一种油液磨粒检测传感器的设计方法及油液磨粒检测装置

摘要

本发明为一种油液磨粒检测传感器的设计方法及油液磨粒检测装置，本方法为在传感器骨架确定后按公式计算磁场强度B与线圈匝数n的关系曲线，取B最大值对应的n为感应线圈和2个激励线圈的匝数。本装置为按本发明方法确定传感器各线圈匝数，感应线圈的输出端连接包括顺序连接的前置放大电路、低通滤波器、高通滤波器和示波器的调制解析电路。本装置针对信号输出成分，提供了包括前置放大电路、低通和高通滤波器的调制解析电路。本方法设计了能使信号输出幅值达到最大的传感器线圈匝数，且在规模生产的传感器骨架尺寸下，便于安装在各类油液润滑的发动机上。本装置准确获取磨粒相关的信息，可检测到直径仅500μm的金属磨粒。

说明书

技术领域

本发明属于机器状态监测与故障诊断领域，具体涉及一种油液磨粒检测 传感器的设计方法及油液磨粒检测装置。

背景技术

现今机械设备往往具有高精度、高转速等特点，但这会带来加速磨损的 危害。机械设备都必须使用润滑油，对齿轮、轴承等高速旋转零件进行润滑， 才能使之正常运行，润滑油的良好状态可降低机械磨损，有效延长设备的使 用寿命。因此对油液的检测是非常重要的，由其中磨粒的检测分析，不仅可 以获得油液的状态，也可获得设备润滑与磨损状况的信息，及时更换油液或 更换相关零件，以防止故障发生。

目前对机械设备中使用润滑油油液进行磨粒检测的方法分为离线式和在 线式。所谓的离线式就是在机械设备运行结束后对油液采样。这种检测方式 虽然检测精度极高，但是不能满足实时监测的要求。在线油液磨粒检测传感 器主要安装在油路管道上,能连续对油路中的油液进行分析与处理,及时获 得分析结果,时效性高，而且对循环油液系统的干扰较小,不会影响机械设备 的正常运行。

在线油液磨粒检测传感器目前主要是三螺线管差动式传感器，包括中心 线为同一直线的感应线圈和2个激励线圈，感应线圈处于中间，两个绕制方 向相反的激励线圈紧靠在感应线圈两端。该传感器置于油路管道内，当油液 中的铁磁性或非铁磁性磨粒进入一端的激励线圈，使线圈内的磁场产生扰动， 磁场强度的改变使感应线圈产生正或反相的类正弦波信号，根据该信号能判 别磨粒的磁性，及磨粒的大小、形状等参数，非常便于工程分析。

但现有的此种传感器感应线圈所输出信号中的待调制信号电压幅值很 低，并含有噪声成分，现有的在线磨粒检测装置分析得到待调制信号中相关 磨粒信息的准确度不能满足实时掌握设备润滑与磨损状态的要求。

为了使传感器成为批量产品且便于安装在发动机等各种机械设备上，油 液磨粒检测传感器的骨架都有确定的尺寸。在确定传感器骨架尺寸的条件下， 对如何选择传感器关键参数：线圈匝数n没有一定的设计方法，也就无法取 得线圈的最大磁场强度变化，从而提高感应线圈输出的待调制信号电压值。

另外现有的油液中金属磨粒的检测装置对感应线圈输出信号的处理电路 也难以去除其中的噪声成份，因此需要改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油液磨粒检测传感器的设计方法，在油液磨 粒检测传感器在确定骨架尺寸的条件下，选择使磁场强度最大的线圈匝数， 保证感应线圈输出的待调制信号电压值最大。

本发明的另一目的在于公开一种油液磨粒检测装置，其采用本发明设计 方法设计的油液磨粒检测传感器，在传感器骨架确定后，线圈匝数使磁场强 度达到最大，且其调制解析电路中配有低高频滤波电路以更好清除噪声。

本发明提供的一种油液磨粒检测传感器的设计方法，所述油液磨粒检测 传感器为三螺线管差动式传感器，包括中心线为同一直线的感应线圈和2个 激励线圈，感应线圈处于2个激励线圈中间，2个激励线圈绕制方向相反， 分别在感应线圈左右两侧，2个激励线圈连接高频激励信号源，所述油液磨 粒检测传感器置于油路管道内，待测油液从传感器的感应线圈和2个激励线 圈中间流过。

