一种高灵敏度磨损颗粒在线检测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种高灵敏度磨粒在线检测系统及方法，其高灵敏度传感器模块输出的原始信号传输至颗粒信号快速提取系统进行提取处理，实现磨粒在线检测；高灵敏度传感器模块包括传感器壳体，传感器壳体内设置带有环型槽的线圈基体，中间的环型槽内设置有感应线圈铁心，感应线圈铁心外部缠绕有感应线圈；左侧的环型槽内设置有左激励线圈铁芯，左激励线圈铁芯外部缠绕有左激励线圈，右侧的环型槽内设置有右激励线圈铁芯，右激励线圈铁芯外部缠绕有右激励线圈；左激励线圈通过线路与左激励线圈谐振电容并联后连接至左激励源；感应线圈通过线路与感应线圈谐振电容并联后作为输出端；右激励线圈通过线路与右激励线圈谐振电容并联后连接至右激励源。

A High Sensitivity On-line Wear Particle Detection System and Method

The invention relates to a high-sensitivity on-line abrasive particle detection system and method, in which the original signal output by the high-sensitivity sensor module is transmitted to the rapid extraction system of the particle signal for extraction and processing to realize on-line abrasive particle detection; the high-sensitivity sensor module includes a sensor shell, in which a coil body with a ring groove is arranged, and in the middle of the ring groove, a sense is arranged. The coil core should be wound with an induction coil outside the induction coil core; the left excitation coil core is arranged in the left ring groove; the left excitation coil core is wound with a left excitation coil outside; the right excitation coil core is arranged in the right ring groove; the right excitation coil core is wound with a right excitation coil outside; the left excitation coil is parallel connected with the resonant capacitance of the left excitation coil through the line. The induction coil is connected to the left excitation source; the induction coil is parallel to the resonant capacitor of the induction coil as the output end; the right excitation coil is parallel to the resonant capacitor of the right excitation coil and connected to the right excitation source.

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度磨损颗粒在线检测系统及方法
