电涡流式油液磨粒监测传感器的研究

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004)

在高速旋转的机械中，轴承和齿轮容易产生金属磨粒，润滑油在长期使用后，污染物会逐渐增多，循环润滑系统的故障中，70%～80%是由污染物引起的，其中固体颗粒物对机械的危害最大[1]。油液监测技术就是通过对设备在用润滑油的理化性能指标、磨损金属和污染杂质颗粒的定期跟踪监测，及时掌握设备的润滑和磨损状态信息，诊断设备磨损故障的类型、部位和原因，为设备维修提供科学依据，从而防止机械设备重大事故的发生，降低维护成本。

在国外，油液在线监测产品已经得到了广泛的推广与应用，技术日益成熟，各类油液检测产品层出不穷,油液在线监测产品在各类战机、军舰、民用机器设备中广泛应用，取得了良好的经济效益和安全效益。具有代表性的有加拿大Gastops公司生产的MetalSCAN金属磨粒传感器[2]及美国Foxboro公司研制的应用于958PF型在线铁谱仪[3]。而国内，油液金属磨粒在线监测传感器的研究相对较少，有待深入研究发展。较有影响力的有：南京航空航天大学利用电荷效应制作了相关的油液分析传感器，但电荷效应传感器制作工艺要求较高，而且油液金属磨粒携带的电荷量十分微弱，需要运用信号的调制与解调技术，所以传感器监测电路复杂，信号处理困难[4-5]；沈阳理工大学设计的电感型传感器，测量误差较大，难以达到应用需求[6]；由航空工业北京长城航空测控技术研究所[7-8]研制的螺旋管式电感型传感器，测量精度高，已经成功投入工程使用，但是体积较大。为此，本文提出一种基于电涡流式PCB平面线圈传感器。该传感器具有结构简单、灵敏度高、线性范围大、抗干扰能力强、非接触测量、成本低等特点，为微型传感器加入油液磨粒监测技术提供一种可行的方法。

1 电涡流式传感器的理论基础与设计

1.1 检测原理

往 PCB 线圈中通入交变电流，线圈周围产生交变电磁场，如果有铁磁性导体进入电磁场，导体则产生涡流。涡流产生的反向磁场跟线圈耦合在一起，就像是有另一个次级线圈存在一样。PCB线圈作为初级线圈，涡流效应作为次级线圈，形成了一个变压器。由于变压器的互感作用，在初级线圈上便可以检测到次级线圈的参数。其原理如图1所示。

图1 检测原理示意图

图1中,L(s)为初级线圈电感值；R(s)为初级线圈的寄生电阻；L(d)为互感值；R(d)为互感的寄生电阻，与到金属板的距离d有直接的关系。交变电流如果只加在电感上(初级线圈)，则在产生交变磁场的同时也会消耗大量的能量。这时将一个电容并联在电感上，由于并联谐振作用能量损耗大大减小，只会损耗在R(s)和R(d)上，使得测量难度降低。

1.2 工作线圈的设计

电感形状是电感器的一个重要特征，它决定所产生的磁场的分布。其中圆形螺旋线圈是最佳的形状，因为它产生的磁场比其他形状更对称，而且结合L-C模型的R(s)考虑，圆形传感器能使R(s)最低并得到最佳的品质因素Q，同时降低集肤效应的影响。线圈结构图如图2所示。

图2 线圈结构图

计算圆形线圈的总电感有：

(1)

(2)

式中，K1和K2为基于电感器形状的几何相关系数；μ0为自由空间渗透性，其值为4π×107；din为线圈内径；dout为线圈外径；n为电感器圈数；davg为平均匝数，其值为(dout+din)/2；ρ为电感器的填充率；Ci(i=1,2,3,4)为基于几何结构的布局因素[9]。

计算当直径最大且匝数最大时的线圈电感，发现单层的PCB螺旋电感整体电感值依然太小，于是增加多层PCB螺旋电感以增大整体的电感值。对于双层线圈，线圈的总电感计算公式为

L=L1+L2+2M

(3)

式中，L1为线圈1的电感值；L2为线圈2的电感值；M为两线圈的互感值。

在双层PCB线圈设计中，上下两层线圈的旋转方向至关重要，如果顶层逆时针方向，则底层应为顺时针方向，以保证电流方向的一致，达到增加电感的目的。由于总电感值和匝数成正比，调整匝数能有效地改变总电感值。当din相对于dout变小，davg减小，电感值减少。为了得到较高的Q，应保持din/dout>0.3。当测量目标非常接近传感器时，din过小不会显著增加电感，反而增加R(s)并降低整体测量精度[10]。

2 平面线圈式传感器的电磁仿真

根据上述传感器磁场的理论分析，电感的计算公式复杂，难以形象地表示出被测目标的电磁分布情况。故采用电磁仿真软件Maxwell[11-12]对检测目标进行电磁仿真，将检测目标简化为一个薄圆盘。由于线圈的匝数、磨粒与线圈的距离和激励源等参数都会影响到传感器的灵敏度和线性度，改变匝数、距离和激励源频率得到在各参数影响下的电阻损耗，当线圈匝数为25圈，激励频率为1.3 MHz时电阻损耗较明显。其仿真结果的电磁分布图如图3所示。从电阻损耗分布可以看出，电阻损耗从线圈中心到线圈边缘递减，线圈的电阻损耗主要集中在线圈中部，因此在实际测量中应尽量利用线圈中部，以达到最佳的测量效果。