所述油液磨粒检测传感器感应线圈和2个激励线圈的空心直径相同，绕 制感应线圈和绕制2个激励线圈的漆包线直径相同，感应线圈和2个激励线 圈的匝数n相同。

激励线圈内部磁场强度为B，

B＝u₀nI

其中，u₀＝4π×10^-7H/m为常数、真空磁导率，I为激励线圈的电流。

电流I取决于2个激励线圈所连接的高频激励信号源的正弦波峰峰值V 以及2个激励线圈的阻抗Z，

$I=\frac{V}{Z}$

Z为激励线圈的阻抗的大小，为激励线圈的阻抗矢量的复数表示形式，

$\hat{Z}=r+j{\omega }_{0}L$

其中，r为激励线圈实际电阻的大小，ω₀为激励线圈所连接的高频激励 信号源的正弦波的频率，L为直螺线管的电感。

而直螺线管的电感L表达式：

$L=\frac{u_0{n}^{2}A}{l}$

其中A是激励线圈的横截面积，l为激励线圈的绕制宽度。

激励线圈阻抗表示为：

$Z={(r^2+c^2{n}^4)}^{\frac{1}{2}}$

其中，$c={\omega }_0\frac{u_{0}A}{l}$

磁场强度B则表示为：

$B=\frac{u_0\mathrm{nV}}{{(r^2+c^2{n}^4)}^{\frac{1}{2}}}$

传感器的感应线圈和2个激励线圈的骨架确定，且激励线圈所连接的高 频激励信号源也确定后，感应线圈和2个激励线圈的线圈匝数设计方法的步 骤如下：

Ⅰ、确定高频激励信号源的正弦波的频率ω₀和波峰峰值V，

Ⅱ、确定感应线圈和2个激励线圈的空心直径并计算其横截面积A，

Ⅲ、确定2个激励线圈的绕制宽度l，

Ⅳ、欧姆表测定2个激励线圈的实际电阻值r，绕线电阻值较低，在本 发明线圈绕制宽度内的线圈电阻r一般为10Ω，

Ⅴ、按公式$B=\frac{u_0\mathrm{nV}}{{(r^2+c^2{n}^4)}^{\frac{1}{2}}},$其中$c={\omega }_0\frac{u_{0}A}{l},$

求得B和n的关系曲线，

Ⅵ、取B最大值对应的n为感应线圈和2个激励线圈的匝数。

本发明设计的一种油液磨粒检测装置，包括油液磨粒检测传感器和调制 解析电路，油液磨粒检测传感器的感应线圈输出信号接入调制解析电路；所 述油液磨粒检测传感器为三螺线管差动式传感器，包括中心线为同一直线的 感应线圈和2个激励线圈，2个激励线圈绕制方向相反，分别位于感应线圈 左右两侧，2个激励线圈并联高频激励信号源。

2个激励线圈绕制方向相反，所产生的磁场相互抵消，在没有金属磨粒 进入时，感应线圈内的磁场强度为零。在金属磨粒进入时，2个激励线圈的 磁场平衡被打破，感应线圈内的磁场强度变化，感应线圈产生待调制信号。 进入的金属磨粒不同，感应线圈内的磁场强度变化不同，感应线圈产生待调 制信号也就不同。

所述油液磨粒检测传感器置于油路管道内，待测油液从传感器的感应线 圈和2个激励线圈中间流过。所述调制解析电路包括前置放大电路和示波器。

感应线圈和2个激励线圈的空心直径相同；绕制感应线圈和2个激励线 圈的漆包线相同。感应线圈和2个激励线圈的匝数相同，根据

$B=\frac{u_0\mathrm{nV}}{{(r^2+c^2{n}^4)}^{\frac{1}{2}}},$其中$c={\omega }_0\frac{u_{0}A}{l},$

取B最大值对应的n为感应线圈和2个激励线圈的匝数；

公式中u₀为真空磁导率，u₀＝4π×10^-7H/m，ω₀为高频激励信号源的正 弦波的频率，V为高频激励信号源的正弦波峰峰值，A为激励线圈横截面积， l为激励线圈的绕制宽度，r为激励线圈的实际电阻值。

