RFID無(wú)損檢測(cè)方法及在油液磨粒監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

尹愛(ài)軍　任宏基

1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,4000442.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044

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RFID無(wú)損檢測(cè)方法及在油液磨粒監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

尹愛(ài)軍1,2任宏基2

1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,4000442.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044

摘要：對(duì)一種低成本的利用電磁波傳輸特性對(duì)油液中鐵磁性磨粒進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方案進(jìn)行了前期研究。 首先建立了油液磨粒模型,并針對(duì)磨粒相關(guān)參數(shù)對(duì)電磁波傳輸特性的影響進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果顯示磨粒含量與電磁波傳輸特性具有明顯的相關(guān)性。然后利用射頻識(shí)別對(duì)磨粒含量的影響進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果顯示磨粒含量可以影響電磁波傳播特性，與仿真結(jié)果相符。

關(guān)鍵詞：磨粒;電磁波;油液監(jiān)測(cè);無(wú)線傳感器;射頻識(shí)別

0引言

良好的潤(rùn)滑具有減小摩擦、防銹、吸收振動(dòng)等作用，是機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。潤(rùn)滑油液中的磨粒會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備造成磨損。由于磨粒中包含豐富的信息,因此有必要對(duì)油液展開(kāi)分析[1]。油液分析技術(shù)是一種基于潤(rùn)滑油液分析的磨損工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù) ,基于被測(cè)機(jī)器油樣的磨粒分析技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)器磨損評(píng)價(jià)和故障分析中[2]。

1油液監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

常用的油液磨粒監(jiān)測(cè)傳感器有光學(xué)傳感器、聲傳感器、電容傳感器、電感傳感器、磁傳感器等。Mitchell等[3]通過(guò)獲取一系列空間解析橫向弛豫時(shí)間分布,使用低場(chǎng)磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)技術(shù)連續(xù)監(jiān)測(cè)油液飽和度分布。Wang等[4]建立了電火花加工(electricaldischargemachining,EDM)中加工間隙的包含固體、液體及氣體的流體場(chǎng)三維模型并分析了磨粒的機(jī)械性能。殷勇輝[5]系統(tǒng)地分析了油液監(jiān)測(cè)技術(shù)內(nèi)涵，研制了電感和光纖組合測(cè)量傳感器，集中了兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大了顆粒監(jiān)測(cè)范圍，有效地提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。Tan等[6]通過(guò)聲發(fā)射、振動(dòng)及光譜測(cè)定等方法對(duì)齒輪箱油液進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),對(duì)這些技術(shù)在齒輪失效判定中的效果進(jìn)行比較。張曉飛[7]研究了基于介電常數(shù)測(cè)量的油液監(jiān)測(cè)方法，設(shè)計(jì)了電容傳感器，研究了微小電容檢測(cè)方法并設(shè)計(jì)了實(shí)用的電容檢測(cè)方案。

