電渦流式油液磨粒監測傳感器的研究

(桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004)

在高速旋轉的機械中，軸承和齒輪容易產生金屬磨粒，潤滑油在長期使用后，污染物會逐漸增多，循環潤滑系統的故障中，70%～80%是由污染物引起的，其中固體顆粒物對機械的危害最大[1]。油液監測技術就是通過對設備在用潤滑油的理化性能指標、磨損金屬和污染雜質顆粒的定期跟蹤監測，及時掌握設備的潤滑和磨損狀態信息，診斷設備磨損故障的類型、部位和原因，為設備維修提供科學依據，從而防止機械設備重大事故的發生，降低維護成本。

在國外，油液在線監測產品已經得到了廣泛的推廣與應用，技術日益成熟，各類油液檢測產品層出不窮,油液在線監測產品在各類戰機、軍艦、民用機器設備中廣泛應用，取得了良好的經濟效益和安全效益。具有代表性的有加拿大Gastops公司生產的MetalSCAN金屬磨粒傳感器[2]及美國Foxboro公司研制的應用于958PF型在線鐵譜儀[3]。而國內，油液金屬磨粒在線監測傳感器的研究相對較少，有待深入研究發展。較有影響力的有：南京航空航天大學利用電荷效應制作了相關的油液分析傳感器，但電荷效應傳感器制作工藝要求較高，而且油液金屬磨粒攜帶的電荷量十分微弱，需要運用信號的調制與解調技術，所以傳感器監測電路復雜，信號處理困難[4-5]；沈陽理工大學設計的電感型傳感器，測量誤差較大，難以達到應用需求[6]；由航空工業北京長城航空測控技術研究所[7-8]研制的螺旋管式電感型傳感器，測量精度高，已經成功投入工程使用，但是體積較大。為此，本文提出一種基于電渦流式PCB平面線圈傳感器。該傳感器具有結構簡單、靈敏度高、線性范圍大、抗干擾能力強、非接觸測量、成本低等特點，為微型傳感器加入油液磨粒監測技術提供一種可行的方法。

1 電渦流式傳感器的理論基礎與設計

1.1 檢測原理

往 PCB 線圈中通入交變電流，線圈周圍產生交變電磁場，如果有鐵磁性導體進入電磁場，導體則產生渦流。渦流產生的反向磁場跟線圈耦合在一起，就像是有另一個次級線圈存在一樣。PCB線圈作為初級線圈，渦流效應作為次級線圈，形成了一個變壓器。由于變壓器的互感作用，在初級線圈上便可以檢測到次級線圈的參數。其原理如圖1所示。

圖1 檢測原理示意圖

圖1中,L(s)為初級線圈電感值；R(s)為初級線圈的寄生電阻；L(d)為互感值；R(d)為互感的寄生電阻，與到金屬板的距離d有直接的關系。交變電流如果只加在電感上(初級線圈)，則在產生交變磁場的同時也會消耗大量的能量。這時將一個電容并聯在電感上，由于并聯諧振作用能量損耗大大減小，只會損耗在R(s)和R(d)上，使得測量難度降低。

1.2 工作線圈的設計

電感形狀是電感器的一個重要特征，它決定所產生的磁場的分布。其中圓形螺旋線圈是最佳的形狀，因為它產生的磁場比其他形狀更對稱，而且結合L-C模型的R(s)考慮，圓形傳感器能使R(s)最低并得到最佳的品質因素Q，同時降低集膚效應的影響。線圈結構圖如圖2所示。

圖2 線圈結構圖

計算圓形線圈的總電感有：

(1)

(2)

式中，K1和K2為基于電感器形狀的幾何相關系數；μ0為自由空間滲透性，其值為4π×107；din為線圈內徑；dout為線圈外徑；n為電感器圈數；davg為平均匝數，其值為(dout+din)/2；ρ為電感器的填充率；Ci(i=1,2,3,4)為基于幾何結構的布局因素[9]。

