電感式磨粒監(jiān)測傳感器線圈參數(shù)分析與優(yōu)化*

陳 浩,王立勇,2,陳 濤

(1.北京信息科技大學 現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點實驗室,北京100192；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心,北京100192)

0 引 言

目前，機械設(shè)備正朝著快速化、復雜化、大型化的趨勢發(fā)展。實踐研究表明，設(shè)備磨損產(chǎn)生的金屬顆粒物是造成設(shè)備損壞的重要原因。對油液中金屬磨粒的實時監(jiān)測，能夠提供設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況的信息，實現(xiàn)早期故障預警，及時進行設(shè)備維護，降低設(shè)備損壞風險[1]。相比于離線檢測的磨粒信息具有滯后性缺點，油液在線檢測技術(shù)能夠?qū)崟r、連續(xù)、準確地監(jiān)測設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)[2]。電感式磨粒監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，便于安裝，但當微小磨粒通過傳感器線圈時，傳感器產(chǎn)生的感應信號微弱[3～5]。

通過對傳感器輸出特性的理論分析，正交仿真試驗對傳感器線圈寬度、間距和內(nèi)徑尺寸的優(yōu)化，以達到提高電感式磨粒傳感器監(jiān)測性能，增大磨粒通過傳感器產(chǎn)生的感應電動勢的目的。

1 傳感器數(shù)學模型

電感式磨粒監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)簡圖如1(a)所示，傳感器主要由低導熱率陶瓷材料制成的線圈輪轂、兩個反向繞制的激勵線圈以及位于傳感器中間的感應線圈組成。傳感器油路半徑為r0，線圈內(nèi)半徑為r1，線圈外半徑為r2，線圈寬度為b，線圈間距為m，激勵線圈匝數(shù)為N0，感應線圈匝數(shù)為N。激勵線圈通上高頻交流信號源產(chǎn)生大小相等、方向相反的磁場，兩個激勵線圈之間中點的磁場相互抵消，位于傳感器中間的感應線圈磁通量接近為零。當金屬磨粒進入傳感器內(nèi)部磁場時，會發(fā)生磁化效應和渦流效應,磁化磨粒產(chǎn)生的磁場與傳感器磁場疊加，引起感應線圈磁通量變化，獲得較大的磁通量變化率，輸出感應電動勢[5]。

電感式磨粒傳感器的等效電路如圖1(b)所示，傳感器激勵線圈通入的激勵電流i=Isin(2πft)，f為激勵電流頻率。激勵線圈1的等效電阻為R1，等效電感為L1；激勵線圈2的等效電阻為R2，等效電感為L2；感應線圈的等效電阻為R3，等效電感為L3。激勵線圈1與感應線圈的互感系數(shù)為M31，產(chǎn)生的互感電壓為E1，激勵線圈2與感應線圈的互感系數(shù)為M32，產(chǎn)生的互感電壓為E2，感應線圈輸出的感應電動勢為E。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)簡圖及等效電路

根據(jù)互感原理[6]可以得到互感電壓E1和E2

E1=2πfIM31cos(2πft)

(1)

E2=-2πfIM32cos(2πft)

(2)

由感應電動勢E=E1+E2得到

E=2πfI(M31-M32)cos(2πft)

(3)

由互感系數(shù)的表達式可得

M31-M32=N/I(φ31-φ32)

(4)

根據(jù)磁通量表達式可將磁通量增量表示為

(5)

將式(4)和式(5)代入式(3)可得感應電動勢E

(6)

電感式磨粒傳感器輸出特性如圖2所示，軸線距離為0處是感應線圈所在位置，激勵線圈1位于感應線圈左側(cè)，激勵線圈2位于感應線圈右側(cè)，磨粒從傳感器左側(cè)進入，經(jīng)過感應線圈，在傳感器右側(cè)離開。當鐵磁性磨粒進入傳感器時，磨粒體積所覆蓋區(qū)域由空氣的磁導率μ0變?yōu)殍F磁材料的磁導率μr，鐵磁性材料的磁導率遠大于空氣的磁導率，磨粒對于激勵線圈產(chǎn)生的磁場有增強作用，感應線圈處磁感應強度增量ΔB>0，感應電動勢E>0；磨粒位于傳感器中間時，感應線圈處磁感應強度增量ΔB=0，感應電動勢E=0；磨粒繼續(xù)移動，進入激勵線圈2時，感應線圈處磁感應強度增量ΔB<0，感應電動勢|E|>0?？勾判阅チ５拇艑市∮诳諝獾拇艑剩瑫p小激勵線圈產(chǎn)生的磁場。抗磁性磨粒進入傳感器時，感應線圈處磁感應強度增量ΔB<0，感應電動勢|E|>0；磨粒位于傳感器中間時，感應線圈處磁感應強度增量ΔB=0，感應電動勢E=0；磨粒繼續(xù)移動進入激勵線圈2時，感應線圈處磁感應強度增量ΔB>0，感應電動E>0。

