張宏輝，趙天禪，鄭 翔，馬天悅，劉先名

ZHANG Hong-hui1, ZHAO Tian-chan2, ZHENG Xiang3, MA Tian-yue3, LIU Xian-ming3

（1.東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，東莞 523808；2.東莞理工學(xué)院 城市學(xué)院機(jī)電工程系，東莞 523419；3.深圳市亞泰光電技術(shù)有限公司，深圳 518172）

0 引言

在機(jī)械傳動中經(jīng)常會使用到潤滑油，潤滑油好比機(jī)械設(shè)備的血液，而所有摩擦副產(chǎn)生磨損顆粒都會流入潤滑油中，從而使得潤滑油變成了機(jī)械磨損信息的載體，通過監(jiān)測潤滑油的鐵磁性磨粒，根據(jù)鐵磁顆粒的多少、大小進(jìn)行分析可得知機(jī)器的磨損狀況，預(yù)知機(jī)器的運(yùn)行狀況和發(fā)現(xiàn)故障隱患。

目前對潤滑油鐵磨粒的檢測手段很多，比如鐵譜分析、光譜分析、顆粒計數(shù)器等。1）鐵譜分析技術(shù)是利用高梯度的磁場，將油內(nèi)磨屑顆粒與油液及雜質(zhì)分離，并使其按一定規(guī)律，沉積在置于磁場上方的玻璃片上，形成譜片，再利用光學(xué)顯微系統(tǒng)對譜片上的磨屑進(jìn)行大小、形狀、色澤、表面紋理等的觀察，再對磨損類型進(jìn)行鑒別和分類。它的特點是能觀測到磨粒的尺寸、形貌、顏色等，但需要樣品預(yù)處理，檢測周期長，工序流程復(fù)雜，條件要求較高，而且操作人員需要具備一定素質(zhì)及經(jīng)驗，不利于現(xiàn)場進(jìn)行測試。2）光譜分析是利用每個元素都有其特有的原子結(jié)構(gòu)的事實。當(dāng)原子吸收到附加的能量時，其核外電子就會從低能級躍遷到高能級的軌道上去，這時的原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，原子由不穩(wěn)定狀態(tài)返回穩(wěn)定狀態(tài)要釋放一定頻率的電磁波能量，每種元素發(fā)出特有波長的光或顏色。將輻射出的光經(jīng)過色散，得到按波長排列的線光譜，根據(jù)特征譜線有無出現(xiàn)判斷某物質(zhì)是否存在，根據(jù)特征譜線的強(qiáng)弱判斷該物質(zhì)含量的多少。它的特點是可在30秒鐘內(nèi)精確分析出油液中近20種（最多可達(dá)32種）元素的（PPM級）含量，可分析潤滑油和液壓油中的各種磨損金屬元素Fe、Cu、Al、Pb，添加劑元素S、P、Ca、Ba和外界污染元素Si的濃度。但是，它的體積笨重、龐大，檢測費(fèi)用昂貴。3）顆粒計數(shù)器的基本原理是利用用樣流過毛細(xì)管，在毛細(xì)管的一側(cè)裝有激光光源，另一側(cè)裝的有光學(xué)放大系統(tǒng)，和圖像傳感器，當(dāng)油樣有磨粒流過時，磨粒在傳感器上成像，根據(jù)成像的尺寸大小和脈沖次數(shù)便可以獲知磨粒的尺寸的大小和個數(shù)，它的不足之處是不能檢出粒徑的材質(zhì)，潤滑油中往往含有不同的顆粒種類，比如碳粒、油泥和各種氧化物等，而且體積龐大，顆粒計數(shù)器只能識別大小和數(shù)目，不能反應(yīng)鐵磨粒的多少。上述這些方法通常僅僅適合于實驗室分析用。

