高灵敏金属磨粒感应式探测器研究

发布时间：2020-06-29 17:05

【摘要】：感应式磨粒探测器在机械设备健康监控中起到了越来越重要的作用,具有结构简单、制作成本较低和提供详细的磨损颗粒信息等优点,受到了广泛的关注。然而,相较于其它原理的在线磨粒检测传感器,感应式传感器的颗粒检测灵敏度还比较低,且在实际应用中传感器的稳定性和可靠性有待提高。除此之外,通过传感器的输出信号准确判断磨损颗粒信息还存在很大的问题,这些都是制约感应式磨粒传感器在设备的在线监控中进一步应用的障碍。虽然国内外对它的研究已经很多年,但还缺乏对影响传感器性能的设计参数进行系统的分析和优化。本文简单建立传感器的等效数学模型,并通过电磁场仿真给出了感应式传感器的工作特性和性能参数对其产生的影响。在对感应式磨粒传感器的检测灵敏度、稳定性和抑制干扰等性能的提升上,分别从传感器的线圈探头结构和信号处理电路出发,提出了一激多感的新型线圈探头、超高效的自动不平衡电压模拟补偿电路和网状静电屏蔽的线圈探头结构;分别设计了相应的传感器性能测试系统,结果表明,传感器性能指标具有世界领先水平。本文的主要工作和结论包括:一、建立三线圈差动式传感器结构的等效数学模型,得到颗粒通过时检测线圈输出的感应信号计算公式。利用有限元仿真软件COMSOL分析了工作频率、线圈结构和颗粒属性对传感器输出信号幅值的影响。根据相关因素分析,简单定义了一个灵敏度系数S为对比各种感应式磨粒传感器的灵敏度性能。二、提出了多个感应线圈共用一个激励线圈的新型传感器线圈探头结构;使用弱耦合变压器模型对线圈输出信号进行了分析。此结构有助于增加感应线圈与颗粒之间的耦合程度,从而提高传感器的颗粒检测灵敏度。制作具有两个半圆形感应线圈的传感器探头,使用了一个简单有效的信号处理方法,搭建了完整的测试平台,并对其性能进行测试。三、发展了一种完整高效的信号后处理模拟电路提高感应式磨粒传感器的整体性能。首先搭建了基本的低噪声放大、相敏检波解调和后置放大的传感器信号处理电路,对线圈输出的信号进行有效的处理来提取颗粒信息。之后仔细分析了初始状态时线圈输出的不平衡电压对传感器灵敏度和稳定性的影响,详细介绍了设计的手动补偿电路,结合三线圈差动式探头搭建了性能测试装置,手动补偿电路能够将不平衡电压非常方便的补偿到1mV以下,实验验证了此补偿电路对传感器工作的有效性,使传感器能成功检测43 mm管径下134μm铁磁颗粒和230μm非铁磁颗粒,灵敏度参数S为0.003。四、提出了线圈激励电压上的噪声是实现高分辨率探测的重要影响因素,超平衡工作模式是得到高分辨率的必要条件。为了克服不平衡电压随温度和时间变化,在手动平衡的基础上,实现了电路的自动平衡,集成到传感器信号处理系统中。对整个传感器系统进行了性能测试和分析,最终设计的自动补偿电路能够将不平衡电压补偿到微伏量级,使得传感器能够在43 mm管道内检测100μm铁磁颗粒和165μm 非铁磁颗粒,灵敏度超过市面上任何一款感应式微粒探测器。五、分析了几种外部干扰对传感器性能的影响,给出了解决措施。油液中介电杂质产生的静电干扰需要被屏蔽。介绍了一种屏蔽层的做法,搭建了简单的测试平台,实验表明此结构能够很好的屏蔽气泡和水滴等产生的电场干扰且不会影响原传感器的检测灵敏度。对于探头具有很厚的铝外壳结构,进行了电磁场屏蔽效果分析,并搭建了对比实验装置。提出了机械振动干扰的防护措施,对高分辨率传感器可靠工作具有十分重要的意义。本文能够为以后在感应式磨粒传感器的理论和设计的研究方面提供帮助,促进感应式磨粒传感器在相关领域的广泛应用。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TG115
【图文】：

形貌,内部问题,机械设备

损是伴随着机械设备从开启直到出现严重故障一直存在的，一般地开启磨合、稳定的正常磨损和严重磨损阶段ｍ，如图１．２。在机械设会有一段的磨合期，期间会有一些较大的颗粒产生，但很快会进段，根据研宄统计，此时油液中磨损颗粒的浓度比较稳定，尺寸１／ｍｉ到２０／／ｍ范围之间。工作了较长时间的设备会出现异常磨度逐渐增加，５０／ｍｉ到１００／／ｍ尺寸大小的颗粒开始产生。随着时器运行状态更加恶化，磨粒浓度和尺寸在不断上升，最后这些异出现灾难性的故障。许多对机械设备运行故障和磨损颗粒之间关当磨损颗粒尺寸大于１００邋／／ｍ，也就是与人的头发直径相当时，态，需要立即进行设备维护以避免出现故障造成非常大的损失。润粒监测技术可以通过分析油液中磨粒的尺寸、浓度和形貌等指标损状态，是否需要进行维护来进行评判从而延长了机器使用的寿还能了解到机器的磨损机理，为改进机器的内部设计提供重要的对于油液磨损颗粒分析技术已成为机械设备状态检测的研宄热点。逡逑

机械设备,离线检测,产生过程,油液

（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．１机械设备内部问题：（ａ）润滑油污染，（ｂ）磨损造成的麻坑逡逑磨损是伴随着机械设备从开启直到出现严重故障一直存在的，一般地可以将逡逑其分为开启磨合、稳定的正常磨损和严重磨损阶段ｍ，如图１．２。在机械设备刚开逡逑启时，会有一段的磨合期，期间会有一些较大的颗粒产生，但很快会进入正常的逡逑运转阶段，根据研宄统计，此时油液中磨损颗粒的浓度比较稳定，尺寸也较小，逡逑主要在１／ｍｉ到２０／／ｍ范围之间。工作了较长时间的设备会出现异常磨损，磨损逡逑颗粒浓度逐渐增加，５０／ｍｉ到１００／／ｍ尺寸大小的颗粒开始产生。随着时间的推逡逑移，机器运行状态更加恶化，磨粒浓度和尺寸在不断上升，最后这些异常磨损导逡逑致设备出现灾难性的故障。许多对机械设备运行故障和磨损颗粒之间关系的研宄逡逑显示

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