的磨粒監測傳感器測量不同位置的同一鐵磨粒時誤差不超過6.25%，測量不同位置的銅磨粒時誤差不超過1.84%。這和仿真的結果相一致。

4 結論

針對油管直徑增大時磨粒傳感器感應區不均勻導致較大誤差的問題，設計了一種新型的磨粒監測傳感器。建立了傳感器的三維模型，通過有限元仿真，分析了傳感器產生磁場的均勻性以及傳感器測量磨粒的性能。通過實驗證明了設計的磨粒傳感器具有檢測100 μm鐵磨粒和100 μm銅磨粒的能力。仿真和實驗結果表明，設計的管徑1mm的傳感器不僅能測量和分辨100μm磨粒，而且還提高了磨粒感應區磁場均勻性，降低了由于磨粒位置不同導致的測量誤差。