白文斌,李 凱

(中北大學(xué) 信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)、民用、軍事為了準(zhǔn)確控制機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行，液壓系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械自動(dòng)化等領(lǐng)域，對(duì)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的在線故障診斷需求逐漸提高[1]。機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中由于相互摩擦、碰撞、污染物侵入等原因產(chǎn)生磨粒[2]，其在線、離線檢測(cè)是判斷機(jī)械設(shè)備磨損的重要手段[3]，也是預(yù)測(cè)設(shè)備使用壽命、故障檢測(cè)的重要依據(jù)，成為了一個(gè)重要的機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測(cè)研究方向[4]。

油液在線檢測(cè)傳感器可分為光學(xué)[5]、超聲[6]、電容[7]和電感傳感器?；诮饘倌チＭㄟ^(guò)油路時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)擾動(dòng)具有較好的金屬類別表征特性，電感檢測(cè)法在油液中金屬磨粒檢測(cè)領(lǐng)域受到高度重視。國(guó)外有關(guān)金屬磨粒電感探測(cè)方法研究較早，主要包括加拿大GasTOPS公司研發(fā)的MetalSCAN傳感器與英國(guó)Kittiwake公司研制的FG型電感傳感器[8]。

針對(duì)微流道油液傳感器，大連海事大學(xué)做了很多研究。為提高微流道油液傳感器檢測(cè)精度，文獻(xiàn)[9]通過(guò)在傳感器內(nèi)部填充超順磁性材料提升磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)于顆粒檢測(cè)信噪比提升了20%左右，與未填充磁性納米材料的傳感器相比，具有更高的檢測(cè)信噪比以及更低的檢測(cè)下限。為提高微流道油液傳感器吞吐量，文獻(xiàn)[10]基于相分復(fù)用原理搭建的雙通道檢測(cè)系統(tǒng)，在提高檢測(cè)流量的同時(shí)，達(dá)到了檢測(cè)74～88 μm鐵磨粒的效果。基于對(duì)非鐵磁性顆粒檢測(cè)更為敏感的電阻檢測(cè)法，文獻(xiàn)[11]提出了一種雙螺線管線圈結(jié)構(gòu)的電感電阻微流控傳感器，有效彌補(bǔ)電感傳感器對(duì)非鐵磁性顆粒檢測(cè)能力低的缺陷，完成了500 μm流道中20 μm鐵磨粒和60 μm銅磨粒的檢測(cè)。基于此檢測(cè)方法，文獻(xiàn)[12]提出一種平面線圈與鐵氧體磁芯組合的新型結(jié)構(gòu)，增大吞吐量的同時(shí)提高了信噪比。為實(shí)現(xiàn)微流道油液傳感器多污染物的檢測(cè)，基于電感與電容檢測(cè)法，張洪朋團(tuán)隊(duì)共提出了4類多參數(shù)測(cè)量傳感器，可檢測(cè)潤(rùn)滑油中存在金屬磨粒、氣泡與水滴。其一，文獻(xiàn)[13]將兩個(gè)單層平面線圈正對(duì)排布在微通道兩側(cè)，通過(guò)調(diào)節(jié)激勵(lì)源實(shí)現(xiàn)電感電容模式的切換。在300 μm流道中，電容模式可對(duì)180 μm水滴和240 μm氣泡進(jìn)行區(qū)分檢測(cè)，電感模式可對(duì)80 μm鐵顆粒和150 μm銅顆粒進(jìn)行區(qū)分檢測(cè)。其二，為提升檢測(cè)分辨率，文獻(xiàn)[14]采用流道垂直嵌入兩個(gè)貼合的平面線圈內(nèi)孔的傳感器，在300 μm流道中成功檢測(cè)到40 μm鐵顆粒、110 μm、100 μm水滴及180 μm氣泡。為提升高吞吐量流道的檢測(cè)精度，文獻(xiàn)[15]將油液通道改為環(huán)狀結(jié)構(gòu)增大流量同時(shí)在油液通道內(nèi)的毛細(xì)玻璃管加入硅鋼片，在縮短檢測(cè)時(shí)間的同時(shí)可完成40 μm鐵磁性顆粒、130 μm銅顆粒的檢測(cè)，切換為電容檢測(cè)模式時(shí)，可完成200 μm水滴和270 μm氣泡的檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[16]將平面線圈優(yōu)化為螺線管線圈結(jié)構(gòu)，保持高通量的同時(shí)提升了檢測(cè)精度，可檢測(cè)到30 μm鐵顆粒、110 μm銅顆粒、100 μm水滴和180 μm氣泡。其三，文獻(xiàn)[17]提出一種包含電容式傳感器和電感式傳感器的集成式磨粒檢測(cè)裝置，該裝置能夠檢測(cè)并區(qū)分80 μm氣泡，30 μm鐵顆粒和45 μm銅顆粒。目前關(guān)于微流道金屬磨粒檢測(cè)技術(shù)的研究較多且可達(dá)到的檢測(cè)精度較高，但是微流道金屬磨粒檢測(cè)精度是在犧牲傳感器流量的情況下實(shí)現(xiàn)的，為了保證檢測(cè)精度，常將微流道傳感器的孔徑設(shè)置過(guò)小而受到限制，無(wú)法滿足大流量機(jī)械設(shè)備油路中的金屬磨粒檢測(cè)，而且由于孔徑過(guò)小，使得油液在流道口處受到較大的阻力，管路承受的壓力增大，進(jìn)而產(chǎn)生雜質(zhì)堆積，造成流道堵塞，同時(shí)，由于傳感器通量較小，通常只能安裝在潤(rùn)滑油旁路，導(dǎo)致傳感器僅對(duì)部分潤(rùn)滑油進(jìn)行取樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果隨機(jī)性較大。