位于感应线圈左右两侧的2个激励线圈与感应线圈紧靠，即位于感应线 圈左侧的激励线圈的右端紧靠感应线圈的左端，位于感应线圈右侧的激励线 圈的左端紧靠感应线圈的右端。2个激励线圈的全部的磁感应线都相互作用, 线圈空心部分磁场强度最大，当磨粒进入时，可使感应线圈内磁场强度变化 率最大。

所述2个激励线圈所连接的的高频激励信号源的正弦波峰峰值V＝10～ 15V，V过大、通过激励线圈的电流就会过大，导致激励线圈发热，使传感器 不能正常检测金属磨粒。正弦波的频率ω₀＝10～20K，可检测到最小尺寸直径 仅500μm的金属磨粒，频率ω₀过大或过小都会降低传感器检测金属磨粒的灵 敏度。感应线圈和2个激励线圈的空心直径均为D＝8～12mm；感应线圈的宽 度l₀＝5～10mm，2个激励线圈的绕制宽度l＝5～6mm，绕制感应线圈和2个激 励线圈的漆包线直径均为D₁＝0.1～0.3mm。

所述油液磨粒检测传感器的感应线圈的输出信号，因为感应线圈磁场不 对称、各类不确定磁场的干扰，都产生噪声，调制解析电路中的前置放大电 路本身的信噪比又加大了噪声。

感应线圈的输出信号是各种不同频率信号在不同时间叠加在一起产生的 积分效应的结果。当没有磨粒经过时，感应线圈的输出信号S_out表示为：

S_out＝x_c1(t)*x_c2(t)

其中，*为卷积运算符号，x_c1(t)为左侧激励线圈对感应线圈产生的载波 信号，x_c2(t)为右侧激励线圈对感应线圈产生的载波信号。

当有磨粒通过时，输出信号变为：

S_out＝x_c1(t)*x_c2(t)+x_ch(t)

其中，x_ch(t)为单纯的磨粒进入传感器产生的信号，取决于感应线圈磁 场的扰动，所以：

x_ch(t)＝Kx_c1(t)*x_c2(t)*x_p(t)

其中，K为灵敏系数，x_p(t)为磨粒进入引起感应线圈磁场扰动的纯调 制信号，则有：

S_out＝(x_c1(t)*x_c2(t))(1+Kx_p(t))

由于感应线圈左右两侧的激励线圈的绕制漆包线相同、绕制的匝数、宽 度、线圈直径都相同，则有

x_c1(t)＝x_c2(t)＝x_c(t)

用x_c(t)表示x_c1(t)、x_c2(t)，可得在频域的乘积表达式为：

$S_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2\pi }({\mathrm{Kx}}_p(2{\omega }_2+{\omega }_1)\times {\mathrm{Kx}}_p(2{\omega }_2-{\omega }_1)\times 2{\mathrm{Kx}}_p\left({\omega }_1\right))$

其中，ω₁为磨粒进入后引起的待调制信号的频率，S_out中还包含由激励线 圈产生的噪声。激励线圈采用频率ω₀的正弦波作为激励信号，因此其产生的 噪声成份频率ω₂也较高，ω₂＝1～2K。

由S_out式可知输出信号含有高频成分Kx_p(2ω₂+ω₁)，低频成分 Kx_p(2ω₂-ω₁)和要提取的信号2Kx_p(ω₁)。

根据以上分析，本发明的调制解析电路包括滤除输出信号中高频噪声 Kx_p(2ω₂+ω₁)的低通滤波器，还有滤除低频噪声Kx_p(2ω₂-ω₁)的高通滤波 器。

所述油液磨粒检测传感器的感应线圈的输出端连接调制解析电路，调制 解析电路包括顺序连接的前置放大电路、低通滤波器、高通滤波器和示波器。

所述低通滤波器为二阶巴特沃斯低通滤波器，在低通频带内，其频率响 应曲线能达到最大限度平坦，且在阻频带内逐渐下降为零，满足过滤高频噪 声的要求。

所述高通滤波器为二阶巴特沃斯高通滤波器。

感应线圈的输出信号经过前置放大电路放大后，信号幅值达到后续滤波 处理要求，通过低通滤波器和高通滤波器分别滤除其中的高频和低频噪声， 解析得到待调制信号2Kx_p(ω₁)，即进入传感器线圈的磨粒信号，送入示波器 上直接显示待调制的正反相的金属磨粒信号。

