一種基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法及監(jiān)測傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法及監(jiān)測傳感器，在油液設備的油管兩側(cè)設置對稱的磁場回路，作為激勵源；使兩側(cè)磁場在油管處疊加，并沿徑向作用于油管；同時設置檢測線圈，使得在油管中有磨粒通過磁場回路時，導致磁場回路的磁通量變化，磁通量的變化使檢測線圈中電壓的變化，進而由檢測線圈實時輸出自身的感應電壓信號；將檢測線圈輸出的電壓信號經(jīng)過放大電路放大，同時進行抑制共模信號，放大差模信號的處理，再經(jīng)過后續(xù)分析處理，得到磨粒信息。本發(fā)明的優(yōu)點為：采用雙邊對稱結(jié)構，可以保證磁場回路以油管為中心對稱，從而使穿過油管的磁場更加均勻、更加對稱，同時也能增加磁場強度，提高傳感器的靈敏度。
【專利說明】-種基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法及監(jiān) 測傳感器
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及壽命預測【技術領域】，具體設及一種基 于徑向磁場的在線磨粒監(jiān)測傳感器及其監(jiān)測方法。
【背景技術】
[0002] 研究表明，磨損會大大影響液壓設備的工作可靠性和使用壽命。磨損會造成巨大 的經(jīng)濟損失，約80%的機械故障與磨損有著直接關系，其中磨料磨損是主要原因。在礦山、 煤炭、建筑W及運輸機械中，磨損均會帶來巨大的經(jīng)濟損失。經(jīng)過大量的實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，設 備磨損的主要原因是由油液中的固體顆粒污染物造成的。如果對使用油液的設備進行油液 狀態(tài)的實時的檢測、記錄和數(shù)據(jù)處理，并由此判斷機械設備的運行狀況，進行健康預測，就 能夠根據(jù)檢測結(jié)果制定合適的管理和維護策略。
[0003] 液壓油在液壓系統(tǒng)中起著傳遞能量、系統(tǒng)防滑、防磨、防誘、冷卻等功能，因而分析 液壓油中的污染物質(zhì)可W得到諸多關于設備運行狀況的信息。分析油液中雜質(zhì)的成分，需 要對機械設備的磨損類型、規(guī)律W及影響因素有一定的了解。
[0004] 根據(jù)機械部件的不同，機械磨損的誘導因素各有差異。磨損主要分為粘著磨損、磨 料磨損、表面疲勞磨損W及腐蝕磨損該幾種類型，其中磨料磨損是污染油液、造成機械故障 的主要原因。在一般情況下，機械零件的磨損又分為=個階段。
[0005] (1)磨合階段，該階段是因為零件剛剛加工完成時，零件表面不平整。在凸塊位置 會產(chǎn)生較高的接觸應力，磨損速度較快。隨著機械的不斷運轉(zhuǎn)磨合，凸塊的部分被不斷磨 平。摩擦表面的接觸面積逐漸增加，從而使磨損速度減緩。
[0006] (2)穩(wěn)定磨損階段，磨損速度減緩而且趨于穩(wěn)定，磨損量隨時間增加而增加，間隙 逐漸增大。
[0007] (3)急速磨損階段，由于溫度急劇增加，金屬組織發(fā)生變化等因素的影響，產(chǎn)生的 間隙過大，潤滑油膜易破壞。此時磨損速度迅速增加，導致精度降低，機械效率降低，出現(xiàn)異 常的震動和噪聲，最終可能會導致意外。不同磨損期產(chǎn)生的磨粒具有不同的特征，為了避免 急速磨損階段的產(chǎn)生，檢測油液中雜質(zhì)顆粒的濃度、尺寸、形狀、成分等指標對故障的早期 預警顯得尤為重要。
[000引 目前用于油液檢測的傳感器種類有很多種，在各類傳感器當中，電磁感應式傳感 器是當前研究的焦點。該種傳感器測量范圍廣，抗干擾能力強，結(jié)構簡單，提高精度的手段 多樣等特點。
[0009] 如圖1所示，該傳感器為傳統(tǒng)的螺線管結(jié)構的電磁感應式傳感器。線圈直接繞在 油管上，線圈中通電流時，將在油管軸向感應出磁場。當油管中有磨粒通過時，將引起磁通 量的變化，通過檢測該變化可W-定程度上得到磨粒信息。線圈直接纏繞在油管上，必須固 定安裝，對使用造成了不便，另外線圈產(chǎn)生的磁場是與油管平行的，該就導致整個磁路中有 很大一部分是由空氣構成的，使得總磁通受到了很大的損失，故而影響了檢測靈敏度。所W 我們將采用一種新的傳感器結(jié)構w解決磁路損失的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 本發(fā)明針對電磁感應式傳感器進行改造W及驗證，提出一種基于徑向磁場的雙邊 對稱結(jié)構線磨粒監(jiān)測方法及監(jiān)測傳感器，通過監(jiān)測油液內(nèi)磨粒的相關信息，有效地推測液 壓系統(tǒng)的運行狀態(tài)、進行故障診斷W及預測壽命，同時保證傳感器的高精度和高可靠性。
