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1、(10)申请公布号 CN 102305755 A (43)申请公布日 2012.01.04 CN 102305755 A *CN102305755A* (21)申请号 201110209929.1 (22)申请日 2011.07.26 G01N 15/00(2006.01) G01N 27/72(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 洪葳 王少萍 韩磊 (74)专利代理机构 北京永创新实专利事务所 11121 代理人 周长琪 (54) 发明名称 一种基于径向磁场的在线磨粒监测传感器及 其监测方法 (57) 摘要 本。
2、发明公开了一种基于径向磁场的在线磨粒 监测传感器及其监测方法， 该传感器包括磁场激 励源、 铁芯、 检测线圈和放大电路， 磁场激励源产 生的稳定静态磁场经铁芯优化形成稳定的径向磁 场作用于油管， 当油管中有磨粒通过检测线圈生 成感应电压， 放大电路对感应电压进行降噪、 增幅 处理输出。所述的监测方法通过上述传感器获得 感应电压， 经放大电路处理后得到有效电压信号， 通过分析有效电压信号的波形， 确定磨粒的运动 速度、 材质和大小信息。 本发明采用稳定的径向磁 场作为监测磁场， 并通过铁芯对磁场的分布进行 优化， 能有效的提高传感器的灵敏度和精度， 适用 于液压系统的在线磨粒监测， 能够为液压系。
3、统状 态监测、 故障诊断和寿命预测的需求提供服务。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 3 页 CN 102305762 A1/2 页 2 1. 一种在线磨粒监测传感器， 其特征在于， 主要包括 ： 一个布置在铁芯上用于产生一个稳定的静态磁场的磁场激励源 ； 一个优化所产生的静态磁场使形成径向磁场作用于油管的铁芯 ； 一个以上布置在铁芯的端面， 并在油管中有磨砺通过时产生感应电压的检测线圈 ； 以及一个连接检测线圈的两端， 对检测线圈两端所产生的感应电压进行抑制共模干 扰、 增大有效信号的幅值处理的连接放。
4、大电路。 2. 根据权利要求 1 所述的一种在线磨粒监测传感器， 其特征在于， 所述的磁场激励源 采用磁铁或者线圈组成。 3. 根据权利要求 1 所述的一种在线磨粒监测传感器， 其特征在于， 所述的检测线圈为 单检测线圈结构。 4. 根据权利要求 1 所述的一种在线磨粒监测传感器， 其特征在于， 所述的检测线圈由 分别布局在铁芯的两个端面上的几何尺寸相同的线圈组成， 所述的两个几何尺寸相同的线 圈采取差分连接形式连接后， 再与放大电路连接， 或者采用串联形式连接后再与放大电路 连接。 5. 利用权利要求 1 所述的在线磨粒监测传感器进行在线磨粒监测的方法， 其特征在 于， 具体是 ： 首先， 。
5、利用磁场激励源产生一个稳定的静态磁场 ； 接着， 利用铁芯优化所产生的静态磁场使形成径向磁场作用于油管上 ； 然后， 在有磨粒通过布置有所述传感器的油管时， 布置在铁芯的检测线圈的两端产生 感应电压 u ： 其中， N 为检测线圈的匝数， 为传感器磁回路的磁通量变化， t 为磨粒的运动时 间 ； 最后， 通过放大电路对检测线圈两端的电压信号进行抑制共模干扰、 增大有效信号的 幅值处理， 最终放大电路输出有效电压信号， 通过对有效电压信号进行处理得到磨粒的信 息。 6. 根据权利要求 5 所述的一种在线磨粒监测方法， 其特征在于， 所述的传感器磁回路 的磁通量变化 为 ： 其中， F 为磁场激励。
6、源的磁势， a为等效为长方体的磨粒的长， b为等效为长方体的 磨粒的宽， h为等效为长方体的磨粒的高， 磨粒的高为沿磁感线方向的长度， 0为真空磁 导率、 为磨粒的相对磁导率， l(x) 为传感器中气隙的磁力线的长度， x 为沿油管轴向上的 位置。 7.根据权利要求5或6所述的一种在线磨粒监测方法， 其特征在于， 所述的对有效电压 信号进行处理得到磨粒的信息， 具体是 ： 将式 (2) 代入式 (1)， 得到 ： 权 利 要 求 书 CN 102305755 A CN 102305762 A2/2 页 3 通过所述在线磨粒监测方法获得感应电压 u， 检测线圈的匝数 N， 磁场激励源产生的磁 势。
