基于FPGA的油液在線監(jiān)測系統(tǒng)

把 鑫，王吉芳，左云波，谷玉海，鄭長松

(1.北京信息科技大學(xué)，機(jī)電系統(tǒng)測控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192;2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

0 引言

磨損是機(jī)械零部件失效的主要因素之一，機(jī)器零件的失效形式中，磨損失效占70%以上［1］。潤滑油作為機(jī)械設(shè)備的“血液”，蘊(yùn)藏著豐富的來自機(jī)械運(yùn)動副表面的摩擦學(xué)狀態(tài)信息，能夠反映設(shè)備的磨損現(xiàn)狀與趨勢。國內(nèi)外目前采用的磨損檢測技術(shù)大致包括:光譜型、光學(xué)型、導(dǎo)電型、微孔阻尼型等，其中大多數(shù)為離線檢測形式，存在反應(yīng)慢、周期長、時效性差等缺點(diǎn)。而現(xiàn)代裝備功能、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，發(fā)展在線磨粒監(jiān)測技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大量取樣、實(shí)時監(jiān)測等功能，已成為現(xiàn)代裝備狀態(tài)監(jiān)測與診斷領(lǐng)域的必然趨勢。

1 油液在線監(jiān)測系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案

以實(shí)現(xiàn)磨粒材料、尺寸及數(shù)量的連續(xù)在線監(jiān)測為目的，基于FPGA控制器針對一種雙激勵螺旋管式磨粒傳感器設(shè)計出一種油液在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由磨粒傳感器、FPGA磨粒監(jiān)測模塊、PC104總線、嵌入式X86主控板和上位機(jī)軟件組成。磨粒傳感器用于獲取油液中的磨粒信息，磨粒監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)了對磨粒傳感器的激勵及感應(yīng)信號的監(jiān)測。選用PC104總線與各油液監(jiān)測模塊連接，由嵌入式X86主控板控制，可實(shí)現(xiàn)多路油液傳感器同步采集，并具有擴(kuò)展性好、體積小、信號穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。利用Delphi制作出上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)對磨粒監(jiān)測系統(tǒng)的控制及磨粒特征信號的記錄。

圖1 油液在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 雙激勵螺旋管式磨粒傳感器原理

雙激勵螺旋管式磨粒傳感器是在同一個磁惰性的管子上繞3組線圈構(gòu)成，見圖2。其原理如圖2(a)所示，其中激勵線圈1和激勵線圈2反向串聯(lián)，由高頻交流電源驅(qū)動，它們各自產(chǎn)生的磁場方向相反，在兩個線圈的中點(diǎn)處即感應(yīng)線圈處相互抵消。當(dāng)含有金屬顆粒的油液流過磨粒傳感器時，引起感應(yīng)線圈中磁場的擾動，磁場變化的幅值被轉(zhuǎn)換為電壓值，用來確定顆粒的尺寸;而相位的變化則用來反映顆粒的屬性。

圖2 雙激勵螺旋管式磨粒傳感器原理及結(jié)構(gòu)

磨粒傳感器結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，圖中取激勵線圈1的端點(diǎn)O為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，軸向?yàn)閤軸向右為正方向，取徑向?yàn)閥軸向上為正方向。假設(shè)金屬磨粒是球形的，半徑為ra、速度為v、經(jīng)過激勵線圈1的時間為t、相對磁導(dǎo)率為μm;激勵線圈1的長度為m、匝數(shù)為N1、流過的電流為I;磁惰性管子半徑為r、真空磁導(dǎo)率為μ0、激勵線圈1到感應(yīng)線圈的長度為n。當(dāng)金屬磨粒進(jìn)入激勵線圈1時，引起被覆蓋的那部分線圈局部電感增大，其增大值為Lm為

根據(jù)畢奧－薩伐爾定律，可以進(jìn)一步得到，由電流變化量Δi引起的中心點(diǎn)O的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化為

由于感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢E，是由于金屬磨粒進(jìn)入激勵線圈1引起感應(yīng)線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大或減少而產(chǎn)生的，再由φ=ΔBS(S為正對面積(負(fù)號代表方向)就可以得到感應(yīng)電動勢E。即為式(4)所示:

當(dāng)金屬磨粒剛好完全通過激勵線圈1時，感應(yīng)線圈感應(yīng)電動勢的輸出電壓剛好達(dá)到最大值。此時

式(5)即為傳感器的感應(yīng)電動勢輸出模型［2］。

3 油液磨粒監(jiān)測模塊設(shè)計

雙激勵螺旋管式磨粒傳感器需要被提供交變激勵信號方能工作，同時其輸出的感應(yīng)信號十分微弱并被高頻調(diào)制。據(jù)此設(shè)計磨粒監(jiān)測模塊如圖3所示，該模塊可為傳感器提供激勵信號的同時監(jiān)測磨粒傳感器輸出的感應(yīng)信號。磨粒監(jiān)測模塊主要由3部分構(gòu)成:磨粒傳感器激勵電路、磨粒傳感器采集電路與PC104總線電路。監(jiān)測模塊三部分全部由FPGA控制器協(xié)調(diào)工作，并通過PC104總線將檢測信息發(fā)送給在線監(jiān)測系統(tǒng)的嵌入式主控板。

