一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统及方法，用于对发动机尾气中的金属磨粒进行收集，用以进行发动机故障诊断研究。发明专利技术主要包括两个部分，内部硬件电路部分以及外部机械结构部分。收集尾气中的金属磨粒的基本原理为当尾气中的金属磨粒通过装置时，会受到砺磁线圈产生的电磁力的吸附作用而与气体分离，对比受到砺磁线圈作用前后电磁感应线圈分别产生的信号，即可判断磨粒是否被收集到及收集的效率。本发明专利技术开创了一种新的针对尾气中细小金属磨粒的收集及控制方法，可以提升磨粒分析技术在发动机故障诊断领域的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统及方法
本专利技术属于发动机故障诊断领域，涉及一种针对磁力及流量联合控制的方法，具体涉及一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统及方法。
技术介绍
发动机的故障诊断技术主要有维修性诊断和预防性诊断两个方面。维修性诊断主要针对已暴露出来的故障进行诊断。预防性诊断则主要针对的是发动机尚未出现明显故障时，对其进行的全面技术状况检查和预测。对于越来越复杂的发动机构造来说，采取一种实时有效简单的方式来来监控和预测发动机可能产生的故障是十分重要的，因此针对预防性诊断的研究对我们来说意义显得更加重大。目前发动机的预防性诊断研究主要集中在研究发动机内部机械副运动产生的金属磨粒方面。相对于之前有过的磨粒分析设备，例如铁谱仪等只能通过磨粒产生的电磁效应来判断磨粒的大小的方法而言，采用一种方法将产生的磨粒进行收集，利用扫描离子电导显微镜及扫描电化学显微镜观察收集到的金属磨粒的三维几何信息和电化学分布信息(如表面氧化情况)，对磨粒进行统计分析，可以得到磨粒产生的原因，可以更全面的推测出发动机中摩擦副与零件的表面状况，预测出可能产生故障的位置。发动机内部产生的金属磨粒主要来源于润滑油和尾气两部分，润滑油中包含的金属磨粒是当前研究的重点，并且已经取得了重大的科研进展，但针对尾气中金属磨粒的研究却开展的较少，尾气中包含的金属磨粒对于判断发动机活塞及油路中的故障具有重要的研究价值，设计一套完整的系统对其进行收集，可供后续的故障诊断和研究，这也是本专利的目的所在。发动机运行过程中产生的金属磨粒会随尾气喷射出来，呈现出较高速的粒子状态，尺寸在微米级别，因此需要特别的装置对其进行收集。发动机内部的部件大部分由铁磁性的金属构成，只要能够收集足够的铁磁性金属磨粒，就能够对发动机故障诊断提供参照。设计一种装置使磨粒在尾气喷出过程中分离，并且使用传感器对收集状况进行监测，是本装置需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是对发动机的尾气中的金属磨粒进行收集，提供出一种切实有效的理论和操作方法，集收集与监测于一体，可以高效的完成收集任务，并尽量降低成本，为未来的市场化打好基础。为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，包括基于FPGA平台上的USB通信单元和用于统一FPGA平台上各单元的操作时序的时钟单元；FPGA通过USB通信单元与上位机相交互；FPGA上还连接有用于控制励磁线圈输出可变电流的可控恒流源、用于控制步进电机转向机旋转量的电机驱动单元以及气体流量传感器和用于检测磨粒收集效果的电磁感应线圈；发动机尾气由安装于发动机尾喷口上的三通T形石英管的横管进入输出管道，励磁线圈缠绕在三通T形石英管中部的纵管上，电磁感应线圈缠绕在三通T形石英管的横管上；气体流量传感器安装于三通T形石英管的气体进口处。所述FPGA通过D/A转换单元输出可变电压控制信号到可控恒流源上，使恒流源为励磁线圈输出可变电流。所述FPGA通过A/D转换单元采集气体流量传感器输出的流量模拟信号和电磁感应线圈输出的感应电动势模拟信号，流量模拟信号和感应电动势模拟信号经A/D转换单元转化成为数字信号，输入到FPGA中进行信号处理；所述FPGA上还设置用于对数字信号和模拟信号进行放大、滤波处理的信号调理单元。所述发动机尾喷口处依次安装针型阀、气体流量传感器、三通T形石英管以及输出管道，气体流量传感器和电磁感应线圈所采集到的数据经FPGA处理后反馈给上位机，上位机处理后发出控制指令控制步进电机，由步进电机控制针型阀调节气体的流量。所述三通T形石英管上缠绕有两组感应线圈。所述气体流量传感器采用能够将流量范围为0～200L/min的气体流量值以1～5V电压信号的形式输出的AWM720P1气体流量传感器。一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集方法，包括以下步骤：1)将USB通信单元与上位机连接，将电机驱动单元与步进电机的接口相连，将D/A转换单元与可控恒流源的接口相连，将可控恒流源与励磁线圈的接口相连，将A/D转换单元与气体流量传感器及电磁感应线圈的接口相连；2)将针型阀的气体入口管道接在发动机尾喷口上，并依次连接气体流量传感器、三通T形石英管以及输出管道；启动发动机；控制部分通电后进行初始化操作，定量气体的流量及流速；3)FPGA输出励磁线圈的初始电流值，经过D/A转换后控制可控恒流源输出电流到励磁线圈上，产生相应的电磁力，对尾气中的金属磨粒进行吸附使其偏转；4)利用气体流量传感器测出的实际气体流量计算出气体通过两电磁感应线圈相同位置处的时差Δt，当带有金属磨粒的尾气能前端电磁感应线圈产生感应电动势信号时，需要启动A/D转换单元此刻的信号，间隔Δt时间后启动对另一个电磁感应线圈的信号进行采样，对比信号分析磨粒的被吸附情况；5)分析样本的金属磨粒的被收集情况，判断收集效率是否达到要求，并调整励磁线圈的电流大小，同时配合针形阀的开口，使磨粒收集情况能稳定；6)在发动机工况稳定及磨粒收集情况良好的情况下，使装置持续运行直到收集量满足要求为止，取出所需要的金属磨粒，收集过程结束。