抗環境磁場干擾的電磁式油液金屬顆粒監測傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種抗環境磁場干擾的電磁式油液金屬顆粒監測傳感器，包括：金屬顆粒敏感單元，用以感應產生金屬顆粒通過傳感器時的感應電壓；智能變送器，用以產生金屬顆粒敏感單元必須的激勵信號，并將激勵信號送給金屬顆粒敏感單元，接收金屬顆粒敏感單元輸出的感應電壓信號，消除外部環境磁場干擾和激勵磁場的影響，獲得因金屬顆粒通過傳感器所感應的有用信號，對該信號進行模數轉換與信號處理，進一步消除電路噪聲，并對金屬顆粒識別和計數，將其信息上傳網絡。本發明可以提高抗干擾能力和對微小金屬顆粒的識別能力，為潤滑油金屬磨粒的在線監測提供了一種高性能的監測器。
【專利說明】抗環境磁場干擾的電磁式油液金屬顆粒監測傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬于在線油液分析領域,具體涉及一種抗環境磁場干擾的電磁式油液金屬顆粒監測傳感器。
【背景技術】
[0002]大型機械設備在工作時，由于機械磨損產生金屬磨粒，一旦機械發生異常磨損有可能引發重大機械故障，造成巨大經濟損失和人員傷亡。電磁式金屬顆粒監測傳感器用于對機械潤滑油液中金屬顆粒數量、大小等的監測，一旦發現潤滑油液中存在異常磨損所產生的金屬顆粒，維護人員可及時對設備進行維修，實現機械異常磨損的早期預警，防止重大機械事故的發生。
[0003]當設備發生異常磨損時，磨損顆粒隨油液穿過傳感器時，由于金屬顆粒的體積很小，感應線圈感應得到的電信號非常微弱，往往為外界環境磁場(如地磁場)所產生的干擾所淹沒，從而使得微小金屬顆粒難以檢測。因而如何排除地磁場等外部環境磁場的干擾，提高微小金屬磨粒的識別能力，一直是困擾提高電磁式油液金屬顆粒監測傳感器檢測性能與可靠性的難點。幾十年來，研究者圍繞著如何排除外界磁場干擾提出了許多技術方案。
[0004]1978 年 Peter Donald Baker 和 Derek Ernest Marsh 在專利 GB2004374A 中提出了采用纏繞在油管上的兩個串聯的線圈測量流經油管的液體中金屬顆粒方法(參見圖1)，該方法將測量線圈r、2r纏繞在流體管路:T上，振蕩器4'加載一個IOOkHz的交流信號在測量線圈和地磁補償線圈12\13'上，將測量線圈和地磁補償線圈12\13'的中間抽頭接入放大器6、調整四個線圈的平衡，使兩個中間抽頭的電壓同幅、同相(排除激勵信號)。在沒有金屬顆粒通過時放大器的輸出為零，當有金屬顆粒通過時，這一平衡被打破，兩個中間抽頭間出現與金屬顆粒相對應的信號變化，該信號經過低通濾波器K、檢波器9'和脈沖計數器1(Τ獲得金屬顆粒的信息，該方法的缺點是要對地磁干擾設置專門的補償電路，而且該專利可檢測的最小金屬顆粒是否能滿足工業設備使用要求未得到證實，也未看到相關的產品報道。
[0005]中國寧波的蔣偉平在專利CN 102331390 A中提出在油管上安裝三個線圈，兩邊兩個線圈在外界激勵信號驅動下產生兩個方向相反的交變磁場，并使中間線圈出的交變磁場為零(排除激勵信號)。當油管中存在金屬顆粒時，這個平衡被打破，中間線圈輸出不為零的信號，通過對該信號的檢測，獲知油管中金屬顆粒的存在。該技術同樣存在地磁補償問題，而且為了實現兩個電磁場的對稱，需要設置兩個線圈相對于中間線圈的調整機構，且調整難度很大。
[0006]綜上所述，如何消除外界環境磁場對電磁式金屬顆粒監測傳感器的干擾，同時增強傳感器微弱感應輸出信號的檢測能力，是提高傳感器檢測性能的關鍵。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是，針對現有技術的問題，提供一種抗環境磁場干擾的電磁式油液金屬顆粒監測傳感器，以提高抗干擾能力和對微小金屬顆粒的識別能力。
[0008]本發明提供的抗環境磁場干擾的電磁式油液金屬顆粒監測傳感器，包括:
金屬顆粒敏感單元，用以感應產生金屬顆粒在通過金屬顆粒敏感單元時的感應電壓；智能變送器，用以產生金屬顆粒敏感單元必須的激勵信號，并將激勵信號送給金屬顆粒敏感單元，接收金屬顆粒敏感單元輸出的感應電壓信號，消除外部環境磁場干擾和激勵磁場的影響，獲得因金屬顆粒通過金屬顆粒敏感單元所感應的有用信號，對該信號進行模數轉換與數據處理，進一步消除電路噪聲，并對金屬顆粒進行識別和計數，最后將顆粒信息上傳網絡。