在以上各種油液磨粒監(jiān)測(cè)方案中,有些傳感器(如磁傳感器、光學(xué)傳感器)不適合在線監(jiān)測(cè)，有些方法(如X射線)對(duì)試驗(yàn)條件要求很高且設(shè)備昂貴、可用性低，此外還存在容易被干擾的問(wèn)題(聲學(xué)傳感器)。電磁波檢測(cè)方面，以前的研究主要集中在特高頻(UHF,300MHz～3GHz),超高頻(SHF,3GHz～300GHz)和遠(yuǎn)紅外波段(FIR,300GHz～3THz)。岳凌月[8]利用透射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)除草劑、化肥、塑化劑進(jìn)行了檢測(cè),獲得了它們?cè)谔掌澆ǘ蔚恼凵渎屎臀障禂?shù),為今后利用太赫茲技術(shù)對(duì)水中污染物進(jìn)行檢測(cè)的研究打下了良好的基礎(chǔ)。張尊泉等[9]在10GHz頻段利用同軸線探頭對(duì)金屬表面裂痕進(jìn)行探測(cè)。王華娟等[10]構(gòu)造了一種適用于太赫茲器件的二維金屬光子晶體結(jié)構(gòu),研究了晶格常數(shù)α=0.3mm的正方晶格二維銅介質(zhì)柱光子晶體，研究結(jié)果為性能優(yōu)良的太赫茲器件開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)。較低頻率的電磁波,比如射頻識(shí)別(RFID,13.56MHz)、藍(lán)牙、Zigbee及無(wú)線保真技術(shù)(WIFI)通常被用于無(wú)線通信[11-12]。國(guó)內(nèi)外有研究將此類(lèi)電磁波用于無(wú)損檢測(cè)的報(bào)道。Moura等[13]提出一個(gè)可行方案來(lái)減小質(zhì)量流率對(duì)激勵(lì)頻率為75kHz至5MHz時(shí)谷物水含量的影響，其原理是谷物水含量和其電介質(zhì)參數(shù)的高度相關(guān)性。Mukhopadhyay等[14]構(gòu)建一種基于射頻的低成本、高可靠性、高精度、快速測(cè)量裝置來(lái)監(jiān)測(cè)奶制品。馬耀[15]對(duì)電磁波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于混合液體組分識(shí)別進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，提出了基于電磁波技術(shù)檢測(cè)混合液體組分的新方法。Jian等[16]研究了射頻識(shí)別(RFID)信號(hào)的傳輸特性。

考慮到射頻設(shè)備如RFID、WIFI、藍(lán)牙等成本低、組裝方便、抗干擾性好，且易于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，本文對(duì)油液中磨粒對(duì)電磁波傳輸特性的影響進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，對(duì)磨粒含量對(duì)傳輸特性的影響進(jìn)行了仿真,并利用RFID對(duì)磨粒含量仿真結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2理論

電磁波在介質(zhì)間傳播時(shí)交界處會(huì)發(fā)生反射、吸收和透射，假設(shè)電磁波從介質(zhì)a入射到介質(zhì)b。入射波、反射波及透射波的電場(chǎng)及磁場(chǎng)可表示為

(1)

(2)

(3)

其中,ex和ey為相互垂直的且與傳播方向垂直的單位向量,Ei、Er和Et分別為入射波、反射波及透射波的電場(chǎng),Hi、Hr和Ht分別為入射波、反射波及透射波的磁場(chǎng),Eim、Erm及Etm分別為入射波、反射波及透射波的電場(chǎng)強(qiáng)度,k和η分別為傳播系數(shù)及本征阻抗,ω、μ和ε分別為電磁波的角頻率、介質(zhì)的磁導(dǎo)率及介質(zhì)的介電常數(shù)。

考慮到介質(zhì)交界處的邊界條件可得

(4)

據(jù)此可得出反射系數(shù)Γ及透射系數(shù)Δ：

(5)

(6)

由式(4)～式(6)可知,電磁波傳輸(反射、吸收及透射)特性會(huì)受到介質(zhì)磁導(dǎo)率、介電常數(shù)及電磁波頻率的影響。當(dāng)電磁波穿過(guò)有金屬磨粒的油液時(shí)，部分會(huì)被油液和磨粒吸收，部分會(huì)反射回來(lái)，剩下的一部分可以穿透到另一邊。反射、吸收和穿透特性會(huì)受到油液中磨粒參數(shù)(如磨粒含量和磨粒尺寸)的影響。通過(guò)研究反射與透射系數(shù)的變化,可以確定磨粒參數(shù)，進(jìn)而對(duì)機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3仿真與試驗(yàn)

3.1仿真模型

仿真模型為一個(gè)位于電磁波激勵(lì)端和接收端之間的包含磨粒的油液模型,如圖1所示。為更明顯地顯示磨粒位置分布，圖中磨粒大小比仿真中要大得多。該模型使用CST Microwave Studio軟件創(chuàng)建?；诖四Ｐ?分別改變磨粒數(shù)量及磨粒尺寸進(jìn)行了兩組仿真。容器和磨粒的材料分別為玻璃和鐵。仿真背景參數(shù)為“Normal”，激勵(lì)信號(hào)為高斯信號(hào)?；痉抡鎱?shù)如表1所示。