[0011] 本發(fā)明一種基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構的在線磨粒監(jiān)測方法，通過下述方式實 現(xiàn)：
[0012] 首先，在油液設備的油管兩側(cè)對稱位置施加相互對稱且旋轉(zhuǎn)方向相反的磁場，形 成雙邊對稱的磁場回路，作為激勵源。
[0013] 然后，使兩磁場在油管處疊加，并沿徑向作用于油管。
[0014] 接著，設置檢測線圈，使得在油管中有磨粒通過磁場回路時，導致磁場回路的磁通 量變化，磁通量的變化使檢測線圈中電壓的變化，進而由檢測線圈實時輸出自身的感應電 壓信號。
[0015] 最后，將檢測線圈輸出的電壓信號經(jīng)過放大電路放大，同時進行抑制共模信號，放 大差模信號的處理，再經(jīng)過后續(xù)分析處理，得到磨粒信息。
[0016] 同時針對上述基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法還提出一種監(jiān)測 傳感器，安裝于油液的設備的油管上，包括永磁鐵、鐵質(zhì)導磁臂、檢測線圈和放大電路。
[0017] 其中，永磁鐵與鐵質(zhì)導磁臂均為兩個；兩個永磁鐵對稱設置，S級之間與N級之間 分別通過一個鐵質(zhì)導磁臂相連；由此兩個永磁鐵與鐵質(zhì)導磁臂構成環(huán)狀結(jié)構，套接在油液 設備的油管上，使油管的軸線位于環(huán)形結(jié)構的中屯、處；兩個永磁鐵作為激勵源產(chǎn)生兩個旋 轉(zhuǎn)方向相反的磁場，形成雙邊對稱的磁場回路，并在油管處疊加，徑向加載在油管上。
[0018] 所述檢測線圈設置于一個鐵質(zhì)導磁臂的中部；放大電路用來將檢測線圈檢測到的 電壓信號進行放大，并將放大后的電壓信號輸入到外置的信號采集設備中，通過信號采集 設備進行分析處理得到磨粒信息。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0020] (1)本發(fā)明采用雙邊對稱結(jié)構，可W保證磁場回路W油管為中屯、對稱，從而使穿過 油管的磁場更加均勻、更加對稱，同時也能增加磁場強度，提高傳感器的靈敏度；
[0021] (2)本發(fā)明采用徑向磁場的檢測的結(jié)構，能夠使傳感器的敏感尺寸（磁場的軸向 寬度）與激勵源和檢測線圈的幾何尺寸解禪，因此徑向磁場更容易提高單位面積內(nèi)的磁通 量，從而提高傳感器的靈敏度；
[0022] (3)本發(fā)明采用靜態(tài)磁場能提高傳感器的線性度同時減小由激勵線圈參數(shù)變化導 致的測量誤差。W往采用交流激勵，產(chǎn)生交變磁場，傳感器的非線性問題比較嚴重；而且激 勵的頻率都在兆赫級甚至更高，激勵線圈微小的參數(shù)漂移就會引起傳感器的輸出變化，因 此容易引起測量誤差；
[0023] (4)本發(fā)明采用侶殼全包裹的結(jié)構，能夠有效屏蔽環(huán)境中的工頻干擾，降低采集信 號中的噪聲，進而提高傳感器的精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 圖1是傳統(tǒng)電磁傳感器施加軸向磁場的結(jié)構示意圖；
[0025] 圖2是本發(fā)明雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法流程圖；
[0026] 圖3是油管附近的磁場分布仿真圖；
[0027] 圖4是單邊結(jié)構橫向和縱向截面的磁場分布曲線；
[002引圖5是雙邊結(jié)構縱向截面的磁場分布曲線；
[0029] 圖6a是無磨粒的蠟塊通過本發(fā)明的傳感器產(chǎn)生的未經(jīng)濾波處理的電壓信號波形 圖；
[0030] 圖化是無磨粒的蠟塊通過本發(fā)明的傳感器產(chǎn)生的經(jīng)濾波處理的電壓信號波形 圖；
[003U 圖7a是lOOum級磨粒的蠟塊通過本發(fā)明的傳感器產(chǎn)生的電壓波形示意圖；
[003引圖化是lOOum級磨粒的蠟塊通過本發(fā)明的傳感器產(chǎn)生的電壓波形示意圖；
[003引圖8a是200um級磨粒的蠟塊通過本發(fā)明的傳感器產(chǎn)生的電壓波形示意圖；
[0034] 圖8b是200um級磨粒的蠟塊通過本發(fā)明的傳感器產(chǎn)生的電壓波形示意圖；
[0035] 圖9a是400um級磨粒的蠟塊通過本發(fā)明的傳感器產(chǎn)生的電壓波形示意圖；
[0036] 圖9b是400um級磨粒的蠟塊通過本發(fā)明的傳感器產(chǎn)生的電壓波形示意圖；