本文所提出的方法不同于傳統(tǒng)的精密電子天平對周圍環(huán)境以及制取設(shè)備要求極高的檢測手段，而是采用一種基于變壓器原理、不提供閉合磁路、以一個柱形銜鐵（鐵氧體磁芯）為核心的雙次級線圈特殊傳感器，配合高精度采樣保持電路對其進(jìn)行精確放大，從而能達(dá)到快速磨粒計量的目的?；诖嗽沓晒ρ兄瞥鼍哂凶灾髦R產(chǎn)權(quán)的潤滑油鐵磨粒計量分析儀——TTL-3鐵量儀。該儀器不僅操作簡單、自動化程度與性價比高，而且相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到甚至超過國外同行儀器水平。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為TTL-3鐵量儀裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。裝置的主要部件為一個激勵線圈2，激勵線圈2中間為一個磁芯，磁芯采用柱狀鐵芯（鐵芯材料可選用塞鋼等材料），磁芯上纏繞線圈構(gòu)成激勵線圈2，當(dāng)給激勵線圈通入交變電流時，即會產(chǎn)生交變磁場。激勵線圈2兩端等距離處，分別設(shè)有一個線圈，其中一個作為檢測線圈3，另一個作為平衡線圈4，檢測線圈3和平衡線圈4阻抗相等。由于在激勵線圈2的兩端附近，會出現(xiàn)相同分布的發(fā)散磁場，檢測線圈3和平衡線圈4與激勵線圈2同軸排列，且在激勵線圈2兩端等距離的對稱位置上，理論上會感應(yīng)出兩個相等的信號?？拷鼨z測線圈3一端設(shè)有一個測試平面，如果沒有將被測油樣（或被測油樣中鐵磁磨粒含量為零），從測試平面靠近檢測線圈時，兩線圈輸出相等，即差異為零；如將含有鐵磁磨粒的被測油樣靠近檢測線圈時，油樣中存在鐵磁磨粒，由于鐵磁磨粒具有小磁矩的作用，使得磁路和磁場重新建立，達(dá)到一個新的平衡體系，即鐵磁性物質(zhì)導(dǎo)致激勵線圈2靠近檢測線圈3一端的發(fā)散磁場發(fā)生變形，中央磁場增強(qiáng)，這樣就使得檢測線圈3產(chǎn)生的感應(yīng)信號比平衡線圈4產(chǎn)生的感應(yīng)信號要大，從而導(dǎo)致兩個線圈的輸出不平衡，使檢測線圈3和平衡線圈4之間的輸出信號產(chǎn)生差異，經(jīng)過將這個差異信號比較放大、整形和積分等相關(guān)的換算，就可以表征出鐵磨粒的鐵磁性大小，通過對此信號大小的識別，可計算出試樣中的鐵磁性物質(zhì)的含量，即用兩個線圈感應(yīng)信號的差異表征出被檢測樣品鐵磁磨粒含量。由于用兩個線圈感應(yīng)信號的差異表征出被檢測樣品鐵磁磨粒含量的因素較多，比如檢測線圈3和平衡線圈4距離激勵線圈的距離遠(yuǎn)近、激勵線圈的磁場強(qiáng)度、測試平面距離檢測線圈3的遠(yuǎn)近等等，所以，很難形成一個定量的關(guān)系，但是，由于上述因素一旦固定，則潤滑油中的鐵磁性磨粒含量的多少，與檢測線圈3和平衡線圈4感應(yīng)信號的差異的大小即成線性關(guān)系，所以，一個固定檢測裝置初始時，任何一個技術(shù)人員可以通過有限次的實驗確定檢測線圈3和平衡線圈4感應(yīng)信號的差異與鐵磁性磨粒含量之間的函數(shù)關(guān)系。裝置中將主要部件安裝在基座1內(nèi)，形成一個整體的檢測裝置?；?頂部設(shè)有蓋板5，激勵線圈2安裝在蓋板5上，為了使用方便，激勵線圈2豎直設(shè)置，且激勵線圈2通過一個帶缺口的圓環(huán)6固定安裝在蓋板5上。檢測線圈3設(shè)置在蓋板5上方，平衡線圈4設(shè)置在下方，檢測線圈3和平衡線圈4相對于激勵線圈2等距離對稱設(shè)置。蓋板5上方安裝有一個轉(zhuǎn)盤7，轉(zhuǎn)盤7即為測試平面，基座1內(nèi)固定安裝有電機(jī)8，由電機(jī)8帶動轉(zhuǎn)盤7轉(zhuǎn)動。基座1內(nèi)固定安裝有變壓器10，通過變壓器10可將交流市電轉(zhuǎn)換成需要的電壓，給電機(jī)8和其他電路部分供電?；?外側(cè)設(shè)有一個顯示器9，可用于顯示測量數(shù)值，顯示器9可采用數(shù)碼管或液晶顯示屏等。