圖1　仿真模型

溫度(℃)20磨粒材料鐵容器大小(mm×mm×mm)90×90×45磨粒磁導(dǎo)率(μH/m)800×10-6油液密度(kg/m3)920鐵密度(kg/m3)7870頻率(MHz)13.56磨粒數(shù)量45,60,75,90,105磨粒尺寸(μm)2,3,4,5,6

仿真遵循單一變量原則,每次仿真只改變某一變量而保持其他參數(shù)不變，從而觀察該變量對(duì)穿透及反射系數(shù)的影響。在磨粒數(shù)量仿真中磨粒尺寸為5 μm，在磨粒尺寸仿真中磨粒數(shù)量為105個(gè)。

3.2仿真結(jié)果

3.2.1磨粒數(shù)量與電磁波傳播特性的關(guān)系

磨粒數(shù)量的變化可以改變油液模型整體的電磁參數(shù)，繼而影響穿透和反射系數(shù)，研究其相關(guān)性可以根據(jù)穿透及反射系數(shù)的變化推測(cè)油液中磨粒含量的信息。

考慮到本文采用的試驗(yàn)裝置中RFID開(kāi)發(fā)板頻率為13.56 MHz，現(xiàn)主要關(guān)注此頻率附近的仿真結(jié)果，如圖2所示，散射參數(shù)為端口接收的能量與總能量的比值，用于判斷能量大小。從圖2中可以看出，隨著磨粒數(shù)量的增加，穿透能量逐漸減小，反射能量逐漸增大，結(jié)合式(5)、式(6)可知,這是油液模型的磁導(dǎo)率μ及介電常數(shù)ε因磨粒數(shù)量變化所致。隨著磨粒含量繼續(xù)增大，由于磨粒間的反射導(dǎo)致能量消耗，穿透能量的減小及反射能量的增大都趨于緩慢。

圖2　13.56 MHz時(shí)磨粒含量仿真結(jié)果

3.2.2磨粒尺寸與電磁波傳播特性的關(guān)系

和磨粒數(shù)量類(lèi)似，隨著磨粒尺寸變化，油液模型的總體電磁參數(shù)也會(huì)改變，進(jìn)而影響電磁波的傳播特性。在磨粒尺寸仿真中，共設(shè)置了5組尺寸不同的樣本。

磨粒尺寸仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,隨著磨粒尺寸增大，穿透能量減小，反射能量增大。這也可以通過(guò)磨粒尺寸變化改變模型的磁導(dǎo)率μ及介電常數(shù)ε來(lái)解釋。與磨粒數(shù)量仿真類(lèi)似，由于磨粒間反射造成能量消耗，穿透能量與反射能量的變化趨于緩慢。

圖3　13.56 MHz時(shí)磨粒尺寸仿真結(jié)果

比較磨粒數(shù)量與尺寸仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，磨粒數(shù)量與尺寸變化對(duì)油液整體電磁參數(shù)的影響是基本一致的。因此，可以將二者統(tǒng)一為磨粒含量的變化,兩種仿真可統(tǒng)一為磨粒含量的仿真。

3.3試驗(yàn)與討論

基于RFID的油液磨粒含量檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖見(jiàn)圖4?；谀チ：糠抡娼Y(jié)果,此試驗(yàn)中共設(shè)置了5組含有不同量磨粒的油液試樣，相關(guān)參數(shù)如表2所示。對(duì)于每個(gè)樣本讀取15個(gè)讀數(shù)以減小誤差，穿透試驗(yàn)與反射試驗(yàn)分開(kāi)進(jìn)行。

