一種采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置，其設置在液壓管路上，其濾波器、分離吸附模塊、旋轉塑形模塊、激勵線圈I、感應線圈、激勵線圈II依次設置在液壓管路上；激勵線圈I和激勵線圈II反向串聯；感應線圈位于激勵線圈I和激勵線圈II之間的中央；ECU分別電性連接并控制濾波器、分離吸附模塊、旋轉塑形模塊、激勵線圈I、激勵線圈II和感應線圈；所述濾波器采用工況自適應抑波濾波器；分離吸附模塊由依次連接的機械離心模塊、磁化模塊、磁吸附模塊、起電模塊以及電吸附模塊組成。本發明采用非接觸的測量方式，具有信號一致性好、可靠性高、檢測信號強且誤差小等諸多優點。
【專利說明】一種采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置 【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種液壓油磨損微粒檢測裝置，具體涉及一種采用抑波的雙激勵螺線 管式微粒敏感裝置，屬于液壓設備技術領域。 【【背景技術】】
[0002] 磨損是機械零部件失效的主要因素之一，磨損微粒是監測磨損過程以及診斷磨損 失效類型的最為直接的信息元。國內外的資料統計表明，液壓機械70%故障源自油液的顆 粒污染。因此，對油液中的金屬磨損微粒進行在線監測已成為減少磨損及液壓系統卡緊卡 澀故障的重要途徑之一。
[0003]電感式傳感器屬于非接觸測量方式，油液中所含金屬磨損微粒的材質和數量使傳 感器等效電感發生變化，從而實現磨損微粒的在線監測。中國發明專利第201310228772.6 號公開了一種油液金屬磨粒在線監測系統，該油液金屬磨粒在線監測系統包括傳感器、微 處理器和電路，其傳感器為螺線管式電感傳感器。使用該系統進行在線監測時，首先將兩個 相同的傳感器的激勵線圈并聯接入激勵交流信號發生器，將兩個感應線圈反向串聯并與兩 個等阻值的大電阻接成交流電橋;然后使油液從其中一個傳感器的油路中通過。當傳感器 中含有激勵線圈和感應線圈的一個油路通過含有金屬磨粒的油液而另一個不通過時，金屬 磨粒影響傳感器的磁場強度，破壞電橋的平衡，感應線圈輸出相應幅值的交流電壓。輸出電 壓大小和金屬磨粒濃度大小成正比，油液中含有的金屬磨粒濃度越大，輸出電壓值越大。通 過系統處理模塊對輸出信號采集和處理，達到對油液金屬磨粒濃度在線監測的目的。
[0004] 然而，上述監測方法存在以下幾方面的不足：
[0005] 1.金屬磨損微粒流經測試線圈時引起的磁場波動十分微弱，檢測線圈的輸出結果 受微粒通過速度影響較大，管道中油液的壓力和流量波動將嚴重影響電感法微粒檢測的有 效性和一致性。
[0006] 2.機械潤滑油中的金屬磨損磨粒按照其電磁特性可分為鐵磁質微粒(如鐵)和非 鐵磁質微粒(如銅、鋁）。鐵磁質微粒增強傳感器線圈的等效電感，而非鐵磁質微粒則削弱傳 感器線圈的等效電感。當兩種微粒同時通過檢測線圈時，該監測裝置將失效。
[0007] 3.正常情況下金屬磨損微粒的粒徑較小，在5um左右，且主要為球磨粒，其纖度小 于其他磨粒，傳感器線圈對其檢測能力相對較弱。如專利文獻1只能處理l〇um左右的金屬微 粒，無法監測零部件的早期磨損。
[0008] 4.螺線管內的磁感應強度B沿其軸線方向為非均勻分布，這將導致嚴重的測量誤 差；同時同一型號的電感對鐵質顆粒的檢測能力要大于對銅質顆粒的檢測能力，這同樣會 帶來測量誤差。
[0009] 因此，為解決上述技術問題，確有必要提供一種創新的采用抑波的雙激勵螺線管 式微粒敏感裝置，以克服現有技術中的所述缺陷。 【
【發明內容】
】
[0010] 為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種采用非接觸的測量方式、信號 一致性好、可靠性高、檢測信號強且誤差小的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置。
[0011] 為實現上述目的，本發明采取的技術方案為:一種采用抑波的雙激勵螺線管式微 粒敏感裝置，其設置在液壓管路上，其包括濾波器、分離吸附模塊、旋轉塑形模塊、激勵線圈 I、激勵線圈II、感應線圈以及ECU;其中，所述濾波器、分離吸附模塊、旋轉塑形模塊、激勵線 圈I、感應線圈、激勵線圈II依次設置在液壓管路上;所述激勵線圈I和激勵線圈II反向串 聯;所述感應線圈位于激勵線圈I和激勵線圈II之間的中央;所述ECU分別電性連接并控制 濾波器、分離吸附模塊、旋轉塑形模塊、激勵線圈I、激勵線圈II和感應線圈；所述濾波器包 括輸入管、外殼、輸出管、彈性薄壁、H型濾波器以及串聯H型濾波器;其中，所述輸入管連接 于外殼的一端，其延伸入外殼內，其和一液壓油進口對接;所述輸出管連接于外殼的另一 端，其延伸入外殼內，其和U型微粒分離模塊對接;所述彈性薄壁沿外殼的徑向安裝于外殼 內；所述輸入管、輸出管和彈性薄壁共同形成一雙管插入式濾波器;所述彈性薄壁的軸向上 均勻開有若干錐形變結構阻尼孔;所述錐形變結構阻尼孔由錐形彈性阻尼孔管和縫孔組 成;所述彈性薄壁和外殼之間形成串聯共振容腔I以及并聯共振容腔;所述串聯共振容腔I 的外側設一串聯共振容腔II，所述串聯共振容腔I和串聯共振容腔II之間通過一錐形插入 管連通;該錐形插入管靠近輸入管側;所述H型濾波器位于并聯共振容腔內，其和錐形變結 構阻尼孔相連通;所述串聯H型濾波器位于串聯共振容腔I和串聯共振容腔II內，其亦和錐 形變結構阻尼孔相連通;所述H型濾波器和串聯H型濾波器軸向呈對稱設置，并組成串并聯H 型濾波器;所述分離吸附模塊由依次連接的機械離心模塊、磁化模塊、磁吸附模塊、起電模 塊以及電吸附模塊組成。