本专利技术涉及一种机械设备润滑油金属磨损颗粒在线检测领域，特别是关于一种高灵敏度磨损颗粒在线检测系统及方法。
技术介绍
机械设备运行过程中会产生大量的磨损颗粒，这些颗粒作为机械磨损的产物，一方面会导致更加严重的机械故障，如加剧齿轮磨损、损坏液压阀配合间隙而导致液压系统失灵等，另一方面则蕴含着大量的机械磨损状态的信息。一般磨损颗粒材料可以粗略反应机械设备的磨损位置，磨损颗粒的大小及数量可以表征设备磨损程度，而磨损颗粒形状可以表明磨损形式。根据统计数据可知，约70％的机械故障由零部件异常磨损引起。随着机械设备精密化程度的发展以及对生产连续性和机械设备可靠性要求的不断提高，对机械设备进行磨损状态监测和在线故障诊断的重要性也随之增加。目前在线磨损监测技术可以分为光学型、电磁型、导电型和超声型四大类，其中由于电磁式油液在线监测系统结构形式简单、温度稳定性好、抗气泡影响、抗背景噪声能力强、可适应复杂环境等优点，得到了广泛的研究和关注。当前国外应用较成功的此类磨粒监测传感器包括：美国MACOMTechnologies公司开发的TechAlertTM10以及加拿大GasTOPS公司开发的MetalSCAN磨粒传感器。虽然我国对于此领域的研究起步较晚，但也进行了大量研究。为了能够对机械设备初期异常磨损进行有效监测，各研究机构也提出了不同结构形式的磨损颗粒检测传感器，主要包括：单线圈性、双线圈型、平行三线圈型、层叠三线圈型、以及平面螺旋线圈型等。当前大口径磨粒检测传感器可检测磨粒粒度为铁磁性颗粒>100μm，非铁磁性颗粒>300μm(流道直径7mm)，而机械设备正常磨损阶段，其磨粒粒度范围为20-50μm，初期异常磨损阶段，磨损颗粒粒度范围为50-100μm，因此，此类大口径磨粒检测传感器仍不能满足对机械设备初期异常磨损阶段的有效监测。研究者为了进一步提高磨损颗粒检测传感器灵敏度，而提出采用微流道结构，即缩小流道孔径(一般＜1mm)，此类传感器虽然能检测到30μm铁磁性颗粒，但由于其流量的限制，不能满足大型机械设备的在线监测需求。同时由于常规电磁式磨损颗粒检测传感器内径向磁场有严重的不均匀现象，因此当磨损颗粒从流道的不同径向位置通过传感器时，传感器输出信号将产生较大差异，故很难实现针对同一磨损颗粒检测结果的一致性。因此，如何进一步提高磨粒检测传感器灵敏度以及提高传感器内磁场的均匀性以保证检测结果的一致性成为目前亟需解决的技术问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种高灵敏度磨粒在线检测系统及方法，解决了当前金属磨粒检测传感器灵敏度低及磁场不均匀和颗粒速度变化引起的检测结果一致性差的问题，实现了机械设备初期异常磨损的有效检测。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种高灵敏度磨粒在线检测方法，其包括以下步骤：1)预先设置一包括左激励线圈、左激励线圈铁芯、感应线圈、感应线圈铁芯、右激励线圈、右激励线圈铁芯和线圈基体的检测系统；左激励线圈铁芯、右激励线圈铁芯和感应线圈铁芯设置在线圈基体上，为左激励线圈、右激励线圈和感应线圈分别增加左激励线圈铁芯、右激励线圈铁芯和感应线圈铁芯后，获取传感器内磁感应强度分布，传感器内磁感应强度分布满足麦克斯韦方程组；2)根据传感器内磁感应强度分布，获取磨损颗粒引起的感应电动势；3)对该初始感应电动势依次进行高通滤波、EMD分解、去趋势化和逆向重构处理，得到重构后最终的磨损颗粒信号；4)对提取的磨损颗粒信号幅值进行补偿，得到修正过的磨损颗粒信号。