圖2 感應電動勢與磨粒位置的關(guān)系

鐵磁性磨粒的信號曲線先正后負，抗磁性磨粒的信號先負后正，通過信號曲線的相位來判斷磨粒的材料。記錄信號曲線出現(xiàn)的次數(shù)來判斷油液中磨粒的個數(shù)。磨粒尺寸越大，產(chǎn)生的感應電動勢峰值越大，通過判斷信號曲線的峰值Em來判斷磨粒的大小。相比于直徑較大的磨粒，小尺寸磨粒產(chǎn)生的感應電動勢信號微弱，增大了傳感器對微小磨粒監(jiān)測的難度[7]。

2 線圈參數(shù)分析與優(yōu)化

利用有限元仿真軟件Comsol Multiphysics 5.3a中的AC/DC模塊建立電感式磨粒傳感器線圈的電磁模型。傳感器初始參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器線圈參數(shù)

線圈參數(shù)與感應電動勢的關(guān)系如圖3所示，三條曲線大致呈現(xiàn)一種前期快速增長，中期增長速度逐漸緩慢，后期達到穩(wěn)定的趨勢。線圈寬度增加對感應電動勢的影響較為明顯，線圈內(nèi)徑和線圈間隙尺寸變化對感應電動勢的影響較小。線圈參數(shù)過大會帶來線圈阻抗變大、磨粒徑向位置重合概率增加、傳感器管徑內(nèi)磨粒數(shù)量增多等不利于磨粒監(jiān)測的因素，降低磨粒檢測的精度[8]。應該在線圈參數(shù)盡可能小的情況下，使傳感器輸出較大感應電動勢。

圖3 線圈參數(shù)與感應電動勢關(guān)系

選用正交試驗分析方法對線圈參數(shù)進行仿真優(yōu)化[9～11]。線圈內(nèi)徑、線圈寬度和線圈間距作為正交試驗的3個因素，通過分析圖3中線圈參數(shù)與感應電動勢的關(guān)系，3個水平的取值如表2所示。根據(jù)正交試驗設(shè)計方法得到正交試驗表L9(34)，如表3所示，其中e為空白誤差列。各組試驗的工作參數(shù)和外部條件參數(shù)均相同。

表2 正交試驗參數(shù)及水平值

表3 正交實驗表

極差分析結(jié)果如表4所示。

表4 極差分析結(jié)果

由表4可知，極差從大到小的順序為：Db>Dr>Dm,即線圈參數(shù)對感應電動勢Em影響最大的為線圈寬度，其次是線圈內(nèi)徑，影響最小的為線圈間距。線圈參數(shù)最優(yōu)的組合為：b3=8 mm,m3=10 mm,r3=9 mm。

3 實驗對比

設(shè)計如圖4所示的磨粒在線監(jiān)測系統(tǒng)，磨粒在線監(jiān)測系統(tǒng)由單軸步進電機控制系統(tǒng)、直線運動機構(gòu)、數(shù)據(jù)采集軟件、激勵檢測單元、電感式磨粒傳感器以及標樣棒組成。

圖4 磨粒在線監(jiān)測系統(tǒng)

蔡司SIGMA 300場發(fā)射掃描電鏡下的磨損顆粒如圖5所示，篩選出粒徑分別為60.13，70.34，80.28，88.76，100.62，111.5 μm的鐵磁性磨損顆粒，將磨損顆粒粘附在玻璃棒上組成標樣棒。在直線運動機構(gòu)上安裝標樣棒，分別通過優(yōu)化前后的傳感器，采集傳感器的輸出信號。

圖5 磨損顆粒標樣

從表5中可以看出，優(yōu)化后的線圈參數(shù)能有效增大傳感器輸出感應電動勢的幅值，計算得出優(yōu)化后傳感器輸出感應電動勢的幅值是優(yōu)化前傳感器輸出感應電動勢幅值4.9倍左右。

表5 傳感器線圈參數(shù)優(yōu)化前后試驗對比

4 結(jié) 論

1)線圈參數(shù)由小到大的增加，電感式磨粒傳感器輸出的感應電動勢峰值變化趨勢為先快速增加，然后增長速度放緩，最后感應電動勢峰值基本達到穩(wěn)定。

2)通過極差分析得出線圈寬度對輸出感應電動勢峰值的影響最顯著，其次是線圈內(nèi)徑，影響最小的為線圈間距。

3)試驗對比分析得出，優(yōu)化后傳感器輸出的感應電動勢峰值是優(yōu)化前輸出感應電動勢峰值的4.9倍左右，顯著提高了電感式磨粒傳感器對磨粒的監(jiān)測效果。