計算當直徑最大且匝數最大時的線圈電感，發現單層的PCB螺旋電感整體電感值依然太小，于是增加多層PCB螺旋電感以增大整體的電感值。對于雙層線圈，線圈的總電感計算公式為

L=L1+L2+2M

(3)

式中，L1為線圈1的電感值；L2為線圈2的電感值；M為兩線圈的互感值。

在雙層PCB線圈設計中，上下兩層線圈的旋轉方向至關重要，如果頂層逆時針方向，則底層應為順時針方向，以保證電流方向的一致，達到增加電感的目的。由于總電感值和匝數成正比，調整匝數能有效地改變總電感值。當din相對于dout變小，davg減小，電感值減少。為了得到較高的Q，應保持din/dout>0.3。當測量目標非常接近傳感器時，din過小不會顯著增加電感，反而增加R(s)并降低整體測量精度[10]。

2 平面線圈式傳感器的電磁仿真

根據上述傳感器磁場的理論分析，電感的計算公式復雜，難以形象地表示出被測目標的電磁分布情況。故采用電磁仿真軟件Maxwell[11-12]對檢測目標進行電磁仿真，將檢測目標簡化為一個薄圓盤。由于線圈的匝數、磨粒與線圈的距離和激勵源等參數都會影響到傳感器的靈敏度和線性度，改變匝數、距離和激勵源頻率得到在各參數影響下的電阻損耗，當線圈匝數為25圈，激勵頻率為1.3 MHz時電阻損耗較明顯。其仿真結果的電磁分布圖如圖3所示。從電阻損耗分布可以看出，電阻損耗從線圈中心到線圈邊緣遞減，線圈的電阻損耗主要集中在線圈中部，因此在實際測量中應盡量利用線圈中部，以達到最佳的測量效果。

圖3 平面線圈電阻損耗分布

3 傳感器測量電路及處理電路的設計

3.1 電橋電路

測量轉換電路使用電橋法[13]，將傳感器線圈的阻抗變化轉換為電壓或電流變化。傳感器的PCB線圈作為電橋的兩個橋臂，一個用于測量，另一個用于消除溫度的影響。當傳感器阻抗變化時，電橋失去平衡，對電橋輸出的信號進行線性放大檢波得到包含測量目標的電信號。

傳感器是由電感器L和電容器C并聯形成L-C振蕩電路作為電橋的橋臂，電感和電容的值決定了振蕩器器的頻率，頻率f可由式(4)計算得出。

(4)

當得到合適的線圈，通過計算得到其電感值，搭配合適的電容，便能計算出振蕩器所需的頻率，得到最佳的測量效果。

3.2 正弦信號發生器電路設計

為保證激勵信號的可調性及穩定性，需設計正弦發生器電路。如圖4所示，本設計采用Max038芯片作為正弦信號發生器主電路。該發生器能產生方波、三角波、正弦波信號，其輸出頻率由圖4中電阻Rin1和電容Cf1決定。

圖4 正弦信號發生器主電路

由于該芯片輸出電壓峰峰值Vp-p=2 V，驅動負載為100 Ω，為了提高其負載能力，增大輸出電壓幅值，本設計采用單運放OPA604進行電壓放大和BUF634進行功率放大處理，具體電路如圖5所示。BUF634 輸出電流可達250 mA,且帶寬大，完全滿足本設計要求。

3.3 全波檢波電路設計

由于全波檢波電路結構簡單，輸出電壓幅值調節電阻值進行倍數放大。采用全波檢波電路整流。該電路主要由半波檢波器和加法運算放大器電路組成,如圖6所示。

其檢波過程如下:當處于正半周期時，運放A1輸出負電壓，D1、D2均導通。輸出電壓Vo=Vi；反之，D2截止，D1導通，輸出電壓Vo=-(R5/R3)·Vi。其中運算放大器采用具有轉換精度高、低溫漂運放OP37。其輸出信號負半周期翻轉，達到了檢波目的。