[0012] 本發明的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置進一步設置為:所述輸入管和 輸出管的軸線不在同一軸線上;所述錐形變結構阻尼孔開口較寬處位于串聯共振容腔I和 并聯共振容腔內，其錐度角為10° ;所述錐形變結構阻尼孔錐形彈性阻尼孔管的楊氏模量比 彈性薄壁的楊氏模量要大，能隨流體壓力變化拉伸或壓縮;縫孔的楊氏模量比錐形彈性阻 尼孔管的楊氏模量要大，能隨流體壓力開啟或關閉；所述錐形插入管開口較寬處位于串聯 共振容腔II內，其錐度角為10°。
[0013] 本發明的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置進一步設置為:所述機械離心 模塊采用旋流離心模塊;所述旋流離心模塊包括旋流管壁、第一導流片、第二導流片、步進 電機以及流量傳感器；其中，所述第一導流片設有3片，該3片第一導流片沿管壁內圓周隔 120°均勻分布，其安放角設為18°;所述第二導流片和第一導流片結構相同，其設置在第一 導流片后，并和第一導流片錯開60°連接在管壁內，其安放角設為36°C;所述第一導流片的 長邊與管壁相連，短邊沿管壁的軸線延伸；其前緣挫成鈍形，后緣加工成翼形，其高度為管 壁直徑的0.4倍，長度為管壁直徑的1.8倍;所述步進電機連接并驅動第一導流片和第二導 流片，以調節安放角;所述流量傳感器設置在管壁內的中央。
[0014] 本發明的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置進一步設置為:所述磁化模塊 包括鋁質管道、若干繞組、鐵質外殼以及法蘭;其中，所述若干繞組分別繞在鋁質管道外;所 述鐵質外殼包覆于鋁質管道上;所述法蘭焊接在鋁質管道的兩端。
[0015] 本發明的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置進一步設置為:所述磁吸附模 塊采用同極相鄰型吸附環，該同極相鄰型吸附環包括鋁質環形管道、正向螺線管、反向螺線 管以及鐵質導磁帽;所述正向螺線管和反向螺線管分別布置于鋁質環形管道內，兩者通有 方向相反的電流，使得正向螺線管和反向螺線管相鄰處產生同性磁極;所述鐵質導磁帽布 置于鋁質環形管道的內壁上，其位于正向螺線管和反向螺線管相鄰處、以及正向螺線管和 反向螺線管軸線的中間點。
[0016] 本發明的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置進一步設置為:所述磁吸附模 塊采用帶電擊錘的同極相鄰型吸附環，該帶電擊錘的同極相鄰型吸附環包括鋁質環形管 道、正向螺線管、反向螺線管、鐵質導磁帽、隔板、電擊錘以及電磁鐵;所述正向螺線管和反 向螺線管分別布置于鋁質環形管道內，兩者通有方向相反的電流，使得正向螺線管和反向 螺線管相鄰處產生同性磁極;所述鐵質導磁帽布置于鋁質環形管道的內壁上，其位于正向 螺線管和反向螺線管相鄰處、以及正向螺線管和反向螺線管軸線的中間點；所述隔板位于 正向螺線管和反向螺線管之間；所述電擊錘和電磁鐵位于隔板之間；所述電磁鐵連接并能 推動電擊錘，使電擊錘敲擊鋁質環形管道內壁。
[0017] 本發明的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置進一步設置為:所述起電模塊 包括若干電極以及一電極控制器;所述若干電極安裝于液壓管路上，其分別連接至電極控 制器。
[0018] 本發明的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置進一步設置為:所述電吸附模 塊包括鋁質管道、陽極板、陰極板以及極板控制器;其中，所述陽極板、陰極板分別設置在鋁 質管道上，并呈相對設置;所述陽極板、陰極板分別電性連接至極板控制器上;所述極板控 制器電性連接至E⑶，并由E⑶控制。
[0019] 本發明的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置進一步設置為:所述旋轉塑形 模塊包括鋁質管道、若干繞組、鐵質外殼、法蘭以及若干旋轉塑形電流輸出模塊;其中，所述 若干繞組分別繞在鋁質管道外;所述鐵質外殼包覆于鋁質管道上;所述法蘭焊接在鋁質管 道的兩端;每一旋轉塑形電流輸出模塊連接至一繞組。
[0020] 本發明的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置還設置為:所述激勵線圈I和 激勵線圈II均包含若干繞組，各繞組由正繞組和逆繞組組成，各繞組分別連接至一激勵電 流輸出模塊，該激勵電流輸出模塊由ECU模塊控制。
[0021] 與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:本發明引入油液壓力流量波動抑制 技術和微粒分時釋放措施，以保證檢測的有效性和一致性;通過機械離心、磁化吸附、起電 吸附等技術將鐵磁質微粒和非鐵磁質微粒分離，以防止兩種微粒互相干擾影響檢測結果； 通過顆粒聚合和旋轉磁場塑形增加顆粒粒徑并改變其形態，以提高檢測的靈敏度;通過改 進螺線管線圈結構調整螺線管內的磁感應強度沿其軸線方向的均勻性，以減少檢測誤差； 構造零磁場，兩個由高頻交流電源驅動的外側場線圈反向串聯(雙激勵螺線管），產生的磁 場方向相反，可使在管子內部正好位于中央傳感線圈處磁場相互抵消，即為零磁場，保證磁 通量變化較小時即可獲得很大的磁通量變化率，以提高檢測靈敏度，降低后續信號處理電 路要求。 【【附圖說明】】
