一種基于微流體制備的電阻-電感式磨粒傳感器

史皓天 張洪朋 謝雨財 孫玉清

大連海事大學輪機工程學院，大連，116026

0 引言

油液磨粒監測是實現機械健康評估、狀態預警、故障診斷的有效方法。根據油液中金屬磨粒的材質及特征，可以分析判斷設備零件的磨損程度、類型和位置[1-2]。根據時效性，油液磨粒監測技術主要分為離線檢測和在線檢測。離線油液檢測技術主要包括鐵譜分析、光譜分析、掃描電鏡以及油品理化分析等方法[3-6]。在線油液檢測技術主要有光學、聲學、電容、電感等檢測方法[7-10]。其中，光學檢測、聲學檢測、電容檢測易受油液中其他雜質的干擾，造成對金屬磨粒的誤計數，且無法區分金屬磨粒的屬性。而電感檢測法是一種無損測量方式，不但可區分金屬磨粒屬性，而且檢測結果不受油液透光性、pH值、油溫、雜質影響，抗干擾能力強。隨著對機械設備健康監測的需求越來越多，電感式磨粒檢測技術得以快速發展，當前已廣泛應用于航空發動機軸承、船用液壓設備、風電齒輪箱等旋轉往復設備的狀態監測領域。

近三十年，研究人員基于螺線管線圈和平面線圈設計了各種結構的電感式傳感器，并通過優化電路、增強磁場及信號處理分析等方法來提高傳感器的檢測精度。XIE等[11]提出了一種采用兩級濾波電路的橋式電感傳感器，以此增強檢測單元對金屬磨粒所產生的磁場擾動的響應，消除來自環境和測量系統的噪聲干擾，從而提高傳感器的分辨率。DU等[12]通過在線圈外部添加電容的方式，形成具有唯一諧振頻率的并聯電感-電容諧振電路，從而放大金屬磨粒引起的阻抗變化，提高檢測結果的信噪比。史皓天等[13]通過在平面電感線圈一側設置條形硅鋼片的方式增強檢測區域的磁場，從而提高電感檢測的精度。蕭紅等[14]設計了一種具有多個高梯度靜磁場的電感式磨粒傳感器，在提高檢測靈敏度的同時還可有效擴大檢測范圍。LI等[15]研究了一種基于小波域的磨粒特征提取技術，避免了收縮方法中存在的去噪過度和去噪不足的問題，提取高質量的磨粒特征。LIU等[16]介紹了一種基于多相關窗的油液磨粒檢測方法，提高了傳感器對變速度磨粒檢測的靈敏度和適應性。

線圈產生的磁場分布并不均勻，從而導致同一金屬碎片在不同位置產生的信號不一致。對于大尺寸的線圈，這種現象更為顯著，嚴重影響了傳感器檢測結果的穩定性。為此，研究人員開發了基于微加工技術的微電感傳感器，用于一些高精密機械系統的健康檢測。DU等[17]在毛細玻璃管上方繞制平面電感線圈，設計了一種可實現顆粒計數功能的磨粒傳感器。然而，任何具有壁厚的管道都會減少對線圈內孔區域的利用。因此，本團隊提出了一種基于微流控技術的澆筑方法來制造電感式磨粒傳感器[18]，理論上使得線圈與金屬磨粒之間的距離為0。但此類微電感傳感器也面臨著檢測通量不足的問題，可通過集成具有多檢測單元和多檢測通道的傳感陣列來提高檢測效率[19]。

受檢測原理的限制，電感式磨粒傳感器對非鐵磁性金屬磨粒的檢測能力相對較弱，影響了傳感器的綜合測量性能。本文提出了一種基于微流體技術的電阻-電感式磨粒傳感器，采用電感參數實現金屬磨粒屬性的區分，并通過檢測線圈等效電阻的方式提高了對非鐵磁性金屬磨粒的檢測能力?；陔娮韬碗姼袡z測結果可實現金屬磨粒的高靈敏度檢測區分，從而獲取更為詳細準確的磨粒信息。通過仿真獲取了金屬磨粒時諧磁場中的磁化和渦流效應，并通過實驗研究了電傳感器的頻率特性和電壓特性。

1 傳感器設計

采用模鑄法來加工磨粒微傳感器，如圖1所示。傳感器選用了130匝(3層)的螺線管線圈，線圈內孔直徑為500 μm，具體結構參數如圖1b所示。將通道模具(直徑500 μm的銅桿)、通道入口模具、通道出口模具、螺線管線圈按設計位置固定。選用透明的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為傳感器基體澆筑材料，以便實時地在顯微鏡下觀察磨粒。完成基體澆筑后移除模具，即可獲得直徑500 μm的檢測通道、錐形通道入口和出口。