圖5 放大電路

圖6 全波檢波電路

3.4 低通濾波器電路設計

信號經過全波檢波后，需要將載波信號的高頻信號除去，讓低頻直流信號通過，需設計低通濾波器。由于低通濾波器設計及計算過于復雜,所以采用TI公司的FilterPro Desktop軟件進行設計，濾波器通頻為500 Hz，截止頻率為2 kHz，通帶增益為2。在軟件中輸入以上參數，自動可生成濾波器電路結構。本設計為Sallen-key型濾波器結構，由兩個二階低通濾波器組成。經過仿真得濾波器的輸出為兩路直流信號，結果比較理想。

3.5 差分放大器電路設計

兩路信號經過檢波濾波后等到兩路直流電壓信號，將這兩路直流信號進行差分放大處理。通過精密儀表放大芯片INA114進行差分放大。由上述傳感器檢測電路的設計，初步實現了電橋轉換電路、檢波濾波電路。最終得到兩路直流電壓信號。將其中測量橋路在某一瞬時時刻通入油液磨粒，輸出結果如圖7所示。發現接近平穩的電壓信號有一個較大波動，其電壓的平均改變量約為1.9 V。改變幅值較大，實時性較好，響應速度快，從而驗證了上述電路設計的合理性。

圖7 有油液磨粒下電壓信號的變化

4 電渦流式油液檢測傳感器的測試

根據仿真得出的參數以及檢測電路原理，將本油液監測系統制作成實物。其實物圖如圖8和圖9所示。

圖8 傳感器實物圖

圖9 試驗裝置圖

圖8為所采用的平面螺旋線圈，圖9為測試系統硬件電路，在圖9中，①和②兩個接口分別接入圖8所示的線圈。

為測試傳感器的靈敏度、線性度及工作可靠性，分別用電子稱稱出1 mg，2 mg，…，10 mg的10份細小鐵磨粒。將10份鐵磨粒分別用潤滑油粘在4.5 cm×6 cm的試紙上用傳感器進行檢測，用萬用表測量電壓值并且記錄傳感器的電感，計算出變化值。得到的質量-電感變化曲線如圖10所示。

圖10 鐵磨粒質量與電感變化量曲線

由圖10可以看出，磨粒的質量越大，近似于磨粒濃度越大，傳感器電感的改變量越大，進而影響輸出電壓，反饋磨粒信息。圖中磨粒質量與電感改變量近似成線性關系，說明傳感器具有良好的線性度。而且由圖可得，傳感器對每毫克鐵磨粒電感改變量為9 nH，測量精度可達9 nH/mg,以此決定了傳感器的靈敏度。

此外，該傳感器的靈敏度還與其激勵源頻率有關。將制備的傳感器接入激勵信號源進行測試，改變激勵源大小，然后將10 mg的鐵磨粒作為檢測對象得到圖11所示的關系曲線。當頻率在10 kHz左右時，該傳感器的靈敏度最大,約為0.1661 V/g。與仿真所得激勵源頻率的誤差較小，且達到最大值后，測量的靈敏度開始減小。顯然測量的準確性與激勵源頻率有關。

圖11 靈敏度與激勵源頻率關系曲線

5 結束語

本文通過 Ansoft Maxwell軟件進行了線圈的電磁仿真，對圓形平面PCB線圈的電磁場仿真結果進行了分析，線圈中心位置磁感應強度較強。通過設定不同的參數值對線圈電阻損耗進行分析，得出了最優的參數值。并且根據最優參數值制作了PCB雙層線圈。此外設計了電橋電路、正弦發生器電路、檢波電路、低通濾波電路、差分放大電路，并研制了該傳感器的檢測電路系統。通過在PCB線圈上添加不同質量的鐵磨粒作為檢測對象，進行了靈敏度測試，發現該傳感器具有良好的線性度及靈敏度，以及體積較小、結構簡單、成本低廉、能進行非接觸測量、實時性好等特性，因此該傳感器在油液監測領域具備較好的應用前景。