与现有技术相比，本发明一种油液磨粒检测传感器的设计方法的优点 为：1、在传感器骨架确定的条件下，根据线圈内磁场强度与线圈匝数的关系， 求得最大磁场强度对应的线圈匝数，可保证传感器的感应线圈输出的待调制 信号电压值最大，有利于下一步解析后准确获取磨粒产生的准确信号，以判 别磨粒的磁性、大小、形状等参数；2、本方法简单易行在传感器骨架和高频 激励信号源确定后，通过计算即可得到线圈匝线。

与现有技术相比，本发明一种油液磨粒检测装置的优点为；1、采用了本 发明方法确定传感器各线圈的匝数，确保传感器的感应线圈输出的待调制信 号在此骨架条件下电压值最大，可检测到直径仅500μm的金属磨粒；2、可按 规模生产的一般传感器骨架尺寸，设计传感器各线圈匝数，使本装置便于安 装于各类油液润滑的发动机上；3、调制解析电路有低通滤波器和高通滤波器， 有效滤除感应线圈的输出信号中的高频和低频噪声，有利于准确获取磨粒相 关的信息。

附图说明

图1为本油液磨粒检测传感器的设计方法实施例的油液磨粒检测传感器 结构示意图；

图2为本油液磨粒检测传感器的设计方法实施例步骤Ⅴ所得的磁场强度 B与线圈匝数n的曲线图；

图3为本油液磨粒检测装置实施例的调制解析电路结构示意图；

图4为本油液磨粒检测装置实施例中所用二阶巴特沃斯低通滤波器的频 率响应图；

图5为本油液磨粒检测装置实施例中所用二阶巴特沃斯高通滤波器的频 率响应图；

图6为本油液磨粒检测装置实施例中无磨粒进入传感器时的示波器显示 的信号波形图；

图7为本油液磨粒检测装置实施例中铁磁性磨粒进入传感器时的示波器 显示的信号波形图；

图8为本油液磨粒检测装置实施例中非铁磁性磨粒进入传感器时的示波 器显示的信号波形图。

图中标号为：

1、高频激励信号源，2、传感器左侧的激励线圈，3、传感器右侧的激励线 圈，4、感应线圈，5、调制解析电路。

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。

油液磨粒检测传感器的设计方法实施例

本例油液磨粒检测传感器为三螺线管差动式传感器，如图1所示，包括 中心线为同一直线的感应线圈4和2个激励线圈2、3，2个激励线圈2、3 绕制方向相反，分别在感应线圈4左右两侧。2个激励线圈2、3并联高频激 励信号源1，即2个激励线圈2、3靠近感应线圈4的一端相接并连接高频激 励信号源1的一端，2个激励线圈2、3的另一端相接并连接高频激励信号源 1的另一端。所述油液磨粒检测传感器置于油路管道内，待测油液从传感器 的感应线圈4和2个激励线圈2、3中间流过。

本例2个激励线圈2、3所连接的的高频激励信号源1的正弦波峰峰值 V＝10V，正弦波的频率ω₀＝10K；感应线圈4和2个激励线圈2、3的空心直径 相同，均为D＝10mm；感应线圈4的宽度l₀＝5mm，2个激励线圈2、3的绕制宽 度l＝6mm，绕制感应线圈4和2个激励线圈2、3的漆包线相同，直径均为 D₁＝0.2mm。