(a)傳感器整體結構

(b)測量單元結構(mm)圖1 磨粒傳感器結構設計Fig.1 Structure design of debris sensor

2 理論分析

施加有交流電激勵的線圈會產生時諧磁場，而處于磁場中的金屬顆粒會同時產生渦流效應和磁化效應。金屬顆粒內部產生的渦流磁場和磁化磁場相互抵消，導致線圈整體磁通量發生變化。采用COMSOL仿真軟件獲取了直徑200 μm球形金屬顆粒在線圈中心位置時的磁化和渦流特征。下文給出的金屬顆粒尺寸均為直徑。所構建的線圈仿真模型的結構參數與傳感器所采用的線圈一致，添加的激勵為2.0 V、2.0 MHz。

圖2 200 μm球形銅顆粒在磁場中的磁化及渦流效應Fig.2 Magnetization and eddy current effects of 200 μmspherical copper particle in magnetic field

200 μm銅顆粒在線圈中所導致的磁場分布如圖2所示。在顆粒軸向，渦流磁場強于磁化磁場，因此越接近銅顆粒中心磁通密度模越小，最小為2.6×103μT；在顆粒徑向，接近銅顆粒徑向表面處的磁化磁場強于渦流磁場，磁通密度模最大時約為4.4×103μT。銅的相對磁導率約為1，它受到的磁化作用相對較弱?？傮w而言，時諧磁場中非鐵磁性金屬磨粒的渦流效應強于磁化效應，將削弱線圈周圍產生的原有磁場，減小線圈的電感值。

200 μm鐵顆粒在線圈中所導致的磁場分布如圖3所示。受趨膚效應和退磁場影響，鐵顆粒表面的磁通密度模最強，可達1.05×104μT，而越靠近鐵顆粒中心，磁通密度模越小，最小約0.2 μT。在顆粒軸向，鐵顆粒外部的磁化場越靠近顆粒表面磁通密度模越大。在顆粒徑向，粒子內外部的磁場抵消，導致顆粒-空氣臨界的磁通密度模急劇下降到0.2 μT。而鐵磁性物質的磁導率很高，受磁化作用顯著。總體而言，時諧磁場中的鐵磁性金屬磨粒的磁化效應遠強于渦流效應，將增強線圈周圍產生的原有磁場，增加線圈的電感值。

圖3 200 μm球形鐵顆粒在磁場中的磁化及渦流效應Fig.3 Magnetization and eddy current effects of 200 μmspherical iron particle in magnetic field

此外，金屬顆粒內部產生的電渦流會打破線圈趨膚效應和鄰近效應的平衡，改變線圈的交流電阻，產生電阻脈沖，并且金屬的電導率影響其電阻檢測效果。20 ℃時，鐵的電導率為9.93×106S/m，銅的電導率為5.71×107S/m，表明電阻參數對銅的檢測靈敏度更高。

(1)

(2)

式中，ω為交流激勵角頻率；N為線圈匝數；b為線圈厚度；h為線圈高度；Vc為線圈體積；I為線圈電流；ΔA為金屬顆粒所引起的磁矢勢變化；v為金屬顆粒體積；Bp為顆粒中心位置處的磁感應強度；r為線圈的位置矢量；rp為顆粒中心的位置矢量；χa為金屬顆粒的磁化系數，與金屬顆粒的材質、體積、形狀以及線圈所施加的激勵有關。

金屬顆粒導致的線圈電感變化ΔL和電阻變化ΔR分別為線圈阻抗變化的虛部和實部：

(3)

(4)

鐵磁性金屬磨粒會產生正向的電感脈沖和電阻脈沖，非鐵磁性金屬磨粒可產生負向的電感脈沖和正向的電阻脈沖。根據金屬磨粒的信號特征可實現金屬磨粒屬性區分和尺寸的高精度識別。

3 測量實驗與結果

3.1 測試系統搭建

圖4所示為搭建的傳感器測試系統。樣品油液中混合有不同尺寸和材質的金屬磨粒。注射泵將油樣驅動通過傳感器，最終流入儲油池中。阻抗分析儀為螺線管線圈提供交流激勵，并實時監測阻抗變化。顯微鏡用于觀察通過檢測區域的磨粒材質，并測量其尺寸。

圖4 傳感器測試系統Fig.4 Sensor test system

3.2 頻率特性實驗

激勵頻率影響著線圈檢測結果，在顯微鏡下測量選取146 μm銅顆粒和195 μm鐵顆粒來探究傳感器的頻率特性。將阻抗分析儀的參數設置為2.0 V，頻率變化范圍為0.1～2.0 MHz (變化步長為0.1 MHz)。由于電阻電感檢測結果受垂直于磁場的顆粒截面積影響，為保證檢測結果的準確性，可調整注射方向使得顆粒多次通過螺線管線圈，通過求平均值的方式來減小誤差。注射泵的流量表征磨粒通過檢測區域的速度，流量過大會削弱檢測靈敏度，流量過小會降低檢測效率。根據文獻[21]，將注射泵的流量設為100 μL/min以保證傳感器的綜合性能。