目前電感式磨粒傳感器的主要技術(shù)瓶頸是傳感器的檢測(cè)精度受限于流道孔徑。高通量傳感器可完成多種機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑油路的高吞吐量金屬磨粒檢測(cè)，但存在檢測(cè)精度低等問(wèn)題[18]?，F(xiàn)階段關(guān)于電磁感應(yīng)傳感器技術(shù)主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、電路補(bǔ)償技術(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括傳感器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)[19]、一激多感及多激一感等新型傳感器探測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器內(nèi)部磁場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，電路補(bǔ)償技術(shù)主要包括諧振電路、相分復(fù)用電路、激勵(lì)線圈不平衡補(bǔ)償電路[20]等。

針對(duì)目前高通量傳感器存在檢測(cè)精度低的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的電感式金屬磨粒檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)雙激勵(lì)傳感器結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)影響傳感器靈敏度參數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)合實(shí)際情況并求出最優(yōu)解。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：本系統(tǒng)可在油液流量為5～10 L/min的工況下實(shí)現(xiàn)500 μm鐵磨粒及1 000 μm銅磨粒的檢測(cè)精度。

1 電感式金屬磨粒檢測(cè)原理

電感式磨粒檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，線圈骨架采用不影響傳感器磁場(chǎng)分布的酚醛塑酯材料設(shè)計(jì)而成。激勵(lì)線圈位于骨架兩側(cè)且對(duì)稱放置，線圈繞向既可同向也可反向，骨架中部為感應(yīng)線圈。兩激勵(lì)線圈同向繞制時(shí)，由相位相差180°的信號(hào)源驅(qū)動(dòng)，而激勵(lì)線圈反向繞制時(shí)，僅由單個(gè)信號(hào)源驅(qū)動(dòng)即可。當(dāng)信號(hào)源驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈后，傳感器內(nèi)部產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，兩參數(shù)相同的激勵(lì)線圈繞制時(shí)采用反向繞制，在同一信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)下，位于傳感器骨架中點(diǎn)位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度接近于零。當(dāng)有金屬磨粒通過(guò)傳感器時(shí)，基于磨粒自身的磁化或渦流效應(yīng)，擾動(dòng)中心零磁場(chǎng)狀態(tài)，感應(yīng)線圈內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)分析傳感器輸出電壓信號(hào)的變化趨勢(shì)及幅值，即可判斷金屬磨粒的數(shù)量、類別、大小等信息。