进一步，所述步骤2)中，磨损颗粒引起的感应电动势获取方法包括以下步骤：2.1)计算磨损颗粒对激励线圈产生的最大磁能变化以及传感器输出的最大感应电动势，假设磨损颗粒始终沿传感器轴线运动；此时最大背景磁感应强度为1.93mT；2.2)为了考虑磨损颗粒通过传感器时产生的涡流效应及磁滞效应，铁磁质磨损颗粒的相对磁导率采用了复相对磁导率的方法，如下式：磨损颗粒内的磁感应强度和磁场强度满足：B＝μ0(μ'+iμ”)H(2)其中，μ'为磨损颗粒相对磁导率实部，μ”为磨损颗粒相对磁导率虚部，Hm为磨损颗粒位置处最大磁场强度，Bm为磨损颗粒位置处最大磁感应强度，δ为相位角；2.3)通过求解麦克斯韦方程组方程在笛卡尔坐标系分解的方程组以及公式(1)-(2),可得磨损颗粒内部及周围空气中的磁感应强度分布，进而求得磨损颗粒对传感器激励线圈产生的磁能扰动为：其中，ΔWc为激励线圈的磁能变化，ΔWa为磨损颗粒周围空气域内的磁能变化，ΔWp为磨损颗粒内部的磁能变化，Va为空气域体积，Vp为磨损颗粒体积；2.4)磨损颗粒引起的传感器激励线圈磁通量变化Δφe为：Δφe＝∑∫∫γΔBds＝∫∫∫γΔBdsdl其中，γ＝Ne/a为激励线圈匝数线密度，Ne为激励线圈匝数，a为激励线圈宽度。ΔB为磁通密度变化量，ds为线圈横截面积的积分变量，dl为线圈轴向距离的积分变量；颗粒引起的感应线圈磁通量变化Δφ为：Δφ＝λΔφe＝λφm(fe,Vp)cos(ω1t)其中，λ为漏磁系数，φm(fe,Vp)为磨损颗粒引起的激励线圈磁通量变化的幅值，fe＝f0l/v为有效磁场频率、f0为传感器激励信号频率，l为传感器两激励线圈外侧距离，v为磨损颗粒通过传感器速度，Vp为磨损颗粒体积，ω1＝2πfp为颗粒信号角频率，fp＝v/l为颗粒通过传感器频率；2.5)磨损颗粒引起的感应电动势为：其中，Ep为磨损颗粒引起的感应电动势，N为激励线圈匝数。进一步，所述步骤3)中，最终的磨损颗粒信号获取方法包括以下步骤：3.1)当有磨损颗粒通过传感器时，颗粒引起的感应电动势会被初始感应电动势幅值调制，传感器感应线圈输出的真实电动势为：其中，Eo表示感应线圈输出的电动势信号；为初始感应电动势干扰，E(Δ)表示初始感应电动势幅值，Δ为感应线圈等效偏置距离、为初始感应电动势与颗粒引起信号的相位差、ω0＝2πf0为传感器激励信号角频率，N(t)为高斯噪声；经过前处理及初步提取后，感应线圈输出的电动势信号幅值被提取出来，初步提取的感应电动势为：Epd＝Ep(fe,Vp)+E(Δ)+reN(t)；其中，Epd为初步提取的感应电动势，re为高斯干扰残余系数；3.2)将初步提取的信号经过高通滤波器后，信号中的初始感应电动势幅值干扰被滤除，所取得的电动势信号为：Epdf＝Ep(fe,Vp)+reN(t)；其中，Epdf为滤除初始感应电动势幅值干扰的电动势信号；3.3)采用EMD分解方法，将滤除初始感应电动势幅值干扰的电动势信号Epdf分解为若干固有模态函数和剩余项：其中，cm(t)表征第m个固有模态函数，r(t)表征剩余项；3.4)采用去趋势化方法滤除残余的低频干扰；定义信号趋势项为：若第k1阶固有模态函数满足：其中Mean()表征平均数函数，HT＝0.05|Mean(r(t))|；则第k1阶以及更高阶固有模态函数以及剩余项均将被视为趋势项，并从信号中剔除；3.5)采用逆向重构的方法滤除残余的高频干扰：逆向重构过程中，以第k1-1阶固有模态函数为基础，逐步逆向叠加更低阶固有模态函数，可得到一组重构的信号：其中表征第j个重构的信号；3.6)分别求得各重构信号与标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏度磨粒在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)预先设置一包括左激励线圈、左激励线圈铁芯、感应线圈、感应线圈铁芯、右激励线圈、右激励线圈铁芯和线圈基体的检测系统；左激励线圈铁芯、右激励线圈铁芯和感应线圈铁芯设置在线圈基体上，为左激励线圈、右激励线圈和感应线圈分别增加左激励线圈铁芯、右激励线圈铁芯和感应线圈铁芯后，获取传感器内磁感应强度分布，传感器内磁感应强度分布满足麦克斯韦方程组；2)根据传感器内磁感应强度分布，获取磨损颗粒引起的感应电动势；3)对该初始感应电动势依次进行高通滤波、EMD分解、去趋势化和逆向重构处理，得到重构后最终的磨损颗粒信号；4)对提取的磨损颗粒信号幅值进行补偿，得到修正过的磨损颗粒信号。

