郭翠娟，張 猛，榮 鋒

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

0 引言

液壓技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、風(fēng)力渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備，而液壓設(shè)備零部件的磨損失效是導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)故障，引發(fā)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)事故的主要因素之一[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，有75%的機(jī)械系統(tǒng)故障是液壓油中的金屬磨粒所致[2]。設(shè)備零部件的磨損一般分為磨合、穩(wěn)定磨損和劇烈磨損3個(gè)階段，當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，油液中的金屬磨粒尺寸通常在10～20 μm，并且濃度也保持在較低水平，而當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常磨損時(shí)，磨粒尺寸會(huì)增加至50～100 μm，同時(shí)濃度也會(huì)急劇增加[3]。因此通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓油中磨粒信息來(lái)了解齒輪、軸承等設(shè)備關(guān)鍵零部件的磨損狀態(tài)，對(duì)于預(yù)防和檢查機(jī)械故障具有極其重要的意義。

國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)提出了幾種基于光學(xué)、超聲波、電容和電感的磨粒檢測(cè)方法。其中光學(xué)顆粒計(jì)數(shù)器具有高靈敏度和高精度的特點(diǎn)，檢測(cè)粒度較寬，但易受液壓油中磨粒、油質(zhì)和其他污染物的影響[4]。超聲波型傳感器能夠檢測(cè)磨粒并區(qū)分磨粒和氣泡，方向性好，穿透性強(qiáng)，但對(duì)傳感器安裝位置、超聲波頻率選樣以及機(jī)器的振動(dòng)系數(shù)等條件很敏感[5]。電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但測(cè)量精度會(huì)受到潤(rùn)滑油酸度、雜質(zhì)和油溫的影響[6]。與其他方法相比，電感式磨粒檢測(cè)傳感器成本低廉，不受油液環(huán)境影響，而且能夠區(qū)分鐵磁性和非鐵磁性金屬磨粒[7-8]，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

文獻(xiàn)[9]提出了一種電感式微流體芯片，此種傳感器能區(qū)分檢測(cè)非鐵磨粒和鐵磨粒，但缺陷也十分明顯：線(xiàn)圈品質(zhì)因數(shù)較低；線(xiàn)圈的邊緣效應(yīng)[10]明顯：越遠(yuǎn)離線(xiàn)圈邊緣，磁場(chǎng)強(qiáng)度越低，磨粒引起線(xiàn)圈電感的變化量也越??；傳統(tǒng)流道直徑通常在幾百μm，易被油液中的污染物沉積堵塞；油液注射速度很慢，只能在實(shí)驗(yàn)室中有專(zhuān)業(yè)微量注射泵才可以進(jìn)行磨粒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，不能廣泛應(yīng)用于工廠、檢測(cè)中心等實(shí)際場(chǎng)景。阿克倫大學(xué)的Li Du[12]等人用油液多管道設(shè)計(jì)提高傳感器的吞吐量，但該裝置制作過(guò)程較為復(fù)雜。

本文提出了一種帶有鐵氧體磁芯的微流體芯片磨粒檢測(cè)傳感器，可以區(qū)分檢測(cè)鐵磁性和非鐵磁性金屬磨粒。實(shí)現(xiàn)50 mL/min的油液高吞吐量，最小可分別檢測(cè)到40 μm鐵磨粒和90 μm銅磨粒。

1 傳感器設(shè)計(jì)與檢測(cè)原理

1.1 傳感器設(shè)計(jì)

微流體芯片設(shè)計(jì)如圖1所示。主要設(shè)計(jì)包括磁芯線(xiàn)圈檢測(cè)區(qū)域和矩形流體管道2部分。檢測(cè)區(qū)域由一對(duì)鐵氧體磁芯和分別纏繞在其端口的單層平面方形線(xiàn)圈組成。2個(gè)線(xiàn)圈全部沿順時(shí)針?lè)较蚶@制且并聯(lián)連接，2塊上下對(duì)置的鐵氧體磁芯板中心存在一個(gè)微小間隙。流體管道平行于玻璃基片穿過(guò)2塊鐵氧體磁芯板中心間隙，且緊挨著上下兩側(cè)的平面線(xiàn)圈。傳感器的參數(shù)如表1所示。

