基于电感式油液金属磨粒监测传感器研究进展_封士瑞 (1).pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING为减少机器设备，尤其是发动机类设备的磨损失效，通常会在机械运行系统中加入润滑油。而机械磨损产生的金属磨粒随润滑油液流动，因此对油液进行监测可以探知金属磨粒材质、形状、大小等相关状况，进而根据磨粒信息对机械设备的健康状态进行评估1-3。及时对设备进行监测维修可以避免意外事故的发生，减少经济损失，因此对于油液磨粒的监测至关重要。监测的及时性和结果的可靠性直接影响对设备运行状态的评估。鉴于油液金属颗粒监测的必要性，国内外学者针对相关传感器开展研究。电感式传感器可以根据磁化程度来区分金属种类，外界温度变化和油液中气泡杂质等对其检测效果干扰影响小。因为相比于其他传感器优点明显，电感式传感器已成为当前在线监测领域的研究热点4。本文针对近年来相关电感式传感器研究，对其监测原理、结构类型等进行概括介绍，分析在监测过程中存在的优缺点，对传感器相关改进研究包括对结构和监测电路改进进行分析总结，为后续传感器的设计、监测方案的规划、监测电路的研究等提供参考。1 电感式传感器监测原理及结构电感式油液磨粒监测传感器是基于电磁学原理进行工作。电感式传感器主要由激励模块、监测模块和感应模块组成。根据毕奥-萨伐尔定律，激励模块通电在周围产生磁场，磁场强度取决于激励电流、单位长度线圈匝数、线圈半径、参考点的位置5。金属颗粒通过监测模块进入传感器。根据磁介质的磁化特性和涡流效应，由于磁介质的磁化作用，被磁化后的磁介质，例如铁等金属，会和磁体一样产生磁场，后生成的磁场会对原来的磁场有所影响，磁场的分布也会发生变化。磁场的变化导致传感器感应模块的感应物理量如感应电流、感应电压等发生变化。当铁颗粒类等可磁化颗粒的磁化效应远远大于涡流效应时，感应线圈内的电感会变大。当铜颗粒类非铁磁性磨粒doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.033基于电感式油液金属磨粒监测传感器研究进展封士瑞，张营（210037 江苏省 南京市 南京林业大学 汽车与交通工程学院）摘要 对润滑油液中金属磨粒进行监测可实现对机械设备预测性维修，针对电感式油液金属磨粒监测传感器的研究已成为主流研究方向。主要介绍了电感式传感器监测金属颗粒原理、结构类型、监测优缺点，总结近年来针对传感器参数和监测电路优化研究，分析电感式油液磨粒传感器在实际应用中的可行性，为后续电感式油液金属磨粒传感器研究提供方向性参考。关键词 电感式传感器；机器磨损；金属颗粒；油液监测 中图分类号 TP212 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0155-04引用格式：封士瑞,张营.基于电感式油液金属磨粒监测传感器研究进展J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):155-158.Research progress based on electromotic oil metal abrasive grain monitoring sensorFENG Shirui,ZHANG Ying(College of Automobile and Traffic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,Jiangsu,China)Abstract Monitoring metal abrasive particles in the lubricant can achieve predictive maintenance of mechanical equipment,and research on the monitoring sensor for the inductive oil metal abrasive grain has become the mainstream research direction.It mainly introduces the principle,structural type,monitoring advantages and disadvantages of the inductive sensor to monitor metal particle,summarizes the research on the optimization of sensor parameters and monitoring circuit in recent years,analyzes the feasibility of inductive oil abrasive sensors in practical applications,and provides direction reference for the subsequent research of inductive oil metal abrasive sensor.Key words inductive sensor;machine wear;metal particles;oil monitor收稿日期：2022-01-11 156农业装备与车辆工程 2023 年进入激励模块后，由于不会被磁化，只有涡流效应，感应线圈内的电感会减小6。激励模块磁场的变动导致感应模块物理量的改变，通过对感应模块的监测可以间接反映监测物的状况。近年来，国内外学者主要针对电感式传感器的激励模块和感应模块进行研究，对于激励模块主要研究如何通过改变激励参数来提高激励源产生的磁场强度和均匀性，对于感应模块主要是研究如何采集感应输出信号以及信号后处理问题。传感器激励模块与感应模块的设计决定着传感器的结构。根据激励模块的不同，可以分为螺线管线圈型传感器、平面线圈型传感器、对置磁芯式传感器等。