图3 平面线圈电阻损耗分布

3 传感器测量电路及处理电路的设计

3.1 电桥电路

测量转换电路使用电桥法[13]，将传感器线圈的阻抗变化转换为电压或电流变化。传感器的PCB线圈作为电桥的两个桥臂，一个用于测量，另一个用于消除温度的影响。当传感器阻抗变化时，电桥失去平衡，对电桥输出的信号进行线性放大检波得到包含测量目标的电信号。

传感器是由电感器L和电容器C并联形成L-C振荡电路作为电桥的桥臂，电感和电容的值决定了振荡器器的频率，频率f可由式(4)计算得出。

(4)

当得到合适的线圈，通过计算得到其电感值，搭配合适的电容，便能计算出振荡器所需的频率，得到最佳的测量效果。

3.2 正弦信号发生器电路设计

为保证激励信号的可调性及稳定性，需设计正弦发生器电路。如图4所示，本设计采用Max038芯片作为正弦信号发生器主电路。该发生器能产生方波、三角波、正弦波信号，其输出频率由图4中电阻Rin1和电容Cf1决定。

图4 正弦信号发生器主电路

由于该芯片输出电压峰峰值Vp-p=2 V，驱动负载为100 Ω，为了提高其负载能力，增大输出电压幅值，本设计采用单运放OPA604进行电压放大和BUF634进行功率放大处理，具体电路如图5所示。BUF634 输出电流可达250 mA,且带宽大，完全满足本设计要求。

3.3 全波检波电路设计

由于全波检波电路结构简单，输出电压幅值调节电阻值进行倍数放大。采用全波检波电路整流。该电路主要由半波检波器和加法运算放大器电路组成,如图6所示。

其检波过程如下:当处于正半周期时，运放A1输出负电压，D1、D2均导通。输出电压Vo=Vi；反之，D2截止，D1导通，输出电压Vo=-(R5/R3)·Vi。其中运算放大器采用具有转换精度高、低温漂运放OP37。其输出信号负半周期翻转，达到了检波目的。

图5 放大电路

图6 全波检波电路

3.4 低通滤波器电路设计

信号经过全波检波后，需要将载波信号的高频信号除去，让低频直流信号通过，需设计低通滤波器。由于低通滤波器设计及计算过于复杂,所以采用TI公司的FilterPro Desktop软件进行设计，滤波器通频为500 Hz，截止频率为2 kHz，通带增益为2。在软件中输入以上参数，自动可生成滤波器电路结构。本设计为Sallen-key型滤波器结构，由两个二阶低通滤波器组成。经过仿真得滤波器的输出为两路直流信号，结果比较理想。

3.5 差分放大器电路设计

两路信号经过检波滤波后等到两路直流电压信号，将这两路直流信号进行差分放大处理。通过精密仪表放大芯片INA114进行差分放大。由上述传感器检测电路的设计，初步实现了电桥转换电路、检波滤波电路。最终得到两路直流电压信号。将其中测量桥路在某一瞬时时刻通入油液磨粒，输出结果如图7所示。发现接近平稳的电压信号有一个较大波动，其电压的平均改变量约为1.9 V。改变幅值较大，实时性较好，响应速度快，从而验证了上述电路设计的合理性。

图7 有油液磨粒下电压信号的变化

4 电涡流式油液检测传感器的测试

根据仿真得出的参数以及检测电路原理，将本油液监测系统制作成实物。其实物图如图8和图9所示。

图8 传感器实物图

图9 试验装置图

图8为所采用的平面螺旋线圈，图9为测试系统硬件电路，在图9中，①和②两个接口分别接入图8所示的线圈。

为测试传感器的灵敏度、线性度及工作可靠性，分别用电子称称出1 mg，2 mg，…，10 mg的10份细小铁磨粒。将10份铁磨粒分别用润滑油粘在4.5 cm×6 cm的试纸上用传感器进行检测，用万用表测量电压值并且记录传感器的电感，计算出变化值。得到的质量-电感变化曲线如图10所示。

图10 铁磨粒质量与电感变化量曲线

由图10可以看出，磨粒的质量越大，近似于磨粒浓度越大，传感器电感的改变量越大，进而影响输出电压，反馈磨粒信息。图中磨粒质量与电感改变量近似成线性关系，说明传感器具有良好的线性度。而且由图可得，传感器对每毫克铁磨粒电感改变量为9 nH，测量精度可达9 nH/mg,以此决定了传感器的灵敏度。

此外，该传感器的灵敏度还与其激励源频率有关。将制备的传感器接入激励信号源进行测试，改变激励源大小，然后将10 mg的铁磨粒作为检测对象得到图11所示的关系曲线。当频率在10 kHz左右时，该传感器的灵敏度最大,约为0.1661 V/g。与仿真所得激励源频率的误差较小，且达到最大值后，测量的灵敏度开始减小。显然测量的准确性与激励源频率有关。

图11 灵敏度与激励源频率关系曲线

5 结束语

本文通过 Ansoft Maxwell软件进行了线圈的电磁仿真，对圆形平面PCB线圈的电磁场仿真结果进行了分析，线圈中心位置磁感应强度较强。通过设定不同的参数值对线圈电阻损耗进行分析，得出了最优的参数值。并且根据最优参数值制作了PCB双层线圈。此外设计了电桥电路、正弦发生器电路、检波电路、低通滤波电路、差分放大电路，并研制了该传感器的检测电路系统。通过在PCB线圈上添加不同质量的铁磨粒作为检测对象，进行了灵敏度测试，发现该传感器具有良好的线性度及灵敏度，以及体积较小、结构简单、成本低廉、能进行非接触测量、实时性好等特性，因此该传感器在油液监测领域具备较好的应用前景。