7、 F 和传感器磁力线的长度 l(x) 为传感器的已知参数， 真空磁导率 0和磨粒的相对磁 导率 为物理常量， 通过磨粒在传感器运动的时间， 得到磨粒的相对于传感器沿油管轴向 运动的速度 v， 通过输出电压幅值的范围判断出磨粒的材质从而确定 大小， 最终根据式 (12) 得到磨粒的等效体积 abh。 权 利 要 求 书 CN 102305755 A CN 102305762 A1/6 页 4 一种基于径向磁场的在线磨粒监测传感器及其监测方法 技术领域 0001 本发明属于液压系统状态监测、 故障诊断及寿命预测技术领域， 具体涉及一种基 于径向磁场的在线磨粒监测传感器及其监测方法。 背景技术 00。
8、02 随着液压系统的广泛应用， 人们对液压系统的可靠性的要求越来越高， 因此液压 系统的的状态监测、 故障诊断和寿命预测技术已经业内研究的热点之一。 0003 液压油作为液压系统的重要组成部分， 起着传导力和运动、 润滑与冷却等重要作 用， 这使得液压油中的污染物隐含着系统运行状态的大量信息。举例来说， 在正常情况下， 机械零件的磨损可分为三个阶段 ： 磨合阶段、 稳定磨损阶段、 急剧磨损阶段。 0004 其中， 急剧磨损是器件发生故障的前兆， 过度的磨损会损害液压器件并危害整个 液压系统的安全。因此， 油液中的信息对于液压系统故障的早期预警具有极大意义。利用 油液磨粒监测传感器对油液中微粒的。
9、尺寸、 形状、 材质和浓度等指标进行监测， 能够使操作 人员及时掌握机器磨损程度和液压系统的运行状况， 实时对设备进行监管， 在液压系统内 部元件发生急速磨损的前期便获得预警， 能够在不良状况尚未发生时就对特定元件进行更 换维修， 从而减少维修范围并节省维修费用， 降低事故率， 提高系统的综合效能， 有利于提 高系统安全性和生产效率， 为改善机器的工况和改进设计提供宝贵信息。因此为了实现液 压系统的健康管理， 延长液压元件的寿命， 保证液压系统正常工作， 油液的磨粒监测具有重 要意义。 0005 由于液压系统中的磨粒携带有大量摩擦副的信息， 因此目前大多数分析手段都是 基于光、 电、 磁等监测。
10、磨粒大小、 形态、 浓度等信息， 从而实现液压系统的的状态监测、 故障 诊断和寿命预测。 其中铁谱分析、 光谱分析最为成熟， 但是这两种分析方法都是离线的分析 方法， 无法实现对液压系统的实时监测， 因此在线磨粒监测传感器的研究成为了研究的焦 点。 0006 在线监测传感器的设计原理， 可以分为以下 7 类 ： 即基于磁性搜集原理、 基于电感 测量原理、 基于电容测量原理、 基于电阻测量原理、 基于光学测量原理、 基于声学测量原理 和基于 x 射线原理的在线监测传感器。 0007 目前电感式在线污染监测传感器的研究取得了不小的成果。 这些成果主要得益于 其结构简单， 可以快速、 连续进行检测，。
11、 能够同时获得铁磁和非铁磁材料的有关材质及其浓 度的信息， 甚至可以区别气泡和非金属颗粒。同时， 这类传感器对油液本身没有过高的要 求， 除电源外不需要额外的发射源和接收装置， 使其体积更容易控制， 可靠性更高， 可以应 用在较为复杂的环境中。 电感式在线污染监测传感器在具有明显的优势， 但也存在着不足。 首先是精度上有待提高， 无法满足早期故障预测的全部需求 ； 其次是监测结果的波动比较 大， 干扰严重。这些亟待解决的问题是今后研究的方向， 同时表明， 电感式在线磨粒监测传 感器的研究从理论上和技术上都存在巨大的潜力和重要的现实意义。 说 明 书 CN 102305755 A CN 1023。
