输出振动信号的油液磨粒监测传感器及油液在线监测系统

摘要

本发明为一种输出振动信号的油液磨粒监测传感器及油液在线监测系统本监测传感器的感应线圈处于相互平行的2个重叠的平面线圈之间，平面线圈与恒流源连接。感应线圈的中轴线与平面线圈平行，感应线圈与平面线圈之间有间隙。感应线圈的长度小于平面线圈的外径。本油液在线监测系统的传感器安装于机械设备的润滑油路中，其感应线圈的输出接入麦克斯韦-维恩桥，后者的输出分别连接油液磨粒和振动信号采集电路，再经模数转换电路接入微控制器。微控制器内有综合故障分析模块，微控制器连接显示屏，在线显示金属磨粒信号和振动信号，并显示该台机械设备当前故障信息。本发明及时准确判断机械故障；系统体积小、便携，可安装于移动设备在线监测故障。

说明书

技术领域

本发明涉及属于机器状态监测与故障诊断领域，具体为一种输出振动信 号的油液磨粒监测传感器及油液在线监测系统。

背景技术

随着机械设备技术的不断发展，其内部的构造也更加复杂。相应地，机 械设备运行状态监测的手段也在不断地提高，以持续维护机械设备正常运行。 最常用的机械运行状态监测信号是位移、速度与加速度三类振动信号。这类 振动信号能实时、精确地表征设备动态特征，从中可提取早期微弱故障信号 并且进行故障定位。

为了更有效地预测早期故障，还广泛地应用润滑油液监测技术，其中包 括磨损磨粒、油液品质、介电常数等的监测。国内外许多研究机构自20世纪 末就已深入开展油液磨粒监测技术的研究，并开发了一系列相应的传感器及 其对应的分析方法。但这类传感器大多只能实现单一的油液磨粒监测，当所 安装的机械设备处于振动状态时，机械振动导致油液磨粒监测传感器输出信 号中夹杂大量噪声，使得后续分析难以进行。

为此，目前开发了一种油液磨粒传感器，既能有效监测机械振动，又能 对油液磨粒进行监测。这类传感器产生的输出信号经过后续处理电路，并进 行模数(AD)转换，所得数据经数据采集卡(DAQ卡，data-acquisition卡) 采集，送入计算机进行分析，得到振动信号和油液内磨粒相关参数。此类传 感器同时得到振动信号和油液磨粒信息，据此可从两方面提取机械设备故障 信号，及时更准确地判断机械故障。但是现有的此类在线油液磨粒传感器必 须采用DAQ卡采集数据，还要用传统计算机进行分析，现有的微处理器无法 胜任此类传感器信号的采集处理和分析。所以此类传感器难以在移动的机械 设备(如汽车发动机)配置、实现在线监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输出振动信号的油液磨粒监测传感器，其包 括2个平面线圈和处于它们之间的感应线圈，安装在移动的振动机械设备上， 感应线圈输出的模拟电压信号既包含机械设备的振动故障信号，又包括油液 磨粒通过感应线圈引起的脉冲信号。

本发明的另一个目的在于设计一种油液在线监测系统，上述输出振动信 号的油液磨粒监测传感器安装于机械设备的润滑油路中，传感器的感应线圈 的输出连接麦克斯韦-维恩桥，麦克斯韦-维恩桥的一路输出接入油液磨粒信 号采集电路，麦克斯韦-维恩桥的另一路输出连接振动信号采集电路，油液磨 粒信号采集电路和振动信号采集电路的输出均经模数转换电路接入微控制 器。微控制器据2个信号综合判断机械设备故障状态，并于显示屏显示该台 机械设备当前故障状态信息。