[0009]所述金屬顆粒敏感單元包括導磁材料外殼，外殼內設有激勵線圈和位于激勵線圈兩側的第一、第二感應線圈。
[0010]所述智能變送器包括:與激勵線圈連接的激勵信號源；分別與第一、第二感應線圈連接的第一、第二前置放大器；分別與第一和第二前置放大器連接的第一、第二調相器；與第一、第二調相器連接的差分放大器；與差分放大器連接的解調器；與解調器連接的多級放大器和濾波器；與放大器連接的微處理器；與微處理器連接的通訊接口 ；通訊接口與主控計算機連接。
[0011]使用時，將本發明中的金屬顆粒敏感單元串聯在油液管路上，激勵信號源產生交變激勵電壓送入激勵線圈，激勵線圈在油液管路的測量區間產生交變磁場，感應線圈在交變磁場作用下產生感應電壓，當有金屬顆粒流經敏感單元時，感應電壓會發生變化，而感應電壓的變化包含了反映金屬顆粒的大小、是否是鐵磁性顆粒等信息；智能變送器處理由金屬顆粒敏感單元感應線圈輸出的感應電壓信號，并實現外部環境磁場干擾和激勵磁場的影響的消除，得到獲得反映金屬顆粒信息的微小有用信號；微處理器采集該信號，并內嵌有微弱信號處理算法對該輸出信號進行進一步處理，增強信噪比，提高對微小金屬磨粒的識別能力，完成對金屬顆粒的計數與尺寸統計；微處理器同時通過通信接口完成與主控計算機之間的數據傳輸。
[0012]本發明根據電磁感應原理，利用金屬顆粒通過交變磁場時，對磁場的擾動，從而在感應線圈中產生電壓信號來檢測金屬顆粒的大小與性質。
[0013]本發明的特點在于:在于利用兩個感應線圈同時敏感外界磁場所引入的干擾，然后通過前置放大電路與調相電路的處理，使得外界磁場干擾所引起的兩個感應線圈的輸出非常相似，再通過調幅調相電路使兩個感應線圈輸出的信號完全一致，把兩個完全一致的信號送入差分電路處理后，實現干擾信號的自動消除，提高了抗干擾能力，并且對于傳感器感應線圈的結構、尺寸的對稱性要求大大降低；同時在微處理器中嵌入微弱信號處理算法，增強傳感器對微小金屬顆粒的識別能力。
[0014]下面結合附圖進一步說明本發明的實施方案。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是現有技術的原理圖。
[0016]圖2是本發明中金屬顆粒敏感單元的結構示意圖。
[0017]圖3是本發明的結構組成框圖。
[0018]圖4是直徑為96 μ m的鐵磁性金屬顆粒圖。[0019]圖5是采集得到的鐵磁性金屬顆粒通過金屬顆粒敏感單元時的特征信號圖。
[0020]圖6是圖5所示信號經微弱信號處理后的輸出波形圖。
【具體實施方式】
[0021]見圖2、圖3，本發明包括金屬顆粒敏感單元、智能變送器兩個部分，其中:金屬顆粒敏感單元(參見圖2)，包括環形導磁材料外殼(外殼也可是其它形狀)1，外殼I內設有激勵線圈3和位于激勵線圈3兩側的第一、第二感應線圈2、4 ;智能變送器(參見圖3)，包括:與激勵線圈3連接的激勵信號源7 ;分別與第一、第二感應線圈2、4連接的第一、第二前置放大器8、9 ;分別與第一和第二前置放大器8、9連接的第一、第二調相器10、11 ;與第一、第二調相器10、11連接的差分放大器12 ;與差分放大器12、激勵線圈3、激勵信號源7連接的解調器13 ;順序連接的解調器13、帶通濾波器14，分級放大器15、低通濾波器16、分級放大器17、低通濾波器18、分級放大器19、低通濾波器20 ;微處理器21和與微處理器21連接的通信接口 22，微處理器21與低通濾波器16、18、20連接，所述通信接口 22與主控計算機23連接。
[0022]由智能變送器中的激勵信號源7產生的交變激勵電壓送入激勵線圈3，激勵線圈3在油液管路的測量區間產生交變磁場，感應線圈2、4在交變磁場作用下產生感應電壓，地磁場在感應線圈2、4中產生的干擾是同相干擾信號，該干擾信號將和激勵信號一起在后續信號處理中自動抵消；當金屬顆粒6穿過線圈時將引起感應線圈2、4的感應電壓變化，而感應電壓的變化包含了反映金屬顆粒的大小、是否是鐵磁性顆粒等信息。感應線圈2、4的感應電壓分別送入智能變送器進行處理以獲得表征金屬顆粒尺寸的信號；導磁材料I將激勵線圈3產生的交變磁場控制在一定區域，減少由金屬外殼產生的鐵損，同時還可以減少外界磁場對傳感器的影響。
[0023]金屬顆粒敏感單元的感應線圈2、4產生的信號分別送入第一和第二前置放大器