[0037] 圖10a是600um級磨粒的蠟塊通過本發(fā)明的傳感器產(chǎn)生的電壓波形示意圖；
[0038] 圖1化是600um級磨粒的蠟塊通過本發(fā)明的傳感器產(chǎn)生的電壓波形示意圖。
[0039] 圖11是本發(fā)明基于徑向磁場的在線磨粒監(jiān)測傳感器的結(jié)構示意圖；
[0040] 圖12是油路通過部分的磁場仿真圖。
[0041] 圖中；
[0042] 1-永磁鐵 2-導磁臂3-檢測線圈
[0043] 4-放大電路5-屏蔽罩6-凸塊
[0044] 7-油管
【具體實施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0046] 本發(fā)明基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法，如圖2所示，具體通過 下述方式實現(xiàn)：
[0047] 首先，在油液設備的油管兩側(cè)對稱位置施加相互對稱且旋轉(zhuǎn)方向相反的磁場，形 成雙邊對稱的磁場回路，作為激勵源；此時，兩磁場在油管處疊加，并沿徑向作用于油管； 接著，當油管中有磨粒通過磁場回路時，將導致磁場回路的磁通量變化，磁通量的變化會引 起檢測線圈中電壓的變化，進而由檢測線圈實時輸出自身的感應電壓信號U :
[0048]
【權利要求】
1. 基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法，其特征在于： 首先，在油液設備的油管兩側(cè)對稱位置施加相互對稱且旋轉(zhuǎn)方向相反的磁場，形成雙 邊對稱的磁場回路，作為激勵源； 然后，使兩磁場在油管處疊加，并沿徑向作用于油管； 接著，設置檢測線圈，使得在油管中有磨粒通過磁場回路時，導致磁場回路的磁通量變 化，磁通量的變化使檢測線圈中電壓的變化，進而由檢測線圈實時輸出自身的感應電壓信 號； 最后，將檢測線圈輸出的電壓信號經(jīng)過放大電路放大，同時進行抑制共模信號，放大差 模信號的處理，再經(jīng)過后續(xù)分析處理，得到磨粒信息。
2. 權利要求1所述的基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法的監(jiān)測傳感 器，安裝于油液的設備的油管上，其特征在于：包括永磁鐵、鐵質(zhì)導磁臂、檢測線圈和放大電 路； 其中，永磁鐵與鐵質(zhì)導磁臂均為兩個；兩個永磁鐵對稱設置，S級之間與N級之間分別 通過一個鐵質(zhì)導磁臂相連；由此兩個永磁鐵與鐵質(zhì)導磁臂構成環(huán)狀結(jié)構，套接在油液設備 的油管上，使油管的軸線位于環(huán)形結(jié)構的中心處；兩個永磁鐵作為激勵源產(chǎn)生兩個旋轉(zhuǎn)方 向相反的磁場，形成雙邊對稱的磁場回路，并在油管處疊加，徑向加載在油管上； 所述檢測線圈設置于一個鐵質(zhì)導磁臂的中部；放大電路用來將檢測線圈檢測到的電壓 信號進行放大，并將放大后的電壓信號輸入到外置的信號采集設備中，通過信號采集設備 進行分析處理得到磨粒信息。
3. 如權利要求2所述基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法的監(jiān)測傳感器， 其特征在于：所述兩個鐵質(zhì)導磁臂設計為中部具有凸塊的T型結(jié)構，兩個凸塊相對，間距與 油管直徑相等，通過兩個凸塊實現(xiàn)油管的定位。
4. 如權利要求3所述基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法的監(jiān)測傳感器， 其特征在于：所述任意一個鐵質(zhì)導磁臂的凸塊上纏繞檢測線圈。
5. 如權利要求3所述基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法的監(jiān)測傳感器， 其特征在于：所述檢測線圈安裝在任意一個鐵質(zhì)導磁臂中部凸塊上。
6. 如權利要求3所述基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法的監(jiān)測傳感器， 其特征在于：所述放大電路為三級放大電路，采用差模放大模式。
7. 如權利要求3所述基于徑向磁場的雙邊對稱結(jié)構在線磨粒監(jiān)測方法的監(jiān)測傳感器， 其特征在于：所述永磁鐵、導磁臂、以及檢測線圈包裹在屏蔽罩內(nèi)，使磁場回路完全包裹在 連續(xù)導電的鋁制屏蔽罩內(nèi)。
【文檔編號】G01N15/00GK104502242SQ201410669119
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權日:2014年11月20日
【發(fā)明者】王少萍, 劉浩闊, 洪葳, 石健, 王興堅 申請人:北京航空航天大學