根据监测模块的不同可以分为微流体式传感器、常规式传感器等。根据感应模块布置位置的不同分为平行式传感器、内外层式传感器等。各种传感器各具特点，监测对象也有不同。比如微流体传感器主要对 100500 m 监测效果较好；对置式磁芯传感器能够有效增强监测效果，但监测流道范围较窄。2 传感器改进研究电感式油液磨粒监测传感器的监测原理基本相同，国内外学者对于电感式传感器的研究主要集中在对传感器的改进和信号处理研究。传感器的改进主要提升检测灵敏度和检测精度，灵敏度主要反映是否能有效检测油液里的金属颗粒，检测精度主要反映检测金属颗粒的大小。对传感器的改进水平直接体现对油液里金属颗粒的检测水平。2.1 参数优化研究电感式磨粒传感器的感应电动势相关参数主要有线圈的结构参数(线圈内径、线圈匝数)、磨粒的特性(磨粒半径、相对磁导率)、激励特性(激励电压、激励频率)和磨粒的位置7。针对这些参数的改进优化，近年来，不同学者从不同角度进行研究。王立勇等8探究了油液磨粒检测传感器线圈之间的距离对传感器输出信号的影响，发现差动式三线圈传感器的线圈间距有一个临界值。当小于临界值时，感应线圈的感应电压会随间距的增加而增大；当线圈间距大于临界值时，感应线圈的感应电压会随间距的增加而减小；当线圈之间的距离达到临界值时，感应线圈的感应电动势会达到最大值。可以发现传感器输出信号与理论正弦信号变化趋势接近一致，并且信号干扰最小、信号最为稳定；陈浩9采用多因素正交仿真试验对电感式磨粒传感器线圈的间距、宽度和内径进行分析与优化。优化后传感器输出的感应电动势峰值是优化前输出感应电动势峰值的 4.9 倍左右，显著提高了电感式磨粒传感器对磨粒的监测效果；苏连成等10提出了基于改进的粒子群算法来优化传感器参数，在不同迭代阶段实现对参数的自适应调整，以平衡局部和全局搜索能力，将励磁线圈的长度、励磁线圈与感应线圈之间的距离以及管子的半径选定为合理的值，以达到最优配置。范辰等11针对传感器结构提出加入高磁导率铁芯的方法来提升传感器的检测灵敏度。高磁导率铁芯的作用主要是增强传感器输出磁场强度，从而使得铁粒的磁化强度增强，感应线圈输出的感应电压提升。对铁芯位置的探究发现，激励线圈外部三侧都有高磁导率铁芯时，传感器检测灵敏度提升效果最好；史皓天等12在对传感器优化的基础上提出了一种高精度双线圈式磨粒传感器，其特点是可检测参数除了电感值还有电阻值。传感器设计的新颖之处是在传感器内部加入硅钢片获得更优的信噪比。研究发现，传感器的激励硅钢片和内置硅钢片对置区域的磁场强度最强。通过对传感器的优化，对铁颗粒的检测精度可达到30 m，对铜颗粒的检测精度可以达到 100 m。在对传感器的优化过程中，除了对传感器自身参数的选定进行优化，也通过对传感器结构中其他模块进行改进，比如在线圈周围加入硅钢片、铁磁芯等，通过这些附加方法提升灵敏度，从而实现对传感器的优化。2.2 信号处理研究电感式传感器的检测精度与传感器的输出信号有关联，对信号的处理研究能够提升传感器对油液中金属磨粒的检测精度。金属磨粒通过传感器时，由于传感器的输出信号是高频正弦波调幅信号，不能直接从中获取金属颗粒的信息，需要对相关信号进行处理才能得到被测颗粒的特征信号。陈讬13基于磨粒信号的峰值电压，拟合出仿真和实际传感器的输出函数，验证了拟合的正确性，尝试结合输出函数实现磨粒尺寸分段，验证了分段结果的可靠性；郑长松等14在对信号提取方法研究时，利用锁相放大技术建立传感器磨感电动势的提取方法模157第 61 卷第 3 期型，之后用仿真进行研究验证，对于传感器的输出信号处理能够很好地反映金属磨粒的相关信息；冯益林等15在对传感器信号进行频谱分析时,利用希尔伯特变换。首先计算平均瞬时频率值来确定信号分解的模态数量，之后将含有噪声的信号分解,利用变分模态分解将实值输入信号分解为离散数量的子信号来筛选部分模态分量，从而实现对信号的重构，能够很好地提高检测信号的特征精度，抑制噪声信号的干扰。金属磨粒进入传感器后，由于周围磁场的扰动，会有噪声信号的产生，因此基于变分模态分解和小波分析的电能扰动信号去噪算法能够很好地对信号进行处理。沈艳林等16在针对信号相位差估计精度问题时，提出一种时变信号相位差估计的相频匹配方法，这种方法可以迁移应用到传感器输出信号的处理问题上。主要将时变信号与参考信号的频率、相位匹配，参考信号与时变信号及其相移信号的互相关获得时变信号的相位差估计值。这一方法应用到磨粒传感器中能够对感应电压信号延迟等状况进行处理，实现时变信号与频率相匹配，有效避免因为信号延迟而导致测量误差；马豪等17在对有效的特征信号提取问题上，相比较传统信号分析方法，提出了新的信号提取方法。新方法的特点主要是将小波分解与能量谱相结合，根据信号的特性选取最优频率段进行频谱分析，之后再结合能量谱提取特征信号，准确地诊断出磨削的每个状态，误判率为 0.02%。在电感式传感器输出信号中夹杂着噪声信号，不能直接反映磨粒相关特征，通过小波分解的方法可以将磨粒信号进行特征提取。能够实现对油液里金属磨粒信息特征进行信号标记。周德强等18通过实验装置采集了含有噪声的缺陷信号，对利用小波系数进行去除噪声的方法进行分析验证，发现信号去噪效果显著提升，进一步表明小波分解方法对信号降噪处理的优势。3 检测电路研究电感式油液磨粒监测传感器的监测效果除了与自身参数有关，还与连接的检测电路有关。检测电路设计的优劣直接影响传感器的工作状态。激励源给激励线圈提供稳定的正弦信号，激励线圈的信号直接影响感应线圈的信号，而油液磨粒进入传感器后的信号变动是在感应线圈信号基础之上进行的，原始信号的质量直接影响后续信号的测评。傅舰艇等19针对三线圈电感式磨粒传感器设计的检测电路的特点是加入调幅调相驱动电路和精密整流电路。该检测电路结合 National Instruments 信号采集模块与 LabVIEW 数据处理，对铁磁磨粒的检测精度可以达到 100 m；张勇等20将检测线圈作为电感元件并联电容构成 LC 振荡电路，其振荡频率采用频率计进测量。通过 LC 振荡电路转换成频