圖1 TTL-3鐵量儀裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 裝置電路設(shè)計

圖2 TTL-3鐵量儀裝置電路方框圖

圖2 為TTL-3鐵量儀裝置電路方框圖。裝置的電路主要包括振蕩器、傳感器、檢測電橋、采樣保持器、比較器、直流放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)。采用振蕩器產(chǎn)生一個頻率為1kHz～5kHz的正弦信號為磁芯提供激勵信號，使其產(chǎn)生一個交變磁場，然后通過檢測電橋?qū)⒏袘?yīng)線圈和平衡線圈產(chǎn)生的信號輸出給采樣保持器，由采樣保持器將其轉(zhuǎn)換成峰值信號，直流放大器對采樣保持器輸出的峰值信號進(jìn)行比較并輸出，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將直流放大器輸出的直流信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出至單片機(jī)。單片機(jī)驅(qū)動顯示器顯示測量結(jié)果，并控制轉(zhuǎn)盤將油液容器傳送到感應(yīng)線圈處。在正常情況下，即感應(yīng)線圈周圍無鐵磁物質(zhì)時，比較器輸出為零，當(dāng)含有鐵磁磨屑的容器置于感應(yīng)線圈上方時，傳感器兩端輸出不再平衡，此時經(jīng)過采樣保持器輸出的峰值信號也將不再平衡，比較器輸出一與鐵磁磨屑含量成比例的直流信號經(jīng)直流放大器放大后，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號由單片機(jī)進(jìn)行處理并由顯示器顯示結(jié)果。

圖3 振蕩器部分電路原理圖

圖4 檢測電橋部分電路原理圖

圖5 采樣保持電路電路原理圖

圖6 觸發(fā)電路電路原理圖

圖3 為振蕩器部分電路原理圖，振蕩器是由DDS信號發(fā)生器IC4和運(yùn)算放大器IC6A、運(yùn)算放大器IC6B、運(yùn)算放大器IC7A、運(yùn)算放大器IC7B以及功率放大器IC5及外圍電阻電容組成的振蕩電路，振蕩電路產(chǎn)生的正弦波信號的振蕩頻率為1kHz，具體實施時，也可通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)，而改變其振蕩頻率，使其范圍保持在1kHz～5kHz之間。圖4為檢測電橋部分電路原理圖，傳感器采用兩個電感量相等的電磁線圈，其中一個作為檢測線圈La，一個作為平衡線圈Lb，檢測電橋為一個不平衡狀態(tài)的電感電橋，檢測電橋包括串聯(lián)的電阻R23和電阻R33，電阻R23和電阻R33之間串聯(lián)有一個電位器VR1，為第一橋臂，電阻R23和電阻R33采用精密電阻，電位器VR1采用精密多圈電位器。與第一橋臂并聯(lián)有第二橋臂，第二橋臂包括串聯(lián)的電阻R24和電阻R34，電阻R24和電阻R34之間串聯(lián)有一個電位器VR2，電阻R24和電阻R34采用精密電阻，電位器VR2采用精密多圈電位器，電阻R24和電阻R34形成的支路與電阻R23和電阻R33形成的支路并聯(lián)連接成一個回路。這個電路回路通過電位器VR1和電位器VR2的滑動端分成兩部分，兩部分分別與檢測線圈La和連接平衡線圈Lb連接，其中檢測線圈La輸出信號為S-org，平衡線圈Lb輸出信號為B-org。電位器VR2和電阻R34的公共端上，連接有基準(zhǔn)信號Base，電位器VR2和電阻R24 的公共端上，連接有傳感器輸出信號Sense。通過調(diào)節(jié)電位器VR1，可以確保兩個電阻橋臂阻值相等，從而調(diào)節(jié)檢測線圈La和平衡線圈Lb在工作時輸出的信號幅值相等；通過調(diào)節(jié)電位器VR2，可以確保兩個電阻橋臂阻值相等，從而調(diào)節(jié)檢測線圈La和平衡線圈Lb在工作時輸出的信號相位一致。調(diào)幅調(diào)相通過阻抗匹配法使兩個信號回路的初態(tài)相位保持一致，再通過分壓使初態(tài)幅值相等，信號相位調(diào)節(jié)，即能使信號超前/滯后于原始相角；幅值調(diào)節(jié)，即能控制最終信號的輸出大??；相位、幅值獨立調(diào)節(jié)，即信號的相位與幅值調(diào)節(jié)不會相互干擾。圖5為采樣保持電路電路原理圖，采樣保持電路包括采樣保持芯片IC8、采樣保持芯片IC9、采樣保持芯片IC10和采樣保持芯片IC11以及外圍電阻電容構(gòu)成，四個采樣保持芯片相互獨立設(shè)置，分別對檢測線圈La和平衡線圈Lb產(chǎn)生的感應(yīng)信號的正負(fù)峰值進(jìn)行采樣保持。采樣保持芯片均采用型號為LF398的高精度采樣保持芯片。采樣保持電路由觸發(fā)電路控制觸發(fā)角。圖6為觸發(fā)電路電路原理圖，觸發(fā)電路由基準(zhǔn)芯片IC13、運(yùn)算放大器IC14A、運(yùn)算放大器IC12A、運(yùn)算放大器IC12B和電位器VR3、電位器VR4以及外圍電阻電容構(gòu)成，檢測電橋輸出信號與基準(zhǔn)芯片IC13產(chǎn)生的信號通過運(yùn)算放大器IC12A、運(yùn)算放大器IC12B比較后，分別輸出給采樣保持芯片的觸發(fā)端，其中，運(yùn)算放大器IC12A輸出給采樣保持芯片IC8和采樣保持芯片IC9，用于對檢測線圈La和平衡線圈Lb產(chǎn)生的感應(yīng)信號的正峰值信號的保持；運(yùn)算放大器IC12B輸出給采樣保持芯片IC10和采樣保持芯片IC11，用于對檢測線圈La和平衡線圈Lb產(chǎn)生的感應(yīng)信號的負(fù)峰值信號的保持?？赏ㄟ^調(diào)整兩個電位器來調(diào)整觸發(fā)角。圖7為比較器和直流放大器部分電路原理圖，運(yùn)算放大器IC17和運(yùn)算放大器IC18構(gòu)成比較電路，分別對檢測線圈La和平衡線圈Lb產(chǎn)生的感應(yīng)信號進(jìn)行比較，運(yùn)算放大器IC17和運(yùn)算放大器IC18采用型號為INA105的精密增益差分放大器。直流放大器包括運(yùn)算放大器IC15A、運(yùn)算放大器IC15B、運(yùn)算放大器IC14B和數(shù)字電位器IC16以及外圍電容電阻，數(shù)字電位器通過比較電路產(chǎn)生的信號經(jīng)過直流放大器放大后，輸入給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將直流放大器輸出的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入給單片機(jī)進(jìn)行算法處理。