12、05762 A2/6 页 5 发明内容 0008 本发明的目的是 ： 为液压系统的状态监测、 故障诊断及寿命预测技术服务， 提供了 一种高精度， 高可靠性的在线磨粒监测传感器及其监测方法， 能实时的提供液压油内的磨 粒的状态信息。 0009 本发明一种基于径向磁场的在线磨粒监测方法， 具体是 ： 首先， 利用磁场激励源产 生一个稳定的静态磁场 ； 接着， 利用铁芯优化所产生的静态磁场使形成径向磁场作用于油 管上 ； 然后， 在有磨粒通过布置有所述传感器的油管时， 布置在铁芯的检测线圈的两端产生 感应电压 u ： 0010 0011 其中， N 为检测线圈的匝数， 为传感器磁回路的磁通量变化， 。
13、t 为磨粒的运 动时间 ； 0012 最后， 将通过放大电路对检测线圈两端的电压信号进行抑制共模干扰、 增大有效 信号的幅值处理， 最终放大电路输出有效电压信号， 通过对有效电压信号进行处理得到磨 粒的信息。 0013 本发明一种基于径向磁场的在线磨粒监测传感器， 主要包括 ： 0014 一个布置在铁芯上用于产生一个稳定的静态磁场的磁场激励源 ； 0015 一个优化所产生的静态磁场使形成径向磁场作用于油管的铁芯 ； 0016 一个以上布置在铁芯的端面， 并在油管中有磨砺通过时产生感应电压的检测线 圈 ； 0017 以及一个连接检测线圈的两端， 对检测线圈两端所产生的感应电压进行抑制共模 干扰、。
14、 增大有效信号的幅值处理的连接放大电路。 0018 本发明的优点和积极效果是 ： 0019 (1) 采用铁芯优化传感器磁路， 能够有效的降低回路的磁阻， 增大回路的磁通， 有 助于提高传感器的灵敏度 ； 同时也能有效的规划油管中的的磁场分布。 0020 (2) 径向磁场布局相对于传统轴向布局， 能使得传感器的敏感尺寸 ( 磁场的轴向 宽度 ) 与激励源和检测线圈的几何尺寸解耦， 因此径向磁场更容易提高单位面积内的磁通 量， 从而提高传感器的灵敏度。 0021 (3) 采用静态磁场能提高传感器的线性度同时减小由激励线圈参数变化导致的测 量误差。 以往的电磁型磨粒传感器都采用交流激励， 产生交变磁。
15、场， 传感器的非线性问题比 较严重 ； 而且激励的频率都在兆赫级甚至更高， 激励线圈微小的参数漂移就会引起传感器 的输出变化， 因此容易引起测量误差。 附图说明 0022 图 1 是传统电磁传感器施加轴向磁场的结构示意图 ； 0023 图 2 是本发明基于径向磁场的在线磨粒监测传感器的结构示意图 ； 0024 图 3 是磁场激励源采用激励线圈时的结构示意图 ； 0025 图 4 是平头铁芯的磁场仿真图 ； 0026 图 5 是尖头铁芯的磁场仿真图 ； 说 明 书 CN 102305755 A CN 102305762 A3/6 页 6 0027 图 6 本发明的基于径向磁场的在线磨粒监测方法的。
16、流程示意图 ； 0028 图 7 是气隙磁阻的等效模型图 ； 0029 图 8 是磨砺在传感器中运动的示意图 ； 0030 图 9 是本发明实施例模拟铁磁质磨粒通过本发明的传感器产生的电压波形示意 图。 具体实施方式 0031 下面结合附图是实施例对本发明的在线磨粒监测传感器及其监测方法进行详细 说明。 0032 如图1所示， 为一种传统电磁传感器在进行磨粒检测， 线圈6直接缠绕在油管上构 成磁场激励源， 给油管 5 施加了一个轴向磁场。当磨粒进入传感器时， 引起线圈 6 的电感变 化， 通过检测电感变化， 可以一定程度的实现磨粒材质和大小的检测。 0033 如图2所示， 本发明的在线磨粒监测。
17、传感器主要包括磁场激励源1、 铁芯2、 检测线 圈 3 和放大电路 4。磁场激励源 1 产生一个稳定的磁势， 通过铁芯 2 获得一个稳定的磁场径 向作用于油管5上， 当磨粒进入设置传感器位置的油管时， 引起通过检测线圈3中的磁通量 变化， 从而在检测线圈 3 两端产生感应电压， 产生的感应电压经由放大电路 4 放大， 输出到 外置的信号采集装置， 信号采集装置对得到的感应电压进行处理后， 即能获得磨粒大小、 材 质等相关信息。如图 2 所示， 磁场激励源 1 设置在铁芯 2 上， 检测线圈 3 布置在铁芯 2 的一 个端面上， 将油管 5 放置在铁芯 2 的空缺处。 0034 磁场激励源 1 。