[0022] 圖1是本發明的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置的整體結構示意圖。
[0023] 圖2是圖1中的濾波器的結構示意圖。
[0024] 圖3是圖2中沿A-A的剖面圖。
[0025]圖4是圖3中H型濾波器示意圖。
[0026] 圖5是圖3中串聯H型濾波器示意圖。
[0027] 圖6是H型濾波器和串聯H型濾波器頻率特性組合圖。其中，實線為串聯H型濾波器 頻率特性。
[0028] 圖7是串并聯H型濾波器頻率特性圖。
[0029] 圖8是雙管插入式濾波器的結構示意圖。
[0030] 圖9是彈性薄壁的橫截面示意圖。
[0031] 圖10是圖2中錐形變結構阻尼孔的示意圖。
[0032] 圖10(a)至圖10(c)是錐形變結構阻尼孔的工作狀態圖。
[0033]圖11是圖1中的分離吸附模塊的連接示意圖。
[0034]圖12-1是圖11中的機械離心模塊的橫向示意圖。
[0035]圖12-2是圖11中的機械離心模塊的徑向示意圖。
[0036] 圖13是圖11中的磁化模塊的結構示意圖。
[0037] 圖14-1是圖11中的磁吸附模塊為同極相鄰型吸附環的結構示意圖。
[0038] 圖14-2是圖11中的磁吸附模塊為帶電擊錘的同極相鄰型吸附環的結構示意圖。
[0039] 圖15是圖11中的起電模塊的結構示意圖。
[0040] 圖16是圖11中的電吸附模塊的結構示意圖。
[0041] 圖17是圖1中的旋轉塑形模塊的結構示意圖。
[0042] 圖18-1是圖1中的檢測線圈的繞組的結構示意圖。
[0043 ]圖18-2是圖18-1中的激勵電流輸出模塊的電路圖。
[0044] 圖19是圖1中的E⑶模塊的連接關系圖。 【【具體實施方式】】
[0045] 請參閱說明書附圖1至附圖19所示，本發明為一種采用抑波的雙激勵螺線管式微 粒敏感裝置，其設置在液壓管路7上，其由濾波器8、分離吸附模塊2、旋轉塑形模塊3、激勵線 圈14、感應線圈5、激勵線圈116以及E⑶1等幾部分組成。
[0046] 其中，所述濾波器8、分離吸附模塊2、旋轉塑形模塊3、激勵線圈14、感應線圈5、激 勵線圈116依次設置在液壓管路7上。所述ECU 1分別電性連接并控制濾波器8、分離吸附模 塊2、旋轉塑形模塊3、激勵線圈14、激勵線圈II5和感應線圈5。
[0047 ]由于油液的流速對檢測特性影響很大，隨著油液流速的增大，檢測的靈敏度以及 輸出電壓都將發生明顯變化；同時，油液的流量也對檢測輸出有較大的影響，當流量增大 時，輸出電壓也會隨著改變，這對檢測結果的一致性和有效性影響很大，為此，本發明在檢 測前增加了濾波器8穩定液壓系統壓力和流量。
[0048]所述濾波器8由輸入管81、外殼88、輸出管89、彈性薄壁87、H型濾波器812以及串聯 H型濾波器813等幾部分組成。
[0049]其中，所述輸入管81連接于外殼89的一端，用于輸入油液;所述輸出管811連接于 外殼89的另一端，其和分離吸附模塊2對接。所述彈性薄壁87沿外殼的徑向安裝于外殼88 內。所述輸入管81和輸出管89的軸線不在同一軸線上，這樣可以提高10%以上的濾波效果。
[0050]所述輸入管81、輸出管89和彈性薄壁87共同形成一雙管插入式濾波器，從而衰減 液壓系統高頻壓力脈動。按集總參數法處理后得到的濾波器透射系數為：
[0052] a-介質中音速P-流體密度cb-輸入管直徑Z-特性阻抗
[0057] d2-輸出管直徑D-容腔直徑h-輸入端插入管長度12-輸出端插入管長 度L一容腔總長度和輸入端輸出端插入管長度和的差值
[0058]由上式可見，雙管插入式容腔濾波器和電路中的電容作用類似。不同頻率的壓力 脈動波通過該濾波器時，透射系數隨頻率而不同。頻率越高，則透射系數越小，這表明高頻 的壓力脈動波在經過濾波器時衰減得越厲害，從而起到了消除高頻壓力脈動的作用。
[0059]所述雙管插入式濾波器的設計原理如下：管道中壓力脈動頻率較高時，壓力波動 作用在流體上對流體產生壓縮效應。當變化的流量通過輸入管進入雙管插入式容腔時，液 流超過平均流量，擴大的容腔可以吸收多余液流，而在低于平均流量時放出液流，從而吸收 壓力脈動能量。
[0060]所述彈性薄壁87通過受迫機械振動來削弱液壓系統中高頻壓力脈動。按集總參數 法處理后得到的彈性薄壁固有頻率為：
[0062] k-彈性薄壁結構系數h-彈性薄壁厚度R-彈性薄壁半徑
[0063] E-彈性薄壁的楊氏模量P-彈性薄壁的質量密度 [0064] n-彈性薄壁的載流因子y-彈性薄壁的泊松比。
[0065]代入實際參數，對上式進行仿真分析可以發現，彈性薄壁87的固有頻率通常比H型 濾波器的固有頻率高，而且其衰減頻帶也比H型濾波器寬。在相對較寬的頻帶范圍內，彈性 薄壁對壓力脈動具有良好的衰減效果。同時，本發明的濾波器結構中的彈性薄壁半徑較大 且較薄，其固有頻率更靠近中頻段，可實現對液壓系統中的中高頻壓力脈動的有效衰減。 [0066]所述彈性薄壁87的設計原理如下:管道中產生中頻壓力脈動時，S型容腔對壓力波 動的衰減能力較弱，流入濾波器S型容腔的周期性脈動壓力持續作用在彈性薄壁87的內外 壁上，由于內外壁之間有支柱固定連接，內外彈性薄壁同時按脈動壓力的頻率做周期性振 動，該受迫振動消耗了流體的壓力脈動能量，從而實現中頻段壓力濾波。由虛功原理可知， 彈性薄壁消耗流體脈動壓力能量的能力和其受迫振動時的勢能和動能之和直接相關，為了 提高中頻段濾波性能，彈性薄壁的半徑設計為遠大于管道半徑，且薄壁的厚度較小，典型值 為小于0.1mm。