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度磨粒在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)预先设置一包括左激励线圈、左激励线圈铁芯、感应线圈、感应线圈铁芯、右激励线圈、右激励线圈铁芯和线圈基体的检测系统；左激励线圈铁芯、右激励线圈铁芯和感应线圈铁芯设置在线圈基体上，为左激励线圈、右激励线圈和感应线圈分别增加左激励线圈铁芯、右激励线圈铁芯和感应线圈铁芯后，获取传感器内磁感应强度分布，传感器内磁感应强度分布满足麦克斯韦方程组；2)根据传感器内磁感应强度分布，获取磨损颗粒引起的感应电动势；3)对该初始感应电动势依次进行高通滤波、EMD分解、去趋势化和逆向重构处理，得到重构后最终的磨损颗粒信号；4)对提取的磨损颗粒信号幅值进行补偿，得到修正过的磨损颗粒信号。2.如权利要求1所述检测方法，其特征在于：所述步骤2)中，磨损颗粒引起的感应电动势获取方法包括以下步骤：2.1)计算磨损颗粒对激励线圈产生的最大磁能变化以及传感器输出的最大感应电动势，假设磨损颗粒始终沿传感器轴线运动；此时最大背景磁感应强度为1.93mT；2.2)为了考虑磨损颗粒通过传感器时产生的涡流效应及磁滞效应，铁磁质磨损颗粒的相对磁导率采用了复相对磁导率的方法，如下式：磨损颗粒内的磁感应强度和磁场强度满足：B＝μ0(μ'+iμ”)H(2)其中，μ'为磨损颗粒相对磁导率实部，μ”为磨损颗粒相对磁导率虚部，Hm为磨损颗粒位置处最大磁场强度，Bm为磨损颗粒位置处最大磁感应强度，δ为相位角；2.3)通过求解麦克斯韦方程组方程在笛卡尔坐标系分解的方程组以及公式(1)-(2),可得磨损颗粒内部及周围空气中的磁感应强度分布，进而求得磨损颗粒对传感器激励线圈产生的磁能扰动为：其中，ΔWc为激励线圈的磁能变化，ΔWa为磨损颗粒周围空气域内的磁能变化，ΔWp为磨损颗粒内部的磁能变化，Va为空气域体积，Vp为磨损颗粒体积；2.4)磨损颗粒引起的传感器激励线圈磁通量变化Δφe为：Δφe＝∑∫∫γΔBds＝∫∫∫γΔBdsdl其中，γ＝Ne/a为激励线圈匝数线密度，Ne为激励线圈匝数，a为激励线圈宽度。ΔB为磁通密度变化量，ds为线圈横截面积的积分变量，dl为线圈轴向距离的积分变量；颗粒引起的感应线圈磁通量变化Δφ为：Δφ＝λΔφe＝λφm(fe,Vp)cos(ω1t)其中，λ为漏磁系数，φm(fe,Vp)为磨损颗粒引起的激励线圈磁通量变化的幅值，fe＝f0l/v为有效磁场频率、f0为传感器激励信号频率，l为传感器两激励线圈外侧距离，v为磨损颗粒通过传感器速度，Vp为磨损颗粒体积，ω1＝2πfp为颗粒信号角频率，fp＝v/l为颗粒通过传感器频率；2.5)磨损颗粒引起的感应电动势为：其中，Ep为磨损颗粒引起的感应电动势，N为激励线圈匝数。3.如权利要求1所述检测方法，其特征在于：所述步骤3)中，最终的磨损颗粒信号获取方法包括以下步骤：3.1)当有磨损颗粒通过传感器时，颗粒引起的感应电动势会被初始感应电动势幅值调制，传感器感应线圈输出的真实电动势为：其中，Eo表示感应线圈输出的电动势信号；为初始感应电动势干扰，E(Δ)表示初始感应电动势幅值，Δ为感应线圈等效偏置距离、为初始感应电动势与颗粒引起信号的相位差、ω0＝2πf0为传感器激励信号角频率，N(t)为高斯噪声；经过前处理及初步提取后，感应线圈输出的电动势信号幅值被提取出来，初步提取的感应电动势为：Epd＝Ep(fe,Vp)+E(Δ)+reN(t)其中，Epd为初步提取的感应电动势，re为高斯干扰残余系数；3.2)将初步提取的信号经过高通滤波器后，信号中的初始感应电动势幅值干扰被滤除，所取得的电动势信号为：Epdf＝Ep(fe,Vp)+reN(t)其中，Epdf为滤除初始感应电动势幅值干扰的电动势信号；3.3)采用EMD分解方法，将滤除初始感应电动势幅值干扰的电动势信号Epdf分解为若干固有模态函数和剩余项：其中，c...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾然，马彪，郑长松，王凯，陈漫，李慧珠，杜秋，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11