圖1 電感式磨粒檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)

金屬磨粒通過(guò)傳感器時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)模型見式(1)。

(1)

令:

(2)

式(1)可簡(jiǎn)化為：

(3)

式中,r1為球形磨粒半徑，μ1為磨粒相對(duì)磁導(dǎo)率，v為油液流速，t為磨粒經(jīng)過(guò)第一個(gè)線圈時(shí)間，n為激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離，r為螺線管內(nèi)徑，μ0為真空磁導(dǎo)率，m為初級(jí)線圈長(zhǎng)度，N為激勵(lì)線圈匝數(shù)，I為電流大小，K值中包含影響傳感器靈敏度的傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 檢測(cè)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

金屬磨粒檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示，主要由磨粒傳感器模塊(激勵(lì)線圈A、激勵(lì)線圈B、感應(yīng)線圈)、信號(hào)源模塊、調(diào)幅模塊、電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、通信模塊構(gòu)成。磨粒傳感器模塊用于獲取油液中的磨粒信息，電源模塊為其他模塊供電，信號(hào)源模塊輸出的正弦交流電壓通過(guò)調(diào)幅模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)磨粒傳感器的激勵(lì)，激勵(lì)線圈產(chǎn)生極性相反的動(dòng)態(tài)交變磁場(chǎng)保證感應(yīng)線圈處于零磁場(chǎng)狀態(tài)，當(dāng)磨粒通過(guò)傳感器時(shí)，信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)感應(yīng)線圈輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、解調(diào)等信號(hào)調(diào)理，通信模塊將調(diào)理后的電壓信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。同時(shí)在傳感器模塊與整體電路模塊加入磁場(chǎng)防干擾結(jié)構(gòu)減弱外部磁場(chǎng)干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)框架

2.1 勵(lì)磁信號(hào)源

傳感器輸出的應(yīng)信號(hào)特性受信號(hào)源影響，勵(lì)磁信號(hào)源中的高次諧波會(huì)在感應(yīng)線圈上產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)信號(hào)，干擾信號(hào)解調(diào)，為此設(shè)計(jì)的勵(lì)磁信號(hào)源應(yīng)具有頻率、相位、幅值穩(wěn)定可調(diào)、波形失真小等特點(diǎn)。

本方案采用直接數(shù)字合成器技術(shù)(DDS)[21]，DDS以數(shù)控振蕩器的方式，產(chǎn)生頻率、相位可調(diào)的信號(hào)源，主要由基準(zhǔn)時(shí)鐘模塊、相位累加器、相位調(diào)制器、正弦ROM查找表、DAC、低通濾波電路構(gòu)成。

輸出信號(hào)源的頻率及相位分別由頻率控制字和相位控制字計(jì)算控制。DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，時(shí)鐘脈沖每觸發(fā)一次，累加器將頻率控制數(shù)據(jù)與相位寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加后的結(jié)果輸入至相位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位寄存器將累加后的數(shù)據(jù)重新輸入至累加器，以便加法器在下一時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。當(dāng)相位累加器累加滿時(shí)，產(chǎn)生溢出，完成一個(gè)頻率周期的動(dòng)作，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，結(jié)果作為正弦查找表的地址，根據(jù)正弦ROM表中的地址，將相應(yīng)的正弦矢量值發(fā)送到8位DAC的輸入端，通過(guò)DAC可將FPGA輸出的8位數(shù)字信號(hào)的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求的合成離散的模擬信號(hào)。

除此之外，為滿足感應(yīng)信號(hào)解調(diào)條件，還需輸出一路勵(lì)磁信號(hào)作為解調(diào)模塊的參考頻率信號(hào)?；贒DS模塊，可獲得頻率、相位、幅值穩(wěn)定可調(diào)的正弦穩(wěn)流激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)感應(yīng)信號(hào)數(shù)學(xué)模型、勵(lì)磁線圈匝數(shù)條件并結(jié)合實(shí)際傳感器輸出信號(hào)特點(diǎn)設(shè)置勵(lì)磁信號(hào)源激勵(lì)頻率。