18、是传感器磁场的来源， 可以由一定匝数的线圈组成， 也可以由磁铁 组成。例如， 图 2 所示， 磁场激励源 1 采用磁铁， 如图 3 所示， 磁场激励源 1 采用线圈组成。 线圈构成的磁场激励源的磁势可以通过电流控制， 而由磁铁组成的磁场激励源的磁势稳定 性较好。 0035 铁芯 2 是磁场的主要通路， 采用电工纯铁加工而成。改变铁芯 2 的结构可以改变 油管 5 中的磁场分布， 从而实现优化磁场分布提高传感器性能。如图 4 所示， 铁芯 2 的端面 采用平头结构和如图 5 采用尖头结构， 通过软件仿真的结果， 可以发现两种结构产生的磁 场分布有较大的区别， 因此通过改变铁芯 2 的结构可以改变。
19、油管 5 中的磁场分布。 0036 检测线圈 3 是传感器的核心部件， 布置在铁芯 2 的端面上。检测线圈 3 的几何尺 寸和安装位置对传感器的输出都有重要影响。如图 2 所示， 本发明实施例采用单检测线圈 结构， 布局在铁芯的端面上。也可在铁芯 2 的两个端面上各布局一个几何尺寸相同的线圈 做为检测线圈 3， 组成检测线圈 3 的两个线圈可采取差分连接的形式连接后再与放大电路 4 连接， 放大电路 4 得到的输出电压信号在一定程度上能反映磨粒的径向位置信息 ； 组成检 测线圈 3 的两个线圈也可采用串联形式进行连接后再与放大电路 4 连接， 则能降低磨粒径 向分布对检测线圈 3 两端输出电压。
20、的影响。 0037 由于传感器工作环境一般都较为复杂， 存在较大的电磁干扰， 而检测线圈 3 的感 应电压又很微弱， 所以有效信号基本上都是淹没在干扰中的， 因此需要在放大电路 4 中实 现对检测线圈 3 输出的电压信号去除干扰， 增大有效信号的幅值、 提高输出信号的信噪比 等功能。为了减少干扰， 对检测线圈 3 进行电磁屏蔽 ； 同时放大电路 4 采用差分放大模式， 能够有效的抑制共模干扰 ； 除此之外放大电路4的电源采用线性电源， 减小放大电路4自身 说 明 书 CN 102305755 A CN 102305762 A4/6 页 7 的电气噪声。 0038 如图 6 所示， 本发明一种在。
21、线磨粒监测方法， 具体是 ： 0039 首先， 通过磁场激发源 1 激发静态磁场。 0040 接着， 通过铁芯 2 优化所产生的静态磁场， 使之形成径向磁场作用于油管 5 上。 0041 然后， 当磨粒通过布置有所述传感器的油管 5 时， 引起径向磁场中磁通量的变化， 从而使得检测线圈 2 的两端产生感应电压。 0042 最后， 将检测线圈 2 两端产生的感应电压通过放大电路 4 处理， 放大电路 4 对检测 线圈 2 两端的电压信号进行抑制共模干扰、 增大有效信号的幅值处理， 最终输出有效电压 信号。再对得到的有效电压信号经过模拟信号到数字信号的转化， 并经过相应的计算处理 后， 能获得磨粒。
22、大小、 材质等相关信息， 这些信息可被用于液压系统的状态监测、 故障诊断 及寿命预测。 0043 具体检测方法的原理如下 ： 当磨粒通过传感器时回路中磁阻的变化， 从而引起检 测线圈中的磁通量变化， 由法拉第电磁感应定律可知， 检测线圈两端会相应的产生感应电 压 u， 如公式 (1) 所示。 0044 0045 u 为检测线圈的输出电压， N 为检测线圈的匝数， 为传感器磁回路的磁通量变 化， t 为磨粒的运动时间。 0046 在传感器磁回路中， 总磁阻等于铁芯的磁阻与气隙的磁阻之和， 其中气隙磁阻可 以等效为有限条磁路 r1 rn的磁阻并联， 其拓扑关系如图 7 所示。所以回路的总磁通为 0。