圖1 微流體檢測(cè)芯片設(shè)計(jì)

表1 傳感器參數(shù)

1.2 電感檢測(cè)原理

如圖2所示，微流體芯片管道中的油液磨粒經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，由于金屬磨粒在交變磁場(chǎng)中發(fā)生的磁化效應(yīng)和渦流效應(yīng)，改變了穿過(guò)檢測(cè)區(qū)域的磁通量，從而引起線(xiàn)圈的視在電感發(fā)生變化。鐵磁性磨粒的磁化效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于渦流效應(yīng)，會(huì)使線(xiàn)圈電感增大；非鐵磁性磨粒不會(huì)被磁化只有渦流效應(yīng)，會(huì)使線(xiàn)圈電感減小[13]。

圖2 磨粒位于檢測(cè)區(qū)域

對(duì)于方形平面線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)計(jì)算，可以簡(jiǎn)化為N個(gè)不同尺寸的單匝線(xiàn)圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)的疊加。這里ΔL是由金屬顆粒引起的單層平面線(xiàn)圈的電感變化，ΔM是與兩個(gè)線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料有關(guān)的互感變化。雙層平面線(xiàn)圈被磨粒引起的電感變化量為包括線(xiàn)圈自感和互感的變化量之和[14]:

(1)

鐵氧體磁芯增強(qiáng)了線(xiàn)圈的磁場(chǎng)，同時(shí)也帶來(lái)了磁滯損失和渦流損失。計(jì)算中采用相應(yīng)的修正系數(shù)A表示鐵氧體磁芯對(duì)線(xiàn)圈電感變化量的影響，所以總電感變化量為

(2)

2 有限元仿真

2.1 建立仿真模型

依據(jù)表1的傳感器參數(shù)建立三維仿真模型，如圖3所示。為了方便觀察金屬磨粒在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)引起的磁場(chǎng)分布，選用粒徑為220 μm的鐵、銅球磨粒。鐵、銅和磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率分別為4 000，0.999 99和750，激勵(lì)頻率和電壓分別為2 MHz和2 V。

圖3 三維仿真模型

2.2 檢測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)均勻性仿真

分別仿真含有磁芯和不含磁芯的傳感器檢測(cè)區(qū)域中，磁場(chǎng)的大小和均勻性。過(guò)檢測(cè)區(qū)域中心點(diǎn)，沿圖3所示X，Y，Z坐標(biāo)軸方向作3條直線(xiàn)，分別求解沿這3條直線(xiàn)方向上的磁通密度，得到檢測(cè)區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)分布的仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 X軸方向磁通密度

圖5 Y軸方向磁通密度

圖6 Z軸方向磁通密度

由圖4～圖6可得，鐵氧體磁芯的使用使得檢測(cè)區(qū)域各個(gè)方向的磁通量更均勻，改善了邊緣效應(yīng)帶來(lái)的對(duì)傳感器靈敏度檢測(cè)的影響，磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯強(qiáng)于不含磁芯時(shí)的檢測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2.3 有無(wú)磁芯仿真對(duì)比

對(duì)含磁芯和不含磁芯的傳感器線(xiàn)圈進(jìn)行模型仿真，如圖7～圖12所示。在ZOY截面觀察，檢測(cè)區(qū)域有無(wú)磨粒、有無(wú)磁芯時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖7 無(wú)磨粒、無(wú)磁芯，檢測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)分布

圖8 鐵磨粒、無(wú)磁芯，檢測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)分布

圖9 銅磨粒、無(wú)磁芯，檢測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)分布

圖10 無(wú)磨粒、含磁芯，檢測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)分布

圖11 鐵磨粒、含磁芯，檢測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)分布

圖12 銅磨粒、含磁芯，檢測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)分布

由圖7～圖12可觀察到，鐵磁性磨粒在磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流效應(yīng)和磁化效應(yīng)，非鐵磁性磨粒磁芯只產(chǎn)生渦流效應(yīng)沒(méi)有磁化效應(yīng)。鐵氧體磁芯使得檢測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度更高，降低漏磁帶來(lái)的線(xiàn)圈磁場(chǎng)損耗影響，磁感應(yīng)強(qiáng)度更均勻致密。