本发明提供的一种输出振动信号的油液磨粒监测传感器包括感应线圈， 其为绕制于筒形空心骨架上的螺线圈，其特征在于感应线圈处于相互平行的 2个平面线圈之间，2个平面线圈相同，均为顺时针绕制单层布线的平面螺旋 式线圈，且上平面线圈在下平面线圈上的投影与之下平面线圈重叠；2个平 面线圈与相同的恒流源激励电源连接。感应线圈的中轴线与平面线圈平行， 感应线圈与平面线圈之间有间隙。感应线圈的长度小于平面线圈的外径。

感应线圈的中轴线与二平面线圈中心的连线相交于二者的中点。

所述两个平面线圈的间距为15～20mm。平面线圈内径为2～5mm，线径为 0.2～0.4mm，线距为0.2～0.4mm，共12～20匝。

所述感应线圈的空心骨架内径为5～10mm，线径为0.1～0.3mm，感应线 圈匝数为120～180匝，分2～4层，各层匝数相同。

所述平面线圈连接的为输出电流为0.5～2A的恒流源激励电源。

本油液磨粒监测传感器安装在机械设备的润滑油路上，当油液从感应线 圈的空心骨架通过时，若油液中有铁磁性金属磨粒，导致感应线圈磁阻下降； 而油液含有非铁磁性金属磨粒，感应线圈磁阻变大。即油液中的金属磨粒使 感应线圈电感发生变化，输出电压也随之发生变化。感应线圈连接相配合的 油液磨粒信号采集电路时，铁磁性金属磨粒会使油液磨粒信号采集电路产生 尖脉冲信号，幅值为正；脉冲幅值的大小，反映金属磨粒尺寸的大小。而非 铁磁性金属磨粒则使信号采集电路产生幅值为负的尖脉冲信号。

感应线圈处在2个平面线圈激发的磁场中。由法拉第电磁感应定律及楞 次定律可推断，感应线圈随着所处磁场的磁场强度变化而产生变化的电压。 因设备振动，2个平面线圈随之振动、其磁场的空间位置也随之发生变化， 故感应线圈处于变化的磁场中，其输出电压包含机械设备振动特征的信号。

因此本输出振动信号的油液磨粒监测传感器的输出信号经过振动信号采 集电路处理后得到所在机械设备的振动信息。

本发明设计的一种油液在线监测系统，上述输出振动信号的油液磨粒监 测传感器安装于机械设备的润滑油路中，油液磨粒监测传感器的感应线圈的 输出信号接入麦克斯韦-维恩桥,麦克斯韦-维恩桥的一路输出接入油液磨粒 信号采集电路，再经模数转换电路接入微控制器(MCU)，同时麦克斯韦-维恩 桥的另一路输出信号连接振动信号采集电路，也经模数转换电路接入微控制 器(MCU)。

微控制器内有综合故障分析模块，该模块根据金属磨粒信号和振动特征 信号借助模糊数学、综合判断机械设备故障状态。微控制器连接显示屏，在 线显示金属磨粒信号和振动特征信号，并显示该台机械设备当前故障状态信 息。

所述振动信号采集电路包括依次连接的直交流耦合选择电路、放大倍数 选择电路和信号跟随电路，得到含有振动特征信息的电压信号经模数转换电 路接入微控制器。

所述油液磨粒信号采集电路包括依次连接的差分放大电路、低通滤波器 和后级放大器，得到含有金属磨粒信号的电压信号经模数转换电路接入微控 制器。

与现有技术相比，本发明输出振动信号的油液磨粒监测传感器及油液在 线监测系统的优点为：1、本油液磨粒监测传感器的感应线圈输出的电压信号 同时包含油液中金属磨粒信息和所在机械设备的振动信息，据此可从两方面 提取机械设备故障信号，及时更准确地判断机械故障；2、微控制器内有综合 故障分析模块，微控制器对传感器的两类信号进行分析判断，结果直接输出 到显示屏，故本油液在线监测系统体积小、便携，可安装于移动的机械设备 上，实现移动机械设备的在线故障监测。