2.2 低通濾波電路

DAC輸出端為離散的模擬信號(hào)，需要將離散的模擬信號(hào)變?yōu)槠交哪M信號(hào)，同時(shí)輸出信號(hào)中含有高次諧波成分，為避免高次諧波影響后續(xù)信號(hào)解調(diào)，設(shè)計(jì)無(wú)源LC低通濾波電路，用于衰減和濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。低通濾波器的截止頻率為40 MHz，頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 頻率響應(yīng)曲線圖

2.3 調(diào)幅電路

DAC芯片輸出為差分輸出，為此基于高性能145 MHz帶寬的運(yùn)放AD8065設(shè)計(jì)調(diào)幅電路將差分輸出變?yōu)閱味溯敵觯?jīng)由AD8065芯片設(shè)計(jì)的單端輸出電路后輸出的電壓幅值無(wú)法滿足傳感器所需的激勵(lì)幅值的要求，由于繞制工藝的限制，相同參數(shù)的傳感器所需最佳激勵(lì)幅值也會(huì)有差異，基于檢測(cè)系統(tǒng)普適性要求，同時(shí)考慮到傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小受勵(lì)磁信號(hào)源輸出幅度的影響，需根據(jù)感應(yīng)信號(hào)數(shù)學(xué)模型、勵(lì)磁線圈匝數(shù)等條件并結(jié)合實(shí)際傳感器輸出信號(hào)特點(diǎn)設(shè)置勵(lì)磁信號(hào)幅值大小，因此設(shè)計(jì)調(diào)幅電路如圖4所示，調(diào)幅電路最終輸出范圍為-5～5 V。

圖4 調(diào)幅電路

2.4 解調(diào)電路

當(dāng)信號(hào)源激勵(lì)線圈，金屬磨粒通過(guò)傳感器時(shí)，感應(yīng)線圈輸出的信號(hào)為振幅調(diào)制信號(hào)[22]，需使用解調(diào)方法進(jìn)行頻譜搬移，將磨粒信號(hào)從載波中解調(diào)出來(lái)。解調(diào)方法包括包絡(luò)檢波、相干解調(diào)等，傳統(tǒng)的二極管包絡(luò)檢波后的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)較大失真，因此采用相干解調(diào)方法[23]。

乘法器電路如圖5所示。相干解調(diào)需滿足調(diào)制信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)同頻同相，在進(jìn)行相干解調(diào)時(shí)，調(diào)制信號(hào)與DDS輸出的一路勵(lì)磁信號(hào)作為解調(diào)模塊的參考頻率信號(hào)相乘后，經(jīng)過(guò)低通濾波器取出低頻分量，此刻輸出信號(hào)為單個(gè)磨粒通過(guò)傳感器時(shí)的感應(yīng)信號(hào)。

圖5 乘法器電路

3 仿真

3.1 模型參數(shù)的確定

由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)模型可知，傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)即傳感器的探測(cè)靈敏度主要受傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)與磨粒參數(shù)的影響，傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括傳感器孔徑、激勵(lì)線圈長(zhǎng)度、激勵(lì)線圈匝數(shù)、激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離等，磨粒參數(shù)主要包括磨粒半徑、磨粒相對(duì)磁導(dǎo)率、磨粒流速等。

為了使磨粒通過(guò)傳感器時(shí)輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)能夠有效表達(dá)金屬磨粒的特性，即傳感器的金屬磨粒探測(cè)靈敏度達(dá)到最優(yōu)，使用MATLAB對(duì)影響傳感器靈敏度因素的變量進(jìn)行仿真，求得影響傳感器靈敏度因素的最優(yōu)解，傳感器參數(shù)表如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)