3 檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 傳感器制作

本文用模塑法[15]來(lái)制作微流體檢測(cè)芯片。首先用繞線(xiàn)機(jī)(WZY-AC15001)將酒精自粘線(xiàn)繞制成平面方形線(xiàn)圈。然后將一塊鐵氧體磁芯插入線(xiàn)圈空心并作固定處理，重復(fù)制作得到2個(gè)磁芯線(xiàn)圈單元。將一個(gè)磁芯線(xiàn)圈的磁芯朝下固定在玻璃基底上,另一個(gè)磁芯線(xiàn)圈倒置并固定在模具上，2個(gè)磁芯線(xiàn)圈上下對(duì)齊。2個(gè)平面線(xiàn)圈全都沿順時(shí)針?lè)较蚶@制且并聯(lián)焊接，通電后根據(jù)右手定則，兩線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向相同。

用一表面光滑的鋁片(0.3 mm厚，5 mm寬)作為微流道模具，平行于玻璃基底穿過(guò)2個(gè)磁芯線(xiàn)圈的中心縫隙。用PDMS膠(聚二甲基硅氧烷)與固化劑按照10∶1的比例完全混合并攪拌均勻。將微流體模具放置于真空箱(DZF-6020A)內(nèi)30 min,抽干混合液中的氣泡，將混合液澆筑在模具內(nèi)，直至完全包裹鋁片、線(xiàn)圈和磁芯。將模具放置真空烘干箱內(nèi)設(shè)置溫度為130 ℃烘干1 h。PDMS膠水凝固之后將模具取出，用鉗子將鋁片從固化好的芯片中抽離，由此微流體流道成型。

用萬(wàn)用表調(diào)至蜂鳴檔測(cè)量線(xiàn)圈的兩端，保證線(xiàn)圈沒(méi)有斷裂。然后用打孔器在微流體芯片上制造流道出入口，用聚四氟橡膠管插入孔內(nèi)并固定，至此傳感器制作完成。

3.2 樣品制備

首先用天平(JT3003D)分別稱(chēng)取不同粒徑的鐵顆粒和銅顆粒各1份，每份4 mg。鐵顆粒粒徑區(qū)間為40～250 μm，銅顆粒粒徑區(qū)間為90～250 μm。用燒杯量取2份100 mL的液壓油(L-HM46)，將不同尺寸的鐵磨粒和銅磨粒分別加入到液壓油中，并用攪拌棒將油液顆?；旌暇鶆?，取每份鐵、銅顆粒油液各50 mL備用。

3.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文設(shè)計(jì)的傳感器檢測(cè)系統(tǒng)如圖13所示。該系統(tǒng)包括油液注射設(shè)備：注射泵(LSP01-1A)；微流體芯片：含磁芯芯片和不含磁芯傳感器；磨粒在流道中的運(yùn)動(dòng)軌跡觀察設(shè)備：顯微鏡(XSP-06-1600X)；激勵(lì)源及線(xiàn)圈電感測(cè)量設(shè)備：阻抗分析儀(4294A)；上位機(jī)：連接阻抗分析儀并裝有LabVIEW的計(jì)算機(jī)。

圖13 系統(tǒng)工作流程圖

4 檢測(cè)試驗(yàn)

阻抗分析儀作為激勵(lì)源，注射泵流速設(shè)為50 mL/min。首先進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)：對(duì)有無(wú)磁芯的2種傳感器滴入220 μm銅磨粒和100 μm鐵磨粒，觀察輸出信號(hào)；然后檢測(cè)不同尺寸銅、鐵磨粒引起的2種傳感器線(xiàn)圈電感變化量；最后檢測(cè)鐵氧體磁芯式傳感器對(duì)金屬磨粒的最小靈敏度。

4.1 靈敏度檢測(cè)試驗(yàn)

有無(wú)磁芯對(duì)比實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如圖14、圖15所示。檢測(cè)結(jié)果表明，在檢測(cè)相同尺寸的顆粒時(shí)，具有鐵氧體磁芯的線(xiàn)圈電感變化量大于沒(méi)有鐵氧體磁芯的電感變化量，并且對(duì)于鐵顆粒而言變化是正向脈沖，對(duì)于銅顆粒則是負(fù)向脈沖。