圖5所示為不同頻率下金屬顆粒產生的電感脈沖幅值、電阻脈沖幅值的變化曲線。圖6所示為不同頻率下的信號噪聲。146 μm銅顆粒在0.5～2.0 MHz的頻率范圍內具有可識別的電感脈沖，在0.1～2.0 MHz的頻率范圍內具有可識別的電阻脈沖。146 μm銅顆粒的電感和電阻脈沖幅值都隨頻率的增大而增大，且在2.0 MHz時具有最大的電感和電阻信噪比。高信噪比意味著更好的檢測效果，因此檢測非鐵磁性金屬時選用高頻激勵有利于獲取更高的精度。195 μm鐵顆粒在0.1～2.0 MHz的頻率范圍內具有可識別的電感檢測結果，在0.2～2.0 MHz的頻率范圍內具有可識別的電阻脈沖。195 μm鐵顆粒的電感脈沖幅值隨頻率的增大而減小，電阻脈沖幅值隨頻率的增大而增大。電感噪聲隨激勵頻率呈階梯狀變化，195 μm鐵顆粒的電感信噪比也呈階梯狀變化，其值均在100以上。因此選擇1.2～2.0 MHz的激勵頻率檢測較小的鐵顆粒比較好，在1.2 MHz時具有最高的電感信噪比。鐵顆粒的電阻信噪比隨頻率的增大而增大，在2.0 MHz時具有最高的電阻信噪比。

(a)146 μm銅顆粒

(b)195 μm鐵顆粒圖5 金屬顆粒脈沖幅值隨激勵頻率的變化曲線Fig.5 The variation curve of metal particle pulseamplitude with excitation frequency

圖6 信號噪聲隨激勵頻率的變化曲線Fig.6 The variation curve of signal noise withexcitation frequency

金屬顆粒的電阻脈沖幅值隨頻率的增大而增大，非鐵磁性金屬顆粒的電感脈沖幅值隨頻率的增大而增大，鐵磁性金屬顆粒的電感脈沖幅值隨頻率的增大而減小。在較高激勵頻率下，渦流效應增強并導致較大的電阻電感變化。圖7、圖8所示為146 μm銅顆粒和195 μm鐵顆粒在1.0 MHz和2.0 MHz時的檢測信號。

(a)146 μm銅顆粒

(b)195 μm鐵顆粒圖7 采用1.0 MHz，2.0 V激勵時金屬顆粒的檢測結果Fig.7 Detection results of metal particles at1.0 MHz, 2.0 V excitation

(a)146 μm銅顆粒

(b)195 μm鐵顆粒圖8 采用2.0 MHz，2.0 V激勵時金屬顆粒的檢測結果Fig.8 Detection results of metal particles at 2.0 MHz, 2.0 V excitation

3.3 電壓特性實驗

(a)146 μm銅顆粒

(b)195 μm鐵顆粒圖9 金屬顆粒脈沖幅值隨激勵電壓的變化曲線Fig.9 The variation curve of metal particle pulseamplitude with excitation voltage

圖10 信號噪聲隨激勵電壓的變化曲線Fig.10 The variation curve of signal noise withexcitation voltage

為研究激勵電壓對傳感器檢測結果的影響，仍選用146 μm銅顆粒和195 μm鐵顆粒在不同的激勵電壓下進行檢測，獲取該傳感器的電壓特性。阻抗分析儀的參數為2.0 MHz，電壓在0.25～2.0 V之間 (變化步長為0.25 V)。圖9所示為不同電壓下金屬顆粒的電感幅值及電阻幅值。146 μm銅顆粒的電感幅值在4.831 76×10-10～4.979 55×10-10H范圍內波動，電阻幅值在17.82～18.11 mΩ范圍內波動。195 μm鐵顆粒的電感幅值在2.746 32×10-8～2.777 12×10-8H范圍內波動，電阻幅值在5.71～6.06 mΩ范圍內波動。激勵電壓對電感-電阻檢測結果的影響不大，檢測到的電阻電感變化量在一定數值范圍內波動。圖10所示為不同電壓下的信號噪聲。在0.25 V時，電感噪聲和電阻噪聲都最大(電感噪聲6.0×10-11H，電阻噪聲0.75 mΩ)。2.0 V時電感噪聲和電阻噪聲都最小(電感噪聲4.0×10-11H，電阻噪聲0.33 mΩ)。2.0 V時具有最優的電感和電阻信噪比，有利于微弱脈沖的識別。圖11所示為146 μm銅顆粒和195 μm鐵顆粒在1.0 V和2.0 MHz時的檢測信號。