圖3 磨粒監(jiān)測模塊功能框圖

3.1 油液磨粒傳感器激勵電路設(shè)計

由于雙激勵螺旋管式磨粒傳感器的激勵源中高次諧波會在感應(yīng)線圈上產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)信號，干擾信號的鎖相放大。因而要求傳感器的激勵線圈上的電壓信號必須是良好的正弦波，其頻率、幅度十分穩(wěn)定。因此，采用由FPGA控制器中信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的方波信號驅(qū)動MOSFET管開關(guān)，為磨粒傳感器提供開關(guān)型交變電流源，利用傳感器內(nèi)的振蕩電路產(chǎn)生頻率、幅值穩(wěn)定的正弦激勵信號。

圖4為推挽式MOSFET管驅(qū)動電路。

圖4 推挽式MOSFET驅(qū)動電路

由信號發(fā)生模塊發(fā)出的方波激勵信號經(jīng)過耦合電容C1與共射放大電路放大后，再經(jīng)推挽電路驅(qū)動MOSFET開關(guān)，產(chǎn)生交變電流源信號以激勵傳感器工作。為使激勵信號頻率范圍內(nèi)的容抗很小，同時隔離激勵信號與放大電路之間的直流量，宜選用容量較大的耦合電容。當(dāng)激勵信號為高電平時，推挽驅(qū)動電路中的T2導(dǎo)通，MOSFET快速導(dǎo)通;當(dāng)激勵信號為低電平時，T2導(dǎo)通，MOSFET的輸入電容放電，柵極接電，MOSFET快速關(guān)斷，兩個晶體管T2和T3都使信號放大，提高了電路的工作速度，同時它們是作為射極輸出器工作的，不會處于飽和狀態(tài)，因此該電路的信號傳輸無延遲。

3.2 油液磨粒傳感器采集電路設(shè)計

傳感器輸出的感應(yīng)信號為μV級，而A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號范圍是固定的，因此，需要把傳感器所采集的微弱感應(yīng)信號放大，又因傳感器采集的信號離散性較大，故選用可編程放大器，選擇合適的放大倍數(shù)，使所采集的感應(yīng)信號滿足A/D轉(zhuǎn)換器量程要求。傳感器輸出的感應(yīng)信號往往會受到工頻電磁場(50 Hz)及其高次諧波的干擾，本系統(tǒng)采用50 Hz和100 Hz的濾波器濾除信號中的工頻干擾信號，從而提高了輸出感應(yīng)信號的可靠性和精確度。

傳感器輸出的感應(yīng)信號中，不可避免地會有高頻干擾信號混雜在有用信號當(dāng)中，當(dāng)這些信號的頻率超過采樣定理所規(guī)定的范圍時，就會采集到一些不確定的信號并對有用信號造成干擾，即頻率混疊。為了最大程度地抑制或消除混疊現(xiàn)象對動態(tài)測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的影響，就需要利用抗混疊濾波器將無用信號進(jìn)行衰減和濾除［3］。最后經(jīng)過抗混疊濾波處理后的信號進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器將模擬感應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字感應(yīng)信號送入FPGA進(jìn)行處理。

A/D轉(zhuǎn)換器選用AD7760芯片，AD7760芯片是一款高性能、24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，非常適合應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集。其接口以傳統(tǒng)模式工作，使用16位雙向并行接口，且此接口由RD/WR和CS引腳控制，具體A/D接口電路如圖5所示。

圖5 A/D接口電路

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)的FPGA控制器配置電路設(shè)計

磨粒監(jiān)測模塊中磨粒傳感器激勵電路、磨粒傳感器采集電路和PC104總線電路都需要FPGA控制器協(xié)調(diào)工作，因此，設(shè)計了FPGA控制器配置電路。如圖6所示FPGA控制器配置電路主要由信號發(fā)生模塊、鎖相放大模塊、PC104控制模塊構(gòu)成。

圖6 FPGA控制器配置電路框圖

3.3.1 信號發(fā)生模塊設(shè)計

在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的信號發(fā)生模塊，采用了DDS技術(shù)，即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，可產(chǎn)生2路頻率相位可調(diào)信號:一路為方波激勵信號，激勵螺旋管式磨粒傳感器工作，另一路為正弦參考數(shù)字信號，作為鎖相放大器的參考信號。DDS的基本原理是利用采樣定理，對需要產(chǎn)生的波形進(jìn)行采樣，經(jīng)量化后存入存儲器中作為待產(chǎn)生信號波形的數(shù)據(jù)表;在需要輸出波形時，從數(shù)據(jù)表中依次讀出數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)字化的信號，這個信號再通過D/A轉(zhuǎn)換器和濾波器后就變成了所需的模擬信號波形［4］。該模塊產(chǎn)生的方波激勵信號和正弦參考信號具有嚴(yán)格同相位、頻率可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。