圖14 90～100 μm鐵磨粒檢測(cè)信號(hào)

圖15 200～210 μm銅磨粒檢測(cè)信號(hào)

90 μm鐵顆粒的尺寸要遠(yuǎn)小于210 μm銅顆粒，但是其所得脈沖信號(hào)幅值卻與銅顆粒近似相等，這表明傳感器對(duì)鐵磁性磨粒的檢測(cè)能力要高于非鐵磁性磨粒。

有無(wú)磁芯芯片檢測(cè)詳細(xì)結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流道中的鐵氧體磁芯增加了電感線(xiàn)圈的基礎(chǔ)電感值。這是由于選用的鐵氧體磁芯磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，磁化效應(yīng)大于渦流效應(yīng)，增強(qiáng)了穿過(guò)電感線(xiàn)圈內(nèi)部的磁通量，從而增大了平面電感線(xiàn)圈的等效電感值，這與檢測(cè)原理一致。

表2 傳感器有無(wú)鐵氧體磁芯檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

芯片中不含磁芯時(shí)所得脈沖信號(hào)平均值較芯片中含有鐵氧體磁芯時(shí)所得脈沖信號(hào)平均值小，這是由于鐵氧體磁芯增大了線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)。使用阻抗分析儀分別測(cè)得不含磁芯的傳感器線(xiàn)圈品質(zhì)因數(shù)為5，含磁芯的傳感器線(xiàn)圈品質(zhì)因數(shù)為24。2個(gè)芯片輸出信號(hào)的噪聲基本相同，信噪比提高了約9倍。

注意到含鐵氧體磁芯傳感器檢測(cè)磨粒，不含鐵氧體磁芯傳感器檢測(cè)磨粒時(shí)的基礎(chǔ)電感值并非一致，這是由外部引線(xiàn)電感變化和阻抗分析儀的測(cè)量誤差所致。

4.2 不同粒徑下電感變化率曲線(xiàn)

取準(zhǔn)備好的不同直徑鐵磨粒和銅磨粒各1份，配置液壓油后，分別滴入含有無(wú)磁芯的2種檢測(cè)芯片中。測(cè)得不同尺寸的鐵磨粒引起的線(xiàn)圈電感變化率曲線(xiàn)如圖16所示。測(cè)得不同尺寸的銅磨粒引起的線(xiàn)圈電感變化率曲線(xiàn)如圖17所示。實(shí)驗(yàn)表明，鐵氧體磁芯使得線(xiàn)圈的電感變化率增幅更大。

圖16 不同鐵磨粒粒徑電感變化率

4.3 鐵氧體磁芯式芯片檢測(cè)下限

在經(jīng)過(guò)多次不同粒徑的顆粒檢測(cè)試驗(yàn)后，成功檢測(cè)到最小粒徑為40 μm的鐵顆粒和90 μm的銅顆粒，檢測(cè)結(jié)果如圖18，圖19所示。

圖17 不同銅磨粒粒徑電感變化率

圖18 40 μm鐵磨粒的檢測(cè)信號(hào)

圖19 90 μm銅磨粒的檢測(cè)信號(hào)

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種含有鐵氧體磁芯的電感式油液磨粒檢測(cè)方法。鐵氧體磁芯的使用增大了線(xiàn)圈的品質(zhì)因數(shù)和基礎(chǔ)電感值，線(xiàn)圈檢測(cè)區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度更加密集且均勻，改善了邊緣效應(yīng)。

根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]，油液流速越快，傳感器檢測(cè)靈敏度越低。相比于傳統(tǒng)的微流體芯片，本文設(shè)計(jì)的芯片流道更寬，能避免流道被堵塞的情況發(fā)生。還可以在保證檢測(cè)靈敏度的情況下實(shí)現(xiàn)油液的50 mL/min的高吞吐量，40 μm鐵磨粒和90 μm銅磨粒的檢測(cè)下限。本項(xiàng)研究對(duì)實(shí)現(xiàn)高吞吐量的同時(shí)又不失靈敏度的在線(xiàn)磨粒檢測(cè)具有實(shí)際意義。