圖7 比較器和直流放大器部分電路原理圖

3 ANALEX PQM/TTL-3鐵量儀對比測試

由廣州分析測試中心澳凱油品檢測實驗室利用英國Kittiwake ANALEX PQM鐵譜指數(shù)儀對十組油樣檢測數(shù)據(jù)與TTL-3鐵量儀測試結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論

1）采用變壓器型的電磁傳感器，通過檢測沉積磨屑引起的空間磁場改變造成電磁傳感器參數(shù)的改變進(jìn)行檢測，可自然排除堆積現(xiàn)象及污染物的影響，可達(dá)到較高的線性度。

2）采用一種用于微弱信號檢測的電路，使其在較簡單的實現(xiàn)方式下盡可能地摒除存在的干擾（如白噪音、溫漂、初始狀態(tài)的相位差、幅值差、電磁場影響等等），使微弱的有用信號得以準(zhǔn)確檢測及放大，盡可能快地將微弱信號送入安全區(qū)域，采用有用信號與干擾信號差異化，差異化后的干擾信號與有用信號一抑一揚(yáng)，完成信號篩選，從而獲得對信號的優(yōu)化效果。

表1 英國Kittiwake ANALEX PQM鐵譜指數(shù)儀檢測結(jié)果

表1 TTL-3鐵量儀檢測結(jié)果

3）通過TTL-3鐵量儀與英國Kittiwake ANALEX PQM鐵譜指數(shù)儀對比測試，TTL-3鐵量儀檢測結(jié)果的重復(fù)性與總體標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到甚至超過國外同行儀器水平。

[1] 張宏輝.基于知識的轉(zhuǎn)子故障診斷理論與方法的研究[D].清華大學(xué).北京:1993.06.

[2] 唐錫寬,等.機(jī)械動力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1986.05.