所述步骤2)中，初始化操作包括控制系统内部操作指令的初始化，发送电机控制指令，通过A/D转换单元采集气体流量传感器反馈回的值，动态调整针形阀的开口量，最终定量气体的流量及流速。所述步骤5)中，判断收集效率是否达到要求的具体方法是：如果达到要求，则保持到完成收集量为止；如果没有达到要求，则调整通过励磁线圈的电流大小，改变电磁力，再次分析相同样本的磨粒的收集情况，同时辅助以调整针形阀的开口来进行控制，使气体的流速变化，从而使内部的磨粒的运动速度发生变化，通过两者的配合进行动态的控制，直到磨粒收集情况能稳定保持在较高的效率上。所述FPGA通过模糊控制对气体流量进行控制，由上位机输出预定的气体流量，通过气体流量传感器反馈回的实际流量值，建立以预定值与实际值的误差E及误差的变化率EC为输入，给予步进电机的脉冲数为输出的模糊控制器的模型，对气体流量进行控制，使其稳定在设定值上。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，用于收集发动机尾气中的金属性磨粒，用收集到的磨粒对发动机的工况进行诊断，最终达到对发动机的故障进行预测的目的。本专利技术将传统的电磁式线圈的电磁效应运用于发动机故障诊断领域，机械部分装置结构较为简单，控制部分则集成到FPGA控制板上，整体装置体积较小，未来可开发成为手提式的便携装备，应用前景较广。相对于目前的针对发动机磨粒进行故障诊断的方法(例如铁谱仪、油液磨粒检测仪、在线金属扫描仪等)来说，具有可实际收集金属磨粒进行更全面诊断且成本更小的优点。本专利技术针对电磁感应线圈部分的控制方法则主要采用数据统计进行控制的方法，采集并计数因金属磨粒通过而形成的感应电动势波形，以十为单位进行统计。若收集样本设定为十，则实际的收集效果右分为三类：第一类的七个以上，则认为收集效果良好，可保持该状态；第二类为四个至七个，则认为收集效果欠佳，可加大供给励磁线圈的电流大小，再进行统计，若感应电流已加到最大收集效果仍然没有明显改变，则因减小气体流速，重复进行统计，直到达到第一种收集效果；第三类为四个以下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：包括基于FPGA平台上的USB通信单元和用于统一FPGA平台上各单元的操作时序的时钟单元；FPGA通过USB通信单元与上位机相交互；FPGA上还连接有用于控制励磁线圈输出可变电流的可控恒流源、用于控制步进电机转向机旋转量的电机驱动单元以及气体流量传感器和用于检测磨粒收集效果的电磁感应线圈；发动机尾气由安装于发动机尾喷口上的三通T形石英管的横管进入输出管道，励磁线圈缠绕在三通T形石英管中部的纵管上，电磁感应线圈缠绕在三通T形石英管的横管上；气体流量传感器安装于三通T形石英管的气体进口处。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：包括基于FPGA平台上的USB通信单元和用于统一FPGA平台上各单元的操作时序的时钟单元；FPGA通过USB通信单元与上位机相交互；FPGA上还连接有用于控制励磁线圈输出可变电流的可控恒流源、用于控制步进电机转向机旋转量的电机驱动单元以及气体流量传感器和用于检测磨粒收集效果的电磁感应线圈；发动机尾气由安装于发动机尾喷口上的三通T形石英管的横管进入输出管道，励磁线圈缠绕在三通T形石英管中部的纵管上，电磁感应线圈缠绕在三通T形石英管的横管上；气体流量传感器安装于三通T形石英管的气体进口处。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：所述FPGA通过D/A转换单元输出可变电压控制信号到可控恒流源上，使恒流源为励磁线圈输出可变电流。3.根据权利要求1所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：所述FPGA通过A/D转换单元采集气体流量传感器输出的流量模拟信号和电磁感应线圈输出的感应电动势模拟信号，流量模拟信号和感应电动势模拟信号经A/D转换单元转化成为数字信号，输入到FPGA中进行信号处理；所述FPGA上还设置用于对数字信号和模拟信号进行放大、滤波处理的信号调理单元。4.根据权利要求1所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：所述发动机尾喷口处依次安装针型阀、气体流量传感器、三通T形石英管以及输出管道，气体流量传感器和电磁感应线圈所采集到的数据经FPGA处理后反馈给上位机，上位机处理后发出控制指令控制步进电机，由步进电机控制针型阀调节气体的流量。5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：所述电磁感应线圈设置有两组。6.根据权利要求1至4任意一项所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集系统，其特征在于：所述气体流量传感器采用能够将流量范围为0～200L/min的气体流量值以1～5V电压信号的形式输出的AWM720P1气体流量传感器。7.一种如权利要求1至4任意一项所述收集系统的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将USB通信单元与上位机连接，将电机驱动单元与步进电机的接口相连，将D/A转换单元与可控恒流源的接口...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄健，涂庭瑞，李泽清，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61