感应线圈4和2个激励线圈2、3的匝数n相同，感应线圈4和2个激励 线圈2、3的匝数设计方法步骤如下：

Ⅰ、确定高频激励信号源1的正弦波的频率ω₀＝10K和波峰峰值V＝10V，

Ⅱ、确定感应线圈4和2个激励线圈2、3的空心直径D＝10mm，计算其 横截面积A＝π×(5×10^-3)²，

Ⅲ、确定2个激励线圈2、3的绕制宽度l＝6mm，

Ⅳ、欧姆表测定2个激励线圈2、3的实际电阻值r＝10Ω，

Ⅴ、$c={\omega }_0\frac{u_{0}A}{l}$

由ω₀＝10×10³，μ₀＝4π×10^-7，A＝π×(5×10^-3)²,l＝6×10^-3计算得到C的值，

按公式，$B=\frac{u_0\mathrm{nV}}{{(r^2+c^2{n}^4)}^{\frac{1}{2}}}$

求得B和n的关系曲线如图2所示，图中纵坐标为磁场强度，单位为10^-5安培/米，横坐标为线圈匝数n。

Ⅵ、取B最大值1.4×10^-5对应的n为160，取感应线圈4和2个激励线 圈2、3的匝数n＝160。

油液磨粒检测装置实施例

本油液磨粒检测装置实施例包括油液磨粒检测传感器和调制解析电路5， 感应线圈4输出信号接入调制解析电路5。

本例油液磨粒检测传感器为三螺线管差动式传感器，包括中心线为同一 直线的感应线圈4和2个激励线圈2、3，2个激励线圈2、3绕制方向相反， 分别位于感应线圈4左右两侧。2个激励线圈2、3与感应线圈4紧靠，即位 于感应线圈4左侧的激励线圈2的右端紧靠感应线圈4的左端，位于感应线 圈4右侧的激励线圈3的左端紧靠感应线圈4的右端。

2个激励线圈2、3并联高频激励信号源1；所述油液磨粒检测传感器置 于油路管道内，待测油液从传感器的感应线圈4和2个激励线圈2、3中间流 过。

本例2个激励线圈2、3所连接的的高频激励信号源1的正弦波峰峰值 V＝10V，正弦波的频率ω₀＝10K；感应线圈4和2个激励线圈2、3的空心直径 相同，均为D＝10mm；感应线圈4的宽度l₀＝5mm，2个激励线圈2、3的绕制宽 度l＝6mm，绕制感应线圈4和2个激励线圈2、3的漆包线相同，直径均为 D₁＝0.2mm。本例感应线圈4和2个激励线圈2、3的匝数n相同，按上例油液 磨粒检测传感器的设计方法所设计，n＝160。

本例调制解析电路5如图3所示，上述油液磨粒检测传感器的感应线圈 4的输出端连接调制解析电路5，调制解析电路5包括顺序连接的前置放大电 路、低通滤波器、高通滤波器和示波器。

本例低通滤波器为二阶巴特沃斯低通滤波器，高通滤波器为二阶巴特沃斯 高通滤波器。

本例选用的二阶巴特沃斯低通滤波器的拐角频率ω₃＝2570HZ，在拐角处 能平滑过渡，其频率响应如图4所示。图4横坐标为频率，单位为：Hz，左 侧纵坐标为增益，单位为dB，曲线①表示本例低通滤波器的增益曲线；右侧 纵坐标为相位，单位为deg，曲线②表示本例低通滤波器的相位曲线。由曲 线①可知频率大于ω_H时本低通滤波器的增益急剧衰减，当衰减达到截止频带 -45dB时、频率为2600Hz，显然此二阶巴特沃斯低通滤波器满足滤去高频噪 声Kx_p(2ω₂+ω₁)的要求。

本例选用的二阶巴特沃斯高通滤波器的拐角频率ω₄＝372HZ，其频率响应 如图5所示，图5横坐标为频率，单位为：Hz，左侧纵坐标为增益，单位为 dB，曲线③表示本例高通滤波器的增益曲线；右侧纵坐标为相位，单位为deg， 曲线④表示本例高通滤波器的相位曲线。由曲线③可知频率小于ω_H本高通滤 波器信号幅值急剧衰减，当衰减达到截止频带-45dB，此时频率为350Hz，同 样满足滤去低频噪声Kx_p(2ω₂-ω₁)的要求。

图6为磨粒没进入线圈时的示波器信号波形图，由图6可知信号电压平 均值63.3mV，没有高频噪声信号，而在图7、图8分别表示铁磁性磨粒和非 铁磁性磨粒进入传感器线圈时的示波器信号波形，由此2图看出铁磁性与非 铁磁性磨粒进入线圈后感应线圈产生的信号有明显的相位变化，幅值平均值 达133mV，峰峰值达4.8V，可知由于感应线圈磁场平衡的打破，幅值也较磨 粒未进入时有较大的突变。由于本装置可准确分析出传感器参数确定后感应 线圈输出信号的成分，使本调制解析电路相对之前的油液磨粒检测设备的电 路更有针对性，表明了本装置的可行性和正确性。

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。