附图说明

图1为本输出振动信号的油液磨粒监测传感器实施例的结构示意图；

图2为本油液在线监测系统实施例的电路结构示意图。

图中标号为：

1、上平面线圈,2、感应线圈，3、下平面线圈,4、感应线圈的空心骨 架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进一步详细说明。

输出振动信号的油液磨粒监测传感器实施例

本例输出振动信号的油液磨粒监测传感器，如图1所示，包括相互平行 的上平面线圈1和下平面线圈3，2个平面线圈1、3相同，均为顺时针绕制 单层布线的平面螺旋式线圈，且上平面线圈1在下平面线圈3上的投影与下 平面线圈3重叠；本例两个平面线圈1、3的间距为18mm。平面线圈1、3内 径为4mm，线径为0.3mm，线距为0.3mm，共15匝。2个平面线圈1、3与同 一输出电流为1A的恒流源激励电源并联。

感应线圈2为绕制于筒形空心骨架4上的螺线圈，本例感应线圈2的空 心骨架4外径为8mm，线径为0.2mm，感应线圈2匝数为150匝，分3层，每 层50匝。

感应线圈2的中轴线与平面线圈1、3平行，且感应线圈2的中轴线与二 平面线圈1、3中心的连线相交于二者的中点。

油液在线监测系统实施例

本油液在线监测系统实施例如图2所示，上述输出振动信号的油液磨粒 监测传感器实施例安装于机械设备的润滑油路中，油液磨粒监测传感器的感 应线圈2的输出连接麦克斯韦-维恩桥,麦克斯韦-维恩桥的一路输出接入相 配合的油液磨粒信号采集电路，本例油液磨粒信号采集电路包括依次连接的 差分放大电路、低通滤波器和后级放大器。

当油液中的金属磨粒通过感应线圈2的空心骨架4时，由于金属磨粒的 磁导率与空气磁导率不同，铁磁性金属的磁导率远远大于空气磁导率,而非磁 性金属的磁导率则小于空气磁导率,因此会使感应线圈2的电感发生变化。

感应线圈2两端接入麦克斯韦-维恩桥，麦克斯韦-维恩桥的两个节点连 接交流正弦波激励信号源。麦克斯韦-维恩桥将感应线圈2电感改变转化为电 压的变化。在金属磨粒进入感应线圈2时，感应线圈2的电感发生微弱变化， 打破麦克斯韦-维恩桥中两支路电流分流平衡，麦克斯韦-维恩桥的两个输出 节点的电压发生变化。麦克斯韦-维恩桥中的两个输出节点接到差分放大电路 正负输入端。本例差分放大电路放大倍数是500倍。由于微小金属磨粒进入 感应线圈2引起的电压变化微弱，差分放大电路的放大倍数需要大于450倍 才能保证信号的采集。差分放大器输出端接到低通滤波器输入端。本例低通 滤波器是一个巴特沃斯滤波器，消去由振动和正弦交流激励信号源产生的高 频噪声。以提取油液金属磨粒电压信号。后级放大器进一步放大油液磨粒电 压信号。本例后级放大电路是一个二级放大电路。第一级放大倍数是10，第 二级放大倍数是5，总的放大倍数是50。

油液磨粒信号采集电路后级放大器所输出的信号Vout1含有油液中金属 磨粒信息，经模数转换电路接入微控制器(MCU)。

麦克斯韦-维恩桥的另一路输出连接相配合的振动信号采集电路，振动信 号采集电路原理与示波器电路原理相同，包括依次连接的直交流耦合选择电 路、放大倍数选择电路和信号跟随电路，得到的含有振动特征信息的电压信 号Vout2也经模数转换电路接入微控制器。

微控制器内有综合故障分析模块，该模块根据金属磨粒信号和振动特征 信号、借助模糊数学综合判断机械设备故障状态。微控制器连接显示屏，在 线显示金属磨粒信号和振动特征信号，并显示该台机械设备当前故障状态信 息。本例的显示屏为液晶显示屏。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说 明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的 任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。