8、9，經第一和第二前置放大器8、9處理獲得相同幅值的信號送入第一和第二調相器10、11調相，經調相后的兩路輸出信號，送入差分放大器12，經差分放大器12處理后，形成一個消除了絕大部分激勵信號和地磁信號的信號，再將該信號送入解調器13，經解調器13解調、帶通濾波器14濾波，消除激勵信號，獲得反映金屬顆粒信息的有用信號，這一有用信號經過放大器15放大和低通濾波器16濾波后輸入微處理器21進行信號采集與處理，利用此信號可以識別并統計直徑300微米及以上尺寸的鐵磁性金屬顆粒；低通濾波器16的輸出信號同時送入下一級放大器17作進一步放大，放大器17輸出經低通濾波器18濾波后也輸入微處理器21進行采集與處理，利用此信號可以識別統計直徑150微米至300微米范圍內的鐵磁性金屬顆粒；低通濾波器18的輸出信號同時送入下一級放大器19作進一步放大，放大器19輸出經低通濾波器20濾波后輸入微處理器21進行采集與處理，利用此采集的信號可以識別并統計直徑100微米至150微米范圍內的鐵磁性金屬顆粒。這種由若干級放大器和低通濾波器組成的放大電路，可以實現對金屬顆粒信號的分級采集，以便獲得精確的金屬顆粒尺寸信息。
[0024]在進行數據采集的同時，微處理器21內嵌的微弱信號處理算法，采用數字平滑濾波與最小均方誤差自適應濾波相結合的信號處理算法，可以進一步增強所采集信號的信噪t匕、提高對微小金屬顆粒的識別能力。微處理器21識別得到一定時間段內經過傳感器的金屬顆粒數量、大小等數據信息，這一信息經通信接口 22與主控計算機23進行通信，同時微處理器21還具有產品編碼設置、網絡地址設置、激勵頻率和信號處理關鍵參數設置、量值標定與校驗、金屬顆粒識別統計、數據上傳、多傳感器組網運行等功能。[0025]下面用一個具體實例來說明本發明的有益效果: 實例中，首先將微小鐵磁性金屬顆粒粘在塑料帶上，制作成試驗樣本，其中鐵磁性金屬顆粒通過顯微鏡測得直徑為96//?，如圖4所示。[0026]將試驗樣本以手動方式穿過傳感器，圖5所示為微處理器采集得到得到的金屬顆粒通過傳感器的信號，由于傳感器已經通過電路對外界干擾信號進行了消噪處理，因此從圖5所示波形可以明顯看出該信號中存在一個上下脈沖的波形，而這正是金屬顆粒通過電磁式傳感器時的特征信號。但由于金屬顆粒尺寸較小，直徑只有96//?，盡管經過電路對外界干擾進行了消除處理，但是信號中仍有不少噪聲，影響了對金屬顆粒的準確識別。圖6為圖5信號經微弱信號處理算法處理后得到的信號波形，由圖可知，經過微弱信號處理以后，信號信噪比得到增強，更易于識別金屬顆粒的特征，提高了傳感器對微小金屬顆粒的識別能力。[0027]以上結果說明本發明所提供的電磁式油液金屬顆粒監測傳感器能夠敏感檢測最小直徑不大于機難的鐵磁性金屬顆粒，智能變送器能夠實現外界干擾信號的自動消除，嵌入微處理器的微弱信號處理算法能夠進一步提高輸出信號的信噪比，利用本發明能夠提高在線油液金屬顆粒的監測能力。
【權利要求】
1.一種抗環境磁場干擾的電磁式油液金屬顆粒監測傳感器，其特征是包括: 金屬顆粒敏感單元，用以感應產生金屬顆粒在通過金屬顆粒敏感單元時的感應電壓；智能變送器，用以產生金屬顆粒敏感單元必須的激勵信號，并將激勵信號送給金屬顆粒敏感單元，接收金屬顆粒敏感單元輸出的感應電壓信號，消除外部環境磁場干擾和激勵磁場的影響，獲得因金屬顆粒通過金屬顆粒敏感單元所感應的有用信號，對該信號進行模數轉換與數據處理，進一步消除電路噪聲，并對金屬顆粒進行識別和計數，最后將顆粒信息上傳網絡。
2.根據權利要求1所述的抗環境磁場干擾的電磁式油液金屬顆粒監測傳感器，其特征是所述金屬顆粒敏感單元包括導磁材料外殼，外殼內設有激勵線圈和位于激勵線圈兩側的第一、第二感應線圈。
3.根據權利要求2所述的抗環境磁場干擾的電磁式油液金屬顆粒監測傳感器，其特征是所述智能變送器包括:與激勵線圈連接的激勵信號源；分別與第一、第二感應線圈連接的第一、第二前置放大器；分別與第一和第二前置放大器連接的第一、第二調相器?’與第一、第二調相器連接的差分放大器；與差分放大器連接的解調器；與解調器連接的多級放大器和濾波器；與放大器連接的微處理器；與微處理器連接的通訊接口 ；通訊接口與主控計算機連接。
【文檔編號】G01N27/00GK103592208SQ201310569838
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】夏志瀾, 楊擁民, 楊定新, 胡政, 李寶璽, 胡海峰 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學, 夏志瀾