[0067]進一步的，所述彈性薄壁87和外殼88之間形成串聯共振容腔184以及并聯共振容 腔85。所述串聯共振容腔184的外側設一串聯共振容腔II83,所述串聯共振容腔184和串聯 共振容腔1183之間通過一錐形插入管82連通，該錐形插入管82靠近輸入管81側，使共振容 腔I和II形成非對稱結構，以降低濾波器固有共振頻率。所述錐形插入管82開口較寬處位于 串聯共振容腔1183內，其錐度角為10°。所述彈性薄壁87的軸向上均勻開有若干錐形變結構 阻尼孔86。
[0068] 所述H型濾波器812位于并聯共振容腔85內，其和錐形變結構阻尼孔86相連通。所 述錐形變結構阻尼孔86開口較寬處位于串聯共振容腔184和并聯共振容腔85內，其錐度角 為10°。按集總參數法處理后得到的濾波器固有角頻率為：
[0070] a一一介質中音速U-一阻尼孔長Di-一阻尼孔直徑 [0071 ] L2一一并聯共振容腔高度D2-一并聯共振容腔直徑。
[0072] 所述串聯H型濾波器813位于串聯共振容腔184和串聯共振容腔1183內，其亦和錐 形變結構阻尼孔86相連通。按集總參數法處理后，串聯H型濾波器813的兩個固有角頻率為：
[0075] a-介質中音速h-阻尼孔長cb-阻尼孔直徑13-共振管長
[0076] d3-共振管直徑12-串聯共振容腔1高度山一串聯共振容腔1直徑
[0077] 14 -串聯共振容腔2高度d4-串聯共振容腔2直徑。
[0078] 所述H型濾波器812和串聯H型濾波器813軸向呈對稱設置，并組成串并聯H型濾波 器，用于展寬濾波頻率范圍并使整體結構更緊湊。本發明沿圓周界面分布了多個串并聯H型 濾波器（圖中只畫出了 2個），彼此之間用隔板820隔開，這多個濾波器的共振頻帶各不相同， 組合在一起后可全面覆蓋整個中低頻濾波頻段，實現中低頻段的全頻譜濾波。
[0079]由圖6 H型濾波器和串聯H型濾波器頻率特性及公式均可發現，串聯H型濾波器有2 個固有角頻率，在波峰處濾波效果較好，而在波谷處則基本沒有濾波效果;H型濾波器有1個 固有角頻率，同樣在波峰處濾波效果較好，而在波谷處則基本沒有濾波效果;選擇合適的濾 波器參數，使H型濾波器的固有角頻率剛好落在串聯H型濾波器的2個固有角頻率之間，如圖 7所示，既在一定的頻率范圍內形成了3個緊鄰的固有共振頻率峰值，在該頻率范圍內，無論 壓力脈動頻率處于波峰處還是波谷處均能保證較好的濾波效果。多個串并聯H型濾波器構 成的濾波器組既可覆蓋整個中低頻段，實現中低頻段的全頻譜濾波。
[0080] 進一步的，所述錐形變結構阻尼孔86由錐形彈性阻尼孔管16和縫孔15組成，錐形 較窄端開口于彈性薄壁87。其中錐形彈性阻尼孔管16的楊氏模量比彈性薄壁87的楊氏模量 要大，能隨流體壓力變化拉伸或壓縮;縫孔15的楊氏模量比錐形彈性阻尼孔管16的楊氏模 量要大，能隨流體壓力開啟或關閉。故當壓力脈動頻率落在高頻段時，C型容腔濾波器結構 起濾波作用，錐形彈性阻尼孔管16和縫孔15都處于圖10(a)狀態;而當脈動頻率落在中頻段 時，濾波器結構變為C型容腔濾波器結構和彈性薄壁87濾波結構共同起作用，錐形彈性阻尼 孔管16和縫孔15都處于圖10(a)狀態；當脈動頻率落在某些特定的低頻頻率時，濾波器結構 變為插入式串并聯H型濾波器、C型容腔濾波器結構和彈性薄壁濾波結構共同起作用，錐形 彈性阻尼孔管16和縫孔15都處于圖10(b)狀態，由于插入式串并聯H型濾波器的固有頻率被 設計為和這些特定低頻脈動頻率一致，對基頻能量大的系統可起到較好的濾波效果；當脈 動頻率落在某些特定頻率以外的低頻段時，錐形彈性阻尼孔管16和縫孔15都處于圖10(c) 狀態。這樣的變結構濾波器設計既保證了液壓系統的全頻段全工況濾波，又降低了正常工 況下濾波器的壓力損失，保證了系統的液壓剛度。
[0081] 本發明還能實線工況自適應壓力脈動衰減。當液壓系統工況變化時，既執行元件 突然停止或運行，以及閥的開口變化時，會導致管路系統的特性阻抗發生突變，從而使原管 道壓力隨時間和位置變化的曲線也隨之改變，則壓力峰值的位置亦發生變化。由于本發明 的濾波器的軸向長度設計為大于系統主要壓力脈動波長，且濾波器的串并聯H型濾波器組 的容腔長度、雙管插入式容腔濾波器的長度和彈性薄壁的長度和濾波器軸線長度相等，保 證了壓力峰值位置一直處于濾波器的有效作用范圍內；而串并聯H型濾波器的錐形變結構 阻尼孔開在彈性薄壁上，沿軸線方向均勻分布，使得壓力峰值位置變化對濾波器的性能幾 乎沒有影響，從而實現了工況自適應濾波功能。考慮到三種濾波結構軸向尺寸和濾波器相 當，這一較大的尺寸也保證了液壓濾波器具備較強的壓力脈動衰減能力。
[0082] 采用本發明的液壓濾波器進行液壓脈動濾波的方法如下：
[0083] 1)，液壓流體通過輸入管進入雙管插入式濾波器，擴大的容腔吸收多余液流，完成 尚頻壓力脈動的濾波；
[0084] 2)，通過彈性薄壁87受迫振動，消耗流體的壓力脈動能量，完成中頻壓力脈動的濾 波；
[0085] 3)，通過串并聯H型濾波器組，以及錐形變結構阻尼孔、錐形插入管和流體產生共 振，消耗脈動能量，完成低頻壓力脈動的濾波；