RFID開(kāi)發(fā)板、油液及檢測(cè)線圈依次固定在鐵架臺(tái)上，開(kāi)發(fā)板自帶的天線及檢測(cè)線圈的信號(hào)通過(guò)示波器檢測(cè)，其中檢測(cè)線圈檢測(cè)到的信號(hào)為穿透信號(hào)，RFID天線可用來(lái)檢測(cè)反射信號(hào)。示波器與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)示波器配套的上位機(jī)軟件將采集到的信號(hào)保存到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行后續(xù)處理。燒杯中放有不同量的磨粒，加油液至固定刻度，為防止磨粒沉淀在底層影響試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)時(shí)先行攪拌以模擬仿真中的磨粒均勻分布。

圖4　試驗(yàn)裝置圖

溫度(℃)≈20(室溫)頻率(MHz)13.56磨粒材料鐵磨粒尺寸(μm)2～3磨粒磁導(dǎo)率(μH/m)600容器尺寸(mm)直徑:40,高度:50潤(rùn)滑油型號(hào)齒輪油GL-475W-90磨粒材料密度(kg/m3)7870油液密度(kg/m3)870試樣體積(mL)25磨粒含量(g)0,0.5,1.0,1.5,2.0

試驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量RFID開(kāi)發(fā)板天線及檢測(cè)線圈上的電動(dòng)勢(shì)來(lái)獲取能量變化趨勢(shì)。對(duì)于檢測(cè)線圈,穿透的電磁波越多,線圈上的電動(dòng)勢(shì)越大;對(duì)于RFID天線，反射回來(lái)的電磁波產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與其原方向相反且要小得多，因此反射回來(lái)的電磁波越多，天線上檢測(cè)到的電壓越小。根據(jù)天線及線圈數(shù)據(jù)整理的反射能量及穿透能量結(jié)果如圖5所示，以磨粒質(zhì)量增大表示磨粒含量增大。

圖5　油液檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

從圖5中可以看出，隨著磨粒含量增大反射能量逐漸增大，穿透能量逐漸減小，且二者變化趨勢(shì)總體上趨于緩和。變化幅度上，由于RFID信號(hào)在傳播過(guò)程中衰減，穿透信號(hào)的能量變化要比反射信號(hào)小得多。與仿真結(jié)果比較可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真相吻合。試驗(yàn)中誤差可能是磨粒形狀不規(guī)則、磨粒分布不均勻及電路噪聲的影響造成的。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于RFID傳播特性檢測(cè)油液中磨粒的方法，通過(guò)仿真和試驗(yàn)證實(shí)了RFID信號(hào)傳播特性與油液中磨粒含量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。以后的研究將集中于通過(guò)進(jìn)一步的特征提取來(lái)降噪；通過(guò)參數(shù)化及量化的電磁波傳輸特性評(píng)價(jià)設(shè)備狀態(tài)；重點(diǎn)研究傳感器的優(yōu)化，從傳感器設(shè)計(jì)等方面增強(qiáng)傳感器抗干擾能力，提高傳感器精度。

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(編輯王旻玥)

MonitoringWearDebrisinOilUtilizingRFIDSignalTransmissionFeatures

YinAijun1,2RenHongji2

1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,

Chongqing University,Chongqing,400044

2.The State Key Laboratory of Mechanical Transmission,Chongqing University,Chongqing,400044

Abstract:A preliminary study on a low-cost solution for monitoring ferromagnetism debris in oil was demonstrated based on electromagnetic wave transmission features.A model was set up to simulate the affection of debris parameters on electromagnetic wave transmission features.Simulation results indicate an abvious relevance between debris density and electromagnetic wave energy distribution.An experiment was conducted to verify the simulation results based on RFID.

Key words:wear debris;electromagnetic wave;oil monitoring;wireless sensor;radio frequency identification(RFID)

作者簡(jiǎn)介：尹愛(ài)軍,男，1978年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)、信號(hào)處理、虛擬儀器、視覺(jué)識(shí)別。發(fā)表論文50余篇。任宏基,男,1988年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CDJZR13115501)；重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(2011DA105287-FW201505)

收稿日期：2015-03-24

中圖分類(lèi)號(hào)：TH17DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.24.015