23、047 0048 F为磁场激励源1产生的磁势， 当磁场激励源1为一定匝数的激励线圈时， FN0I， 下面具体就以磁场激励源 1 为一定匝数的激励线圈来说明。N0为激励线圈的匝数， I 为激 励线圈中的电流， RS为铁芯的磁阻， RA为气隙的磁阻， ri为第 i 条磁路的磁阻。 0049 由于铁芯磁阻远远小于气隙的磁阻， 即 RS RA所以 0050 0051 假设磨粒从无穷远处沿x轴方向向传感器运动， 所述的x轴方向为油管轴向方向。 如图8所示， t时刻磨粒所在的位置为P， 经过磨粒的气隙中磁感线的长度为lp， 则传感器磁 回路的磁通变化为 ： 0052 0053 P为磨粒在位置 P 时传感器。
24、磁回路的总磁通， 0为磨粒在无穷远处时传感器磁 回路的总磁通， RP为磨粒在位置 P 时传感器磁回路的磁阻， RO为磨粒在无穷远处时传感器 磁回路的磁阻。 0054 将公式 (3) 带入公式 (4)， 得 说 明 书 CN 102305755 A CN 102305762 A5/6 页 8 0055 0056 rp为磨粒在无穷远处时第 p 条磁路的磁阻， r p为磨粒在位置 P 时第 p 条磁路的 磁阻。 0057 将磨粒等效为长方体， 其几何尺寸为 ： a为磨粒的长， b为磨粒的宽， h为磨粒 的高， 磨粒的高为沿磁感线方向的长度。 0058 由长方体磁阻计算公式 0059 0060 l 为。
25、长方体的高， s 为长方体的底面积， a为长方体内物质的绝对磁导率。可得 等效长方体的磨粒的磁阻为 ： 0061 0062 0063 0为真空磁导率， 为磨粒的相对磁导率。lp为磨粒在位置 P 时气隙中磁感线 的长度。 0064 将公式 (7)(8) 带入公式 (5) 得 0065 0066 由于 0 且 lp h， 因此 0067 0068 由于是传感器中气隙磁力线的长度是油管轴向位置 x 的函数， 即 lp l(x)， 所以 由公式 (10) 可知 0069 0070 由公式 (1)(11)， 可得传感器的输出电压 0071 0072 0073 0074 v 为磨粒的相对于传感器沿 X 轴。
26、的速度。 0075 由式 (12) 可以看出， 通过本发明的能够获得电压 u 的值， 检测线圈的匝数 N、 激励 线圈的匝数 N0、 激励线圈中的电流 I 和传感器磁力线的长度 l(x) 为传感器的已知参数， 真 空磁导率 0和磨粒的相对磁导率 为物理常量， 通过磨粒在传感器运动的时间， 即输 说 明 书 CN 102305755 A CN 102305762 A6/6 页 9 出一个电压波形的时间， 计算出磨粒的运动速度 v， 通过输出电压幅值的范围根据式 (12) 推断出磨粒的材质从而得到 大小 ； 最终解出磨粒的等效体积 abh。 0076 实际液压系统中磨粒的产生主要是由于各摩擦副的两。
27、个面相互摩擦产生的， 磨粒 的大小在几微米到几毫米之间。由于磨粒在实际液压管道中的分布和速度可控性差， 不利 于直观的反应本传感器的实际性能。因此在实施例中， 是采用蜡柱模拟液柱携带磨粒在管 道中运动。 具体实施过程是将一颗磨粒封装在蜡柱中， 在气压的作用下使之沿管道， 快速通 过传感器。采集磨粒通过传感器过程中， 传感器的输出电压， 波形如图 9 所示。 0077 实验波形表明， 当磨粒通过传感器时能产生明显的电压波形。通过分析波形可以 得到磨粒磁特性信息， 通过波形产生的时间能够得到磨粒的运动速度， 依据公式 (12) 通过 电压波形的最大幅值能够得到磨粒的大小信息， 因此本发明能够有效的实现磨粒的在线监 测。 说 明 书 CN 102305755 A CN 102305762 A1/3 页 10 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102305755 A CN 102305762 A2/3 页 11 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102305755 A CN 102305762 A3/3 页 12 图 7 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 102305755 A 。