3.2 磨粒半徑與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系

當(dāng)磨粒材料相同粒徑不同時(shí)，磨粒擾動(dòng)中心零磁場(chǎng)狀態(tài)產(chǎn)生的電感變化量不同，不同的電感變化量影響傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，傳感器可通過(guò)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小區(qū)分材料相同但粒徑不同的磨粒，為明確磨粒粒徑大小與傳感器輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化關(guān)系，根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)磨粒半徑與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系進(jìn)行仿真，仿真采用的磨粒材料為鐵磁性材料，磁導(dǎo)率為μ1，磨粒半徑的變化范圍是0～500 μm，磨粒流速為5 m/s。

磨粒半徑與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系仿真結(jié)果如圖6所示，從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)磨粒半徑為零時(shí)，傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，仿真處于理想情況，在忽略其他因素干擾的條件下，當(dāng)磨粒粒徑為零(即沒(méi)有磨粒通過(guò)傳感器)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出即為零，將磨粒粒徑為零代入感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)模型，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出結(jié)果也為零，在實(shí)際傳感器運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)沒(méi)有磨粒通過(guò)傳感時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)包含環(huán)境噪聲及電路噪聲，但此類噪聲對(duì)磨粒通過(guò)傳感器時(shí)輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)干擾較小，仿真結(jié)果同樣與實(shí)際情況相符。

當(dāng)粒徑為微米級(jí)別的磨粒通過(guò)傳感器時(shí)，傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)量級(jí)為納伏級(jí)別，由于微米級(jí)別的磨粒通過(guò)傳感器時(shí)，感應(yīng)線圈上引起的電感變化范圍小，導(dǎo)致輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也十分微弱，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行放大、濾波等信號(hào)調(diào)理。從圖中可以看出，隨著磨粒半徑逐漸增大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也逐漸增大，二者之間近似呈三次方的變化關(guān)系，與數(shù)學(xué)模型中磨粒半徑與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化關(guān)系保持一致。不同粒徑的磨粒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相差較大，仿真證明，傳感器可以對(duì)微米級(jí)別粒徑的磨粒進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值大小對(duì)磨粒粒徑進(jìn)行區(qū)分。

圖6 磨粒半徑與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系圖

3.3 磨粒磁導(dǎo)率與輸出電壓關(guān)系

當(dāng)磨粒粒徑相同材料不同時(shí)，磨粒擾動(dòng)中心零磁場(chǎng)狀態(tài)產(chǎn)生的電感變化量不同，進(jìn)而影響傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，不同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值可代表粒徑相同但磁導(dǎo)率不同的磨粒，根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)磨粒磁導(dǎo)率與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系進(jìn)行仿真，仿真采用的磨粒粒徑為500 μm，磨粒流速為5 m/s，磨粒磁導(dǎo)率的變化范圍是0～1 000 H/m。

磨粒磁導(dǎo)率與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系仿真結(jié)果如圖7所示，從仿真圖可以看出，隨著磨粒磁導(dǎo)率的增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)逐漸增大，同一尺寸不同磁導(dǎo)率的金屬磨粒輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不同，當(dāng)磨粒通過(guò)傳感器時(shí)，傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)量級(jí)為微伏級(jí)，當(dāng)磨粒磁導(dǎo)率從0～300 H/m變化時(shí)，不同磁導(dǎo)率的磨粒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相差較大，當(dāng)磁導(dǎo)率超過(guò)900 H/m時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化趨于平緩。

圖7 磨粒磁導(dǎo)率與輸出電壓關(guān)系圖

3.4 傳感器參數(shù)與傳感器靈敏度關(guān)系

傳感器檢測(cè)靈敏度受機(jī)械設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況的影響，在機(jī)械設(shè)備的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，其運(yùn)動(dòng)部件在軸承、氣缸以及導(dǎo)板等設(shè)備內(nèi)部不同位置產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生磨損，由上述磨損原因產(chǎn)生的金屬磨粒具有較大區(qū)別，具體表現(xiàn)為金屬磨粒的成分與尺寸，即磨粒磁導(dǎo)率與磨粒粒徑不同。當(dāng)油路孔徑一定時(shí)，磨粒流速是由潤(rùn)滑油液流量決定的，當(dāng)潤(rùn)滑油裹挾金屬磨粒通過(guò)傳感器時(shí)，磨粒流速也是固定的，為分析傳感器參數(shù)與傳感器探測(cè)靈敏度關(guān)系，可結(jié)合實(shí)際工況，將磨粒參數(shù)值設(shè)為定值，簡(jiǎn)化傳感器參數(shù)的優(yōu)化過(guò)程。