(a)146 μm銅顆粒

(b)195 μm鐵顆粒圖11 采用2.0 MHz，1.0 V激勵時金屬顆粒的檢測結果Fig.11 Detection results of metal particles at 2.0 MHz, 1.0 V excitation

3.4 檢測下限實驗

頻率特性和電壓特性的研究結果表明，激勵設置為2.0 V、2.0 MHz時，對銅顆粒具有最優的檢測效果，對鐵顆粒具有最優的電阻檢測效果；激勵設置為2 V、1.2 MHz時，對鐵顆粒具有最優的電感檢測效果。由于檢測原理的限制(鐵磁性顆粒的磁化效應產生的磁場遠強于相同尺寸非鐵磁性顆粒的渦流效應產生的磁場)，傳感器對非鐵磁性金屬磨粒的檢測能力較弱。此外，相比非鐵磁性金屬磨粒，激勵頻率對鐵磁性金屬磨粒的影響較小。為提高傳感器對金屬磨粒的綜合檢測能力，可將激勵設置為2.0 V、2.0 MHz來獲取傳感器對金屬磨粒的檢測下限。

(a)60 μm銅顆粒

(b)120 μm鐵顆粒圖12 電阻參數檢測下限Fig.12 Detection floor level of resistance parameter

(a)90 μm銅顆粒

(b)16 μm鐵顆粒圖13 電感參數檢測下限Fig.13 Detection floor level of inductance parameter

研究了電感參數和電阻參數對鐵磨粒和銅磨粒的檢測下限，電感參數可有效識別90 μm銅顆粒和16 μm鐵顆粒，電阻檢測可有效識別60 μm銅顆粒和120 μm鐵顆粒產生的電阻變化。如圖12所示，60 μm銅顆粒的電阻脈沖幅值為0.72 mΩ，但它產生的電感脈沖淹沒于電感噪聲中無法識別；120 μm鐵顆粒的電阻脈沖幅值為0.96 mΩ，它產生的電感脈沖幅值為7.9×10-9H。如圖13所示，90 μm銅顆粒的電感脈沖幅值為4.4×10-11H，它產生的電阻脈沖幅值為2.55 mΩ；16 μm鐵顆粒的電感脈沖幅值為6.3×10-11H，但它產生的電阻脈沖淹沒于電阻噪聲中無法識別。

如圖14所示，不同尺寸范圍的鐵顆粒和銅顆粒具有不同的信號特征，可根據電感和電阻信號特征實現對顆粒的準確區分。16～120 μm的鐵顆粒具有正向的電感脈沖和不可識別的電阻脈沖，其尺寸可直接由電感脈沖幅值判斷。60～90 μm的銅顆粒具有正向的電阻脈沖和不可識別的電感脈沖，其尺寸可直接由電阻脈沖幅值判斷。大于120 μm的鐵顆粒具有正向的電感和電阻脈沖，大于90 μm的鐵顆粒具有負向的電感脈沖和正向的電阻脈沖，可結合兩種參數更準確地判斷磨粒尺寸，從而證明了電感參數對鐵磁性金屬的檢測能力強，電阻參數對非鐵磁性金屬的檢測能力強。另外，電阻參數的引入可將傳感器對銅顆粒的檢測下限由90 μm降至60 μm，實現了更小尺寸的非鐵磁性金屬磨粒的區分檢測。

圖14 基于電感和電阻信號特征的顆粒判斷方法Fig.14 Particle judgment method based on inductanceand resistance signal characteristics

4 結論

本文設計了一種基于微流體技術的磨粒傳感器，該傳感器不僅可檢測線圈的電感參數，同時也可檢測線圈的電阻參數。采用COMSOL仿真軟件研究了鐵磁性金屬和非鐵磁性金屬在時諧磁場中的磁化效應及渦流效應特征，并通過實驗研究了電阻電感檢測的頻率特性和電壓特性。結果表明，高頻激勵有利于增強非鐵磁性金屬的電阻電感響應和鐵磁性金屬的電阻響應，但會削弱鐵磁性金屬的電感響應。同時信號噪聲也會隨頻率的增大而減小，有利于微弱信號的識別。激勵電壓對傳感器檢測結果的影響不大，但在2.0 V時具有最優的信噪比。在2.0 V、2.0 MHz的激勵下，電感參數檢測可識別90 μm銅顆粒和16 μm鐵顆粒，電阻參數檢測可識別60 μm銅顆粒和120 μm鐵顆粒，通過比較分析電阻電感檢測結果可檢測更小尺寸的非鐵磁性金屬磨粒。這種電阻-電感式磨粒微傳感器可提高對非鐵磁性金屬磨粒的檢測能力，增強了傳感器的綜合測量性能。在后續研究中可通過使用外部放大電路和噪聲屏蔽技術放大測量信號，以提高傳感器的靈敏度。