[0086] 4)，將濾波器的軸向長度設計為大于液壓系統主要壓力脈動波長，且串并聯H型濾 波器長度、雙管插入式濾波器長度和彈性薄壁87長度同濾波器長度相等，使壓力峰值位置 一直處于濾波器的有效作用范圍，實現系統工況改變時壓力脈動的濾波；
[0087] 5)，通過錐形變結構阻尼孔的錐形彈性阻尼孔管的伸縮和縫孔的開關，完成壓力 脈動自適應濾波。
[0088] 機械潤滑油中的金屬磨損磨粒按照其電磁特性可分為鐵磁質微粒(如鐵)和非鐵 磁質微粒(如銅、鋁）。鐵磁質微粒增強傳感器線圈的等效電感，而非鐵磁質微粒則削弱傳感 器線圈的等效電感。當兩種微粒同時通過檢測線圈時，該監測裝置將失效。為此，本發明用 分離吸附模塊2來分離這兩種微粒。所述分離吸附模塊2由依次連接的機械離心模塊21、磁 化模塊22、磁吸附模塊23、起電模塊24以及電吸附模塊25組成。
[0089] 其中，所述機械離心模塊21使油液在離心作用下，質量較大的固體顆粒被甩向腔 壁，其采用沿程起旋的方式，其設計原理如下:在管道中設置一定高度和長度的扭曲的導流 片，并使葉面切線與軸線成一定角度，因管流邊界發生改變可使流體產生圓管螺旋流，該螺 旋流可分解為繞管軸的周向流動和軸向平直流動，流體中攜帶的顆粒物產生偏軸線向心螺 旋運動。該旋流離心裝置21由旋流管壁211、第一導流片212、第二導流片213、步進電機214 以及流量傳感器215等幾部分組成，所述步進電機214和流量傳感器215電性連接至E⑶1。
[0090] 其中，所述第一導流片212設有3片，該3片第一導流片212沿管壁211內圓周隔120° 均勻分布，其安放角(第一導流片212和旋流管壁211之間的夾角)設為18°，以保證最佳切向 流動。所述第二導流片213和第一導流片212結構相同，其設置在第一導流片212后，并和第 一導流片212錯開60°連接在管壁211內，其安放角設為36°C，用于減少阻力并加大周向流動 的強度。另外，可根據實際分離效果同樣再設置第三或更多的導流片，安放角逐次增加。所 述步進電機214連接并驅動第一導流片212和第二導流片213,以調節安放角，從而可獲得更 好的離心效果，獲知使導流片212、213適應不同的工況。所述流量傳感器215設置在管壁211 內的中央，ECU1通過讀取流量傳感器215的數值分析旋流分離效果，并據此控制步進電機 214,步進電機214調節各導流片212、213的安放角，以獲得更加分離效果。
[0091] 進一步的，所述第一導流片212的長邊與管壁211相連，短邊213沿管壁211的軸線 延伸;為減小阻力，其前緣挫成鈍形;為避免繞流，后緣加工成翼形;其高度為管壁211直徑 的0.4倍，使形成的螺旋流具有較大的強度;長度為管壁211直徑的1.8倍，以保證較大的對 油液的作用范圍。
[0092]所述磁化模塊22將油液中攜帶的鐵磁性金屬磨損微粒的強力磁化，并使微米級的 磨損微粒聚合成大顆粒，可提高敏感裝置的輸出信號強度。所述磁化裝置22由鋁質管道 221、若干繞組222、鐵質外殼223以及法蘭224組成。其中，所述鋁質管道221使油液從其中流 過而受到磁化處理，且鋁的磁導率很低，可以使管道221中獲得較高的磁場強度。
[0093] 所述若干繞組222分別繞在鋁質管道221外，由直徑為1.0mm左右的銅絲涂覆絕緣 漆制成。所述鐵質外殼223包覆于鋁質管道221上，鐵質的材料會屏蔽掉大部分的磁通。所述 法蘭224焊接在鋁質管道221的兩端。
[0094] 所述磁吸附模塊23用于吸附聚集在管壁附近的磁化聚合大微粒，其可采用同極相 鄰型吸附環。該同極相鄰型吸附環由鋁質環形管道231、正向螺線管232、反向螺線管233以 及鐵質導磁帽234等部件組成。其中，所述正向螺線管232和反向螺線管233分別布置于鋁質 環形管道231內并由ECU1控制，兩者通有方向相反的電流，使得正向螺線管232和反向螺線 管233相鄰處產生同性磁極。所述鐵質導磁帽234布置于鋁質環形管道231的內壁上，其位于 正向螺線管232和反向螺線管233相鄰處、以及正向螺線管232和反向螺線管233軸線的中間 點。
[0095]所述同極相鄰型吸附環的設計原理如下:通電正向螺線管232、反向螺線管233,相 鄰的正向螺線管232、反向螺線管233通有方向相反的電流，使得正向螺線管232、反向螺線 管233相鄰處產生同性磁極;同時，鋁質環形管道231能夠改善磁路，加大管道內壁處的磁場 強度，增強鐵質導磁帽234對顆粒的捕獲吸附能力。各正向螺線管232、反向螺線管233電流 由ECU1直接控制，可根據顆粒的粒徑大小和濃度不同而變化，以獲得最佳吸附性能。
[0096]進一步的，所述磁吸附模塊23也可采用帶電擊錘的同極相鄰型吸附環，該帶電擊 錘的同極相鄰型吸附環由鋁質環形管道231、正向螺線管232、反向螺線管233、鐵質導磁帽 234、隔板235、電擊錘236以及電磁鐵237等部件組成。其中，所述正向螺線管232和反向螺線 管233分別布置于鋁質環形管道231內并由ECU1控制，兩者通有方向相反的電流，使得正向 螺線管232和反向螺線管233相鄰處產生同性磁極。所述鐵質導磁帽234布置于鋁質環形管 道231的內壁上，其位于正向螺線管232和反向螺線管233相鄰處、以及正向螺線管232和反 向螺線管233軸線的中間點。所述電擊錘236和電磁鐵237位于隔板235之間。所述電磁鐵237 連接并能推動電擊錘236,使電擊錘236敲擊鋁質環形管道232內壁。所述ECU1電性連接并控 制正向螺線管232、反向螺線管233和電磁鐵237。