當(dāng)磨粒參數(shù)一定時(shí)(磨粒磁導(dǎo)率、磨粒流速、磨粒半徑)，傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)將成為影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的主要因素，當(dāng)使用條件不同時(shí)，需根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的傳感器，傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括傳感器孔徑、激勵(lì)線圈長(zhǎng)度、激勵(lì)線圈匝數(shù)、激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離等，將此類影響傳感器靈敏度的結(jié)構(gòu)參數(shù)總結(jié)，即為式(2)中的K，K值大小將直接影響傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)對(duì)K值包含的傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行MATLAB仿真，可發(fā)現(xiàn)線圈各參數(shù)與傳感器檢測(cè)靈敏度的影響關(guān)系，得到線圈參數(shù)的最優(yōu)解，更好地完成金屬磨粒的檢測(cè)。

在傳感器運(yùn)行的實(shí)際工況中，傳感器孔徑是首先需要確定的傳感器參數(shù)，傳感器孔徑需結(jié)合實(shí)際檢測(cè)情況即油路的管徑及油液流量及進(jìn)行設(shè)計(jì)，若傳感器孔徑過(guò)小，無(wú)法滿足主油路高通量的金屬磨粒的檢測(cè)，需從主油路中引出與傳感器孔徑相同的旁路，傳感器接入旁路進(jìn)行檢測(cè)，但旁路檢測(cè)不能完整反映主油路中潤(rùn)滑油包含的金屬磨粒情況，檢測(cè)結(jié)果具有隨機(jī)性，且由于孔徑過(guò)小使得油液在流道口處受到較大的阻力，管路承受的壓力增大，進(jìn)而產(chǎn)生雜質(zhì)堆積，造成流道堵塞；若傳感器孔徑過(guò)大，潤(rùn)滑油無(wú)法完全填充油路，油路中會(huì)含有氣泡等影響油質(zhì)與傳感器靈敏度，同時(shí)裹挾金屬磨粒的潤(rùn)滑油由于重力會(huì)集中分布在傳感器下側(cè)，影響傳感器對(duì)潤(rùn)滑油中金屬磨粒的檢測(cè)。

當(dāng)傳感器孔徑不同時(shí)，同一粒徑的金屬磨粒檢測(cè)靈敏度具有很大區(qū)別，不同孔徑的傳感器具有不同的內(nèi)部磁場(chǎng)分布，磨粒擾動(dòng)中心零磁場(chǎng)狀態(tài)產(chǎn)生的影響傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不同，為明確傳感器孔徑大小與傳感器輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化關(guān)系，對(duì)傳感器孔徑與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系進(jìn)行仿真，仿真采用的磨粒材料為鐵磁性材料，磁導(dǎo)率為μ1，磨粒粒徑為500 μm，磨粒流速為5 m/s，傳感器孔徑的變化范圍是0～50 mm。

傳感器孔徑與K值關(guān)系仿真結(jié)果如圖8所示，從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)傳感器孔徑從0～30 mm變化時(shí)，K值及傳感器靈敏度呈逐漸變大趨勢(shì)，但傳感器孔徑與傳感器靈敏度為非線性關(guān)系，當(dāng)傳感器孔徑達(dá)到30 mm時(shí)，傳感器靈敏度達(dá)到最高，后隨著孔徑增大，傳感器對(duì)同一金屬磨粒的探測(cè)難度將增大，同時(shí)受外界環(huán)境干擾的影響，傳感器靈敏度逐漸降低。