3.3.2 鎖相放大器模塊設(shè)計

利用FPGA搭建出一種精度高、噪聲低、性能穩(wěn)定的數(shù)字鎖相放大模塊，用來提取傳感器輸出的微弱感應(yīng)信號，可實(shí)現(xiàn)感應(yīng)信號的A/D轉(zhuǎn)換、解調(diào)處理。該數(shù)字鎖相放大模塊主要由AD7721控制模塊、PSD模塊、FIR濾波模塊組成。AD7721模塊用于控制AD7721芯片實(shí)現(xiàn)傳感器輸出的感應(yīng)信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程;PSD模塊是鎖相放大器的核心部件，用于實(shí)現(xiàn)被測信號與參考信號的互相關(guān)運(yùn)算;FIR濾波模塊數(shù)字低通濾波器的作用是濾除乘法器輸出中的高頻成分，保留含有被測信號幅值信息的低頻直流成分［5］。

3.3.3 PC104 通信模塊設(shè)計

油液磨粒監(jiān)測模塊采用PC104總線資源的中斷功能實(shí)現(xiàn)X86主控板與監(jiān)測模塊間的通信與傳輸。PC104控制模塊實(shí)現(xiàn)了對PC104總線的時序控制。系統(tǒng)上電后油液磨粒監(jiān)測模塊開始工作，在運(yùn)行過程中如果鎖相放大后的感應(yīng)信號被檢測超過某一閾值，即觸發(fā)PC104中斷，采用DMA模式將檢測到的信號傳輸給X86主控板，主控板再通過RS232總線將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對油液中磨粒的在線監(jiān)測。

4 試驗(yàn)

本系統(tǒng)利用Delphi制作出上位機(jī)軟件，該軟件可以實(shí)現(xiàn)對油液監(jiān)測模塊中方波激勵信號頻率及相位的控制，感應(yīng)信號可編程放大倍數(shù)的控制等。當(dāng)連接上RS232總線，即可以接收到磨粒流過傳感器時感應(yīng)信號的波形。

4.1 單一磨粒通過傳感器時的輸出特性

按上述系統(tǒng)搭建試驗(yàn)電路，在上位機(jī)界面中可以觀察到當(dāng)單一磨粒通過傳感器時，引起的電動勢波形圖，如圖7所示。從圖7可以看出，金屬磨粒通過傳感器時，會產(chǎn)生一個電壓值的脈沖信號。幅值與磨粒尺寸成正比，周期反映磨粒速度，相位體現(xiàn)磨粒材料。圖中的波形為鐵磁性磨粒通過時的感應(yīng)波形，而非鐵磁性磨粒通過時相位與前者相差180°。經(jīng)試驗(yàn)可知，本系統(tǒng)最小可測量的磨粒直徑為180 μm。

圖7 單一磨粒通過時的波形圖

4.2 不同粒度的磨粒通過傳感器的輸出特性

當(dāng)激勵頻率為107 kHz，同一實(shí)驗(yàn)條件下，讓不同直徑的磨粒通過傳感器，輸出的感應(yīng)電動勢的幅值與磨粒大小的關(guān)系如圖8所示。隨著磨粒粒度的增加，傳感器輸出的感應(yīng)電動勢的幅值增大。利用Matlab軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計算，利用三項(xiàng)式擬合得到的離差最小，即傳感器輸出的感應(yīng)電動勢幅值大小都是與磨粒直徑的三次方成比例關(guān)系。與式(5)中所推導(dǎo)得到的，感應(yīng)線圈所產(chǎn)生電動勢幅值大小與磨粒半徑三次方成正比的結(jié)論相一致。

圖8 不同粒度下輸出電壓值變化曲

5 結(jié)論

該油液在線監(jiān)測系統(tǒng)通過設(shè)計油液傳感器的激勵電路、信號采集電路，并基于FPGA控制器搭建出信號發(fā)生模塊、數(shù)字鎖相放大模塊和PC104通信模塊，實(shí)現(xiàn)了對雙激勵螺旋管式磨粒傳感器的激勵、感應(yīng)信號的提取放大以及與主控板之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)油液的在線監(jiān)測功能。試驗(yàn)表明:該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確，具有較高的分辨力，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。對不同粒度的磨粒的試驗(yàn)結(jié)果，與所建立的雙激勵螺旋管式磨粒傳感器的數(shù)學(xué)模型相符，故能夠通過監(jiān)測電動勢的幅值大小來準(zhǔn)確判斷當(dāng)前磨粒的粒度。

［1］鄭翔，樸甲哲，田洪祥.磨粒監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用.海軍工程學(xué)院學(xué)報，1995(2):32－38.

［2］陳書涵.雙激勵螺旋管式磨粒傳感器特性研究:［學(xué)位論文］.長沙:中南大學(xué)，2005.

［3］彭永勝，王太勇，范勝波，等.高品質(zhì)抗混疊濾波器設(shè)計.西南交通大學(xué)學(xué)報，2003(5):596－601.

［4］龔光松.一種基于FPGA的DDS信號發(fā)生器的設(shè)計.咸寧學(xué)院學(xué)報，2012(6):37－39.

［5］倪士虎，劉先勇，曹新丹，等.基于FPGA的LIA設(shè)計及其在光聲檢測中的應(yīng)用.電子科技，2013(12):110－113.