[0097]所述帶電擊錘的同極相鄰型吸附環的設計原理如下:通電正向螺線管232、反向螺 線管233,相鄰的正向螺線管232、反向螺線管233通有方向相反的電流，使得正向螺線管 232、反向螺線管233相鄰處產生同性磁極；同時，鋁質環形管道231能夠改善磁路，加大管道 內壁處的磁場強度，增強鐵質導磁帽234對顆粒的捕獲吸附能力。各正向螺線管232、反向螺 線管233電流由ECU1直接控制，可根據顆粒的粒徑大小和濃度不同而變化，以獲得最佳吸附 性能。而通過電擊錘236的設置，防止顆粒在鐵質導磁帽234處大量堆積，影響吸附效果。此 時，通過電磁鐵237控制電擊錘236敲擊管道231的內壁，使得被吸附的顆粒向兩側分散開。 同時，在清洗管道231時，電擊錘236的敲擊還可以提高清洗效果。
[0098]所述磁吸附模塊23吸附完成后，E⑶1控制電磁鐵斷電，順磁性鋁質管道失去磁性， 附著在管道內壁上磁性聚合大顆粒將脫離管壁并以低速隨油液沿管壁進入起電模塊24。 [0099]所述起電模塊24使液壓油中的非鐵磁性金屬磨損微粒帶電，其由若干電極241以 及一電極控制器242組成。所述若干電極241安裝于液壓管路7上，其分別連接至電極控制器 242。所述電極控制器242電性連接向電極241施加電壓，使油液中的顆粒物質帶電。
[0100] 所述電吸附模塊25將油液中的非鐵磁性金屬磨損顆粒吸附在管壁上，其由鋁質管 道251、陽極板252、陰極板253以及極板控制器254組成。其中，所述陽極板252、陰極板253分 別設置在鋁質管道251上，并呈相對設置;所述陽極板252、陰極板253分別電性連接至極板 控制器254上;所述極板控制器254電性連接至E⑶1，并由E⑶1控制。
[0101] 所述電吸附模塊25的工作原理如下：帶電的非鐵磁質金屬磨損微粒隨油液以速度 V沿管壁流入電吸附模塊25,電吸附模塊25的陰陽兩個電極525、253受極板控制器254控制 產生和速度V方向垂直的均勻電場，則帶電微粒在電場離心模塊中受到垂直于速度方向的 電場力的作用，使帶電顆粒在該力的作用下向極板做拋物線運動，帶電微粒沿運動方向吸 附其它微粒形成聚合大顆粒。該拋物線運動具體是指帶電微粒在軸向跟隨油液做直線運 動，徑向則在電場力作用下做勻速或變速運動，通過極板控制器254改變電場強度即可改變 運動速度，使帶電聚合大顆粒吸附到管壁上。吸附完成后，當ECU1控制極板控制器254斷電 時，附著在管道內壁上磁性聚合大顆粒將脫離管壁并以低速隨油液沿管壁進入旋轉塑形模 塊3 〇
[0102] 所述旋轉塑形模塊3用于提高檢測的靈敏度。研究表明：傳感器線圈的電感變化率 與磨粒半徑的三次方成正比。同時，磁介質的形態越趨向于細長狀，其退磁因子越小，磁化 強度越大，磁化場場強越大。對傳感器等效電感的變化影響越大。該旋轉塑形模塊3由鋁質 管道31、若干繞組32、鐵質外殼33、法蘭34以及若干旋轉塑形電流輸出模塊35等幾部分組 成。其中，所述若干繞組32分別繞在鋁質管道31外;所述鐵質外殼33包覆于鋁質管道31上； 所述法蘭34焊接在鋁質管道31的兩端;每一旋轉塑形電流輸出模塊35連接至一繞組32。
[0103] 所述旋轉塑形模塊3的設計原理如下：聚合大顆粒隨油液進入旋轉塑形模塊3后， ECU1控制旋轉塑形電流輸出模塊35，使旋轉塑形電流輸出模塊35中流過三相對稱電流，該 電流在鋁質管道31內產生旋轉磁場。磁化顆粒在旋轉磁場作用下受到磁場力的作用，并在 該力的作用下以螺旋狀前進，磁化微粒沿磁力線方向形成了很多針狀結構，這些針狀結構 在磁場旋轉時將跟隨磁場做螺旋運動，具體是在軸向跟隨油液做直線運動，徑向則跟隨旋 轉磁場做螺旋運動。調整三相對稱電流即可改變螺旋運動的速度和軌跡。當運動的針狀結 構和運動軌跡上的金屬微粒遭遇時，彼此結合成大顆粒聚合物。通過旋轉塑形模塊3,使油 液中的金屬微粒的粒徑增大同時形態變為細長針狀結構，使得金屬微粒的纖度也大大增 加，進一步增強了雙線圈式檢測的靈敏度。
[0104] 金屬磨損微粒在油路中為非均勻分布，流型變化十分復雜，當微粒大小和材質變 化時，其引起的磁場變化是很微弱的，若檢測磁場不均勻將導致嚴重的測量誤差，使檢測靈 敏度降低；同時要求激勵線圈I和激勵線圈II的特性完全一致，這一般是很難達到的，為此 需要設計的激勵線圈I和激勵線圈II具有在線自動調節的功能。具體的說，所述激勵線圈14 和激勵線圈116均包含若干繞組，各繞組由正繞組41和逆繞組42組成，各繞組分別連接至一 激勵電流輸出模塊43。該激勵電流輸出模塊43由ECU1控制，其使用的數字電位計為AD5206， 具有6通道的輸出，可以和ECU1之間實現單總線數據傳輸。ECU1通過單總線實現對磁化繞組 的多塊激勵電流輸出模塊73的電流設定和輸出。運放AD8601和M0S管2N7002通過負反饋實 現了高精度的電壓跟隨輸出。恒定大電流輸出采用了德州儀器(TI)的高電壓、大電流的運 放0PA 549〇
[0105]所述檢測線圈7的工作原理如下：為了產生同極性方向的磁場并同時彌補缺口造 成的磁場不均衡，正繞組41和逆繞組42內的電流特性相同，在液壓管道7的軸線方向上排列 有多對正逆繞組，通過不同激勵電流輸出模塊43控制電流，就可以形成系統要求的均勻磁 場。