圖8 傳感器孔徑與靈敏度關(guān)系圖

當(dāng)激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離不同時(shí)，傳感器內(nèi)部磁場(chǎng)分布具有很大區(qū)別，將直接影響磨粒擾動(dòng)中心零磁場(chǎng)狀態(tài)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，為明確激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離與傳感器輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化關(guān)系，對(duì)激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系進(jìn)行仿真，仿真采用的磨粒材料為鐵磁性材料，磁導(dǎo)率為μ1，磨粒粒徑為500 μm，磨粒流速為5 m/s，激勵(lì)線圈長(zhǎng)度為20 mm，而激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離應(yīng)大于20 mm，因此設(shè)置激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離的變化范圍是20～50 mm。

激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離與K值關(guān)系仿真結(jié)果如圖9所示，從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離從0～22.5 mm變化時(shí)，K值即傳感器靈敏度呈逐漸增大的趨勢(shì)，但激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離與傳感器靈敏度之間呈非線性變化關(guān)系，當(dāng)激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離達(dá)到22.5 mm時(shí)，傳感器靈敏度達(dá)到最高，后隨著距離增大，傳感器對(duì)同一金屬磨粒的探測(cè)難度將增大，傳感器靈敏度逐漸降低。

圖9 激勵(lì)線圈到感應(yīng)線圈中心距離

4 試驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證上述方法的正確性及有效性，對(duì)三線圈電感式油液金屬磨粒檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)由傳感器、激勵(lì)檢測(cè)單元、上位機(jī)構(gòu)成，激勵(lì)及檢測(cè)單元為傳感器提供正弦激勵(lì)信號(hào)并對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、采集、傳輸?shù)?，上位機(jī)對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理并顯示。

實(shí)驗(yàn)采用游標(biāo)卡尺標(biāo)定不同粒徑的鐵磨粒與銅磨粒，鐵磨粒粒徑為500 μm，銅磨粒粒徑分別為1 000 μm，將不同尺寸金屬磨粒作為樣本磨粒封裝在熱縮管中，并用標(biāo)記對(duì)樣本磨粒進(jìn)行標(biāo)記，對(duì)制作出的磨粒樣本進(jìn)行半實(shí)物仿真測(cè)試，將攜帶磨粒樣本的熱縮管以一定的速度通過(guò)傳感器檢測(cè)區(qū)域模擬油中磨粒的流動(dòng)。

將磨粒信號(hào)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示，500 μm鐵磨粒通過(guò)傳感器時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖10～11所示，從圖中可以明顯看出類正弦波信號(hào)的出現(xiàn)，同時(shí)信號(hào)呈先增后降趨勢(shì)，當(dāng)磨粒先進(jìn)入一側(cè)激勵(lì)線圈時(shí)，由于鐵磨粒的磁化作用，增強(qiáng)了激勵(lì)線圈磁場(chǎng)，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)呈增大趨勢(shì)，后磨粒通過(guò)另一激勵(lì)線圈，由于楞次定律，減弱了激勵(lì)線圈磁場(chǎng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)呈減小趨勢(shì)。

圖10 500 μm鐵磨粒處理信號(hào)圖

圖11 500 μm鐵磨粒處理信號(hào)圖

1 000 μm銅磨粒通過(guò)傳感器時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖12～圖13所示，從圖中可以明顯看出類正弦波信號(hào)的出現(xiàn)，同時(shí)信號(hào)呈先降后增趨勢(shì)，當(dāng)磨粒先進(jìn)入一側(cè)激勵(lì)線圈時(shí)，由于銅磨粒的渦流作用，減弱了激勵(lì)線圈磁場(chǎng)，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)呈減小趨勢(shì)，后磨粒通過(guò)另一激勵(lì)線圈，由于楞次定律，增大了激勵(lì)線圈磁場(chǎng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)呈增大趨勢(shì)。

圖12 1 000 μm銅磨粒信號(hào)

圖13 1 000 μm銅磨粒信號(hào)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的三線圈電感式金屬磨粒檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油液內(nèi)金屬磨粒通過(guò)情況進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以在油液流量為5～10 L/min的工況下實(shí)現(xiàn)500 μm鐵磨粒及1 000 μm銅磨粒的檢測(cè)精度。本系統(tǒng)可為機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)分析、機(jī)械故障的診斷和預(yù)警提供研究條件。