[0106]因為液體中的磨粒非常小，對原磁場的影響非常小，即產生的磁通變化量也很小， 為了保證傳感器高的靈敏度，需要在感應線圈中獲得大的感應電動勢。根據法拉第電磁感 應定律，感生電動勢的大小和通過導體回路的磁通量的變化率成正比，其方向有賴于磁場 的方向和變化情況。磁通量變化較小時，若要使其變化率大，其途徑有兩種:一是增大原線 圈的匝數，但這樣會導致傳感器體積過大，不可取;一是原磁場磁通量為零，即處于零磁場 中。基于此，本創作設計的敏感裝置的采用三組線圈。激勵線圈14和激勵線圈116由高頻交 流電源驅動，兩線圈反向串聯，產生的磁場方向相反，而所述感應線圈5位于激勵線圈14和 激勵線圈116之間的中央，可使在感應線圈5處磁場相互抵消，即為零磁場。感應線圈5與ECU 相接。當油液中通過有金屬大顆粒時，引起磁場擾動，導致感應線圈5產生感應電動勢，利用 鐵磁質和非鐵磁質金屬微粒對原磁場的相反影響，導致輸出信號相位相反，可區分油液中 磨損顆粒類型;磁介質顆粒越大，纖度越大，對磁場影響越大，輸出信號的幅值越大，檢測的 靈敏度越高。
[0107] 采用上述監控裝置對液壓油進行監控的具體方法如下：
[0108] 1)，液壓管路7中的油液通過濾波器8,濾波器8衰減液壓系統中的高、中、低頻段的 脈動壓力，以及抑制流量波動；
[0109] 2)，之后油液進入分離吸附模塊2的機械離心模塊21，使油液中的磨損顆粒聚合并 實現初步離心，使質量較大的聚合大顆粒甩向管壁附近；
[0110] 3)，通過磁化模塊22使鐵磁性金屬聚合大顆粒被強力磁化；
[0111] 4)，磁吸附模塊23吸附磁化的金屬聚合大微粒；
[0112] 5)，通過起電模塊24,使油液中的非鐵磁性金屬磨損微粒帶電聚合；
[0113] 6)，隨后帶電顆粒以速度v流入電吸附模塊25，電吸附模塊25受ECU 1控制產生和速 度v方向垂直的均勻磁場，帶電顆粒在分離裝置中受到垂直于速度方向和磁場方向的洛侖 磁力的作用，使帶電顆粒在該力的作用下向鋁質管壁運動，從而使油液中的非鐵磁性金屬 磨損微粒從油液中"分離"出來，吸附在管壁上。
[0114] 7)，在磁吸附和電吸附到足夠的微粒濃度后，ECU1先控制電吸附模塊25將電場方 向先反向，再取消電場，則吸附在管壁上的非鐵磁性金屬磨損微粒從靜止開始脫離管壁緩 慢進入旋轉塑形模塊3,而電吸附模塊25此時則恢復原先的電場。同時，ECU1控制磁吸附模 塊23斷電，順磁性鋁質管道失去磁性，附著在管道內壁上磁性聚合大顆粒將脫離管壁，起電 模塊24的斷電，鐵磁性顆粒以低速隨油液流過起電模塊24和電吸附模塊25，進入旋轉塑形 模塊3。隨后，磁吸附模塊和起電模塊恢復原先工作狀態。
[0115] 8)，帶電的非鐵磁性微粒和磁化的鐵磁性微粒先后進入旋轉塑形模塊3,此時ECU1 控制三相對稱繞組中流過三相對稱電流，該電流在鋁質管道內產生旋轉磁場。磁化顆粒在 旋轉磁場作用下受到磁場力的作用，并在該力的作用下以螺旋狀前進，磁化微粒沿磁力線 方向形成了很多針狀結構，這些針狀結構在磁場旋轉時將跟隨磁場做螺旋運動，當運動的 針狀結構和運動軌跡上的金屬微粒遭遇時，彼此結合成大顆粒聚合物。
[0116] 9 )，通過旋轉塑形模塊3，使油液中的金屬微粒的粒徑增大同時形態變為細長針狀 結構，使得金屬微粒的纖度也大大增加，進一步增強了雙線圈式檢測的靈敏度。隨后這兩類 微粒以低速、高濃度、大顆粒和大纖度的狀態分批進入激勵線圈I4，ECU1控制激勵電流保持 激勵線圈14的磁場均勻性，同時由于同一型號的電感對鐵質顆粒的檢測能力要大于對銅質 顆粒的檢測能力，需要ECU1調節激勵電流來補償這一差異，以保持輸出的一致性。
[0117] 10)，激勵線圈14和激勵線圈116由高頻交流電源驅動，兩線圈反向串聯，產生的磁 場方向相反，位于兩者中央的感應線圈5處磁場相互抵消，當油液中通過有金屬大顆粒時， 引起磁場擾動，導致感應線圈5產生顯著的感應電動勢。利用鐵磁質和非鐵磁質金屬微粒對 原磁場的相反影響，導致輸出信號相位相反，可區分油液中磨損顆粒類型，而感應電動勢的 強弱可以判斷磨損金屬微粒的數量，從而實現信號一致性好、可靠性高、檢測信號強且誤差 小的非接觸式微粒檢測。
[0118] 以上的【具體實施方式】僅為本創作的較佳實施例，并不用以限制本創作，凡在本創 作的精神及原則之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本創作的保護范圍之 內。
【主權項】
1. 一種采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置，其設置在液壓管路上，其特征在于： 包括濾波器、分離吸附模塊、旋轉塑形模塊、激勵線圈I、激勵線圈II、感應線圈以及ECU;其 中，所述濾波器、分離吸附模塊、旋轉塑形模塊、激勵線圈I、感應線圈、激勵線圈II依次設置 在液壓管路上;所述激勵線圈I和激勵線圈II反向串聯;所述感應線圈位于激勵線圈I和激 勵線圈II之間的中央;所述ECU分別電性連接并控制濾波器、分離吸附模塊、旋轉塑形模塊、 激勵線圈I、激勵線圈II和感應線圈；所述濾波器包括輸入管、外殼、輸出管、彈性薄壁、H型 濾波器以及串聯H型濾波器;其中，所述輸入管連接于外殼的一端，其延伸入外殼內，其和一 液壓油進口對接;所述輸出管連接于外殼的另一端，其延伸入外殼內，其和U型微粒分離模 塊對接;所述彈性薄壁沿外殼的徑向安裝于外殼內；所述輸入管、輸出管和彈性薄壁共同形 成一雙管插入式濾波器;所述彈性薄壁的軸向上均勻開有若干錐形變結構阻尼孔;所述錐 形變結構阻尼孔由錐形彈性阻尼孔管和縫孔組成;所述彈性薄壁和外殼之間形成串聯共振 容腔I以及并聯共振容腔;所述串聯共振容腔I的外側設一串聯共振容腔II，所述串聯共振 容腔I和串聯共振容腔II之間通過一錐形插入管連通;該錐形插入管靠近輸入管側;所述H 型濾波器位于并聯共振容腔內，其和錐形變結構阻尼孔相連通;所述串聯H型濾波器位于串 聯共振容腔I和串聯共振容腔II內，其亦和錐形變結構阻尼孔相連通;所述H型濾波器和串 聯H型濾波器軸向呈對稱設置，并組成串并聯H型濾波器;所述分離吸附模塊由依次連接的 機械離心模塊、磁化模塊、磁吸附模塊、起電模塊以及電吸附模塊組成。2. 如權利要求1所述的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置，其特征在于:所述輸 入管和輸出管的軸線不在同一軸線上;所述錐形變結構阻尼孔開口較寬處位于串聯共振容 腔I和并聯共振容腔內，其錐度角為10° ;所述錐形變結構阻尼孔錐形彈性阻尼孔管的楊氏 模量比彈性薄壁的楊氏模量要大，能隨流體壓力變化拉伸或壓縮;縫孔的楊氏模量比錐形 彈性阻尼孔管的楊氏模量要大，能隨流體壓力開啟或關閉；所述錐形插入管開口較寬處位 于串聯共振容腔Π 內，其錐度角為10°。3. 如權利要求1所述的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置，其特征在于:所述機 械離心模塊采用旋流離心模塊;所述旋流離心模塊包括旋流管壁、第一導流片、第二導流 片、步進電機以及流量傳感器;其中，所述第一導流片設有3片，該3片第一導流片沿管壁內 圓周隔120°均勻分布，其安放角設為18°;所述第二導流片和第一導流片結構相同，其設置 在第一導流片后，并和第一導流片錯開60°連接在管壁內，其安放角設為36°C;所述第一導 流片的長邊與管壁相連，短邊沿管壁的軸線延伸；其前緣挫成鈍形，后緣加工成翼形，其高 度為管壁直徑的0.4倍，長度為管壁直徑的1.8倍;所述步進電機連接并驅動第一導流片和 第二導流片，以調節安放角;所述流量傳感器設置在管壁內的中央。4. 如權利要求1所述的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置，其特征在于:所述磁 化模塊包括鋁質管道、若干繞組、鐵質外殼以及法蘭;其中，所述若干繞組分別繞在鋁質管 道外;所述鐵質外殼包覆于鋁質管道上;所述法蘭焊接在鋁質管道的兩端。5. 如權利要求1所述的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置，其特征在于:所述磁 吸附模塊采用同極相鄰型吸附環，該同極相鄰型吸附環包括鋁質環形管道、正向螺線管、反 向螺線管以及鐵質導磁帽；所述正向螺線管和反向螺線管分別布置于鋁質環形管道內，兩 者通有方向相反的電流，使得正向螺線管和反向螺線管相鄰處產生同性磁極;所述鐵質導 磁帽布置于鋁質環形管道的內壁上，其位于正向螺線管和反向螺線管相鄰處、以及正向螺 線管和反向螺線管軸線的中間點。6. 如權利要求1所述的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置，其特征在于:所述磁 吸附模塊采用帶電擊錘的同極相鄰型吸附環，該帶電擊錘的同極相鄰型吸附環包括鋁質環 形管道、正向螺線管、反向螺線管、鐵質導磁帽、隔板、電擊錘以及電磁鐵;所述正向螺線管 和反向螺線管分別布置于鋁質環形管道內，兩者通有方向相反的電流，使得正向螺線管和 反向螺線管相鄰處產生同性磁極;所述鐵質導磁帽布置于鋁質環形管道的內壁上，其位于 正向螺線管和反向螺線管相鄰處、以及正向螺線管和反向螺線管軸線的中間點；所述隔板 位于正向螺線管和反向螺線管之間；所述電擊錘和電磁鐵位于隔板之間；所述電磁鐵連接 并能推動電擊錘，使電擊錘敲擊鋁質環形管道內壁。7. 如權利要求1所述的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置，其特征在于:所述起 電模塊包括若干電極以及一電極控制器;所述若干電極安裝于液壓管路上，其分別連接至 電極控制器。8. 如權利要求1所述的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置，其特征在于:所述電 吸附模塊包括鋁質管道、陽極板、陰極板以及極板控制器;其中，所述陽極板、陰極板分別設 置在鋁質管道上，并呈相對設置;所述陽極板、陰極板分別電性連接至極板控制器上;所述 極板控制器電性連接至E⑶，并由E⑶控制。9. 如權利要求1所述的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置，其特征在于:所述旋 轉塑形模塊包括鋁質管道、若干繞組、鐵質外殼、法蘭以及若干旋轉塑形電流輸出模塊;其 中，所述若干繞組分別繞在鋁質管道外;所述鐵質外殼包覆于鋁質管道上;所述法蘭焊接在 鋁質管道的兩端;每一旋轉塑形電流輸出模塊連接至一繞組。10. 如權利要求1所述的采用抑波的雙激勵螺線管式微粒敏感裝置，其特征在于:所述 激勵線圈I和激勵線圈II均包含若干繞組，各繞組由正繞組和逆繞組組成，各繞組分別連接 至一激勵電流輸出模塊，該激勵電流輸出模塊由ECU模塊控制。
【文檔編號】G01N15/10GK105910964SQ201610312511
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】李偉波
【申請人】紹興文理學院