抗环境磁场干扰的电磁式油液金属颗粒监测传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种抗环境磁场干扰的电磁式油液金属颗粒监测传感器，包括：金属颗粒敏感单元，用以感应产生金属颗粒通过传感器时的感应电压；智能变送器，用以产生金属颗粒敏感单元必须的激励信号，并将激励信号送给金属颗粒敏感单元，接收金属颗粒敏感单元输出的感应电压信号，消除外部环境磁场干扰和激励磁场的影响，获得因金属颗粒通过传感器所感应的有用信号，对该信号进行模数转换与信号处理，进一步消除电路噪声，并对金属颗粒识别和计数，将其信息上传网络。本发明可以提高抗干扰能力和对微小金属颗粒的识别能力，为润滑油金属磨粒的在线监测提供了一种高性能的监测器。
【专利说明】抗环境磁场干扰的电磁式油液金属颗粒监测传感器
【技术领域】
[0001]本发明属于在线油液分析领域,具体涉及一种抗环境磁场干扰的电磁式油液金属颗粒监测传感器。
【背景技术】
[0002]大型机械设备在工作时，由于机械磨损产生金属磨粒，一旦机械发生异常磨损有可能引发重大机械故障，造成巨大经济损失和人员伤亡。电磁式金属颗粒监测传感器用于对机械润滑油液中金属颗粒数量、大小等的监测，一旦发现润滑油液中存在异常磨损所产生的金属颗粒，维护人员可及时对设备进行维修，实现机械异常磨损的早期预警，防止重大机械事故的发生。
[0003]当设备发生异常磨损时，磨损颗粒随油液穿过传感器时，由于金属颗粒的体积很小，感应线圈感应得到的电信号非常微弱，往往为外界环境磁场(如地磁场)所产生的干扰所淹没，从而使得微小金属颗粒难以检测。因而如何排除地磁场等外部环境磁场的干扰，提高微小金属磨粒的识别能力，一直是困扰提高电磁式油液金属颗粒监测传感器检测性能与可靠性的难点。几十年来，研究者围绕着如何排除外界磁场干扰提出了许多技术方案。
[0004]1978 年 Peter Donald Baker 和 Derek Ernest Marsh 在专利 GB2004374A 中提出了采用缠绕在油管上的两个串联的线圈测量流经油管的液体中金属颗粒方法(参见图1)，该方法将测量线圈r、2r缠绕在流体管路:T上，振荡器4'加载一个IOOkHz的交流信号在测量线圈和地磁补偿线圈12\13'上，将测量线圈和地磁补偿线圈12\13'的中间抽头接入放大器6、调整四个线圈的平衡，使两个中间抽头的电压同幅、同相(排除激励信号)。在没有金属颗粒通过时放大器的输出为零，当有金属颗粒通过时，这一平衡被打破，两个中间抽头间出现与金属颗粒相对应的信号变化，该信号经过低通滤波器K、检波器9'和脉冲计数器1(Τ获得金属颗粒的信息，该方法的缺点是要对地磁干扰设置专门的补偿电路，而且该专利可检测的最小金属颗粒是否能满足工业设备使用要求未得到证实，也未看到相关的产品报道。
[0005]中国宁波的蒋伟平在专利CN 102331390 A中提出在油管上安装三个线圈，两边两个线圈在外界激励信号驱动下产生两个方向相反的交变磁场，并使中间线圈出的交变磁场为零(排除激励信号)。当油管中存在金属颗粒时，这个平衡被打破，中间线圈输出不为零的信号，通过对该信号的检测，获知油管中金属颗粒的存在。该技术同样存在地磁补偿问题，而且为了实现两个电磁场的对称，需要设置两个线圈相对于中间线圈的调整机构，且调整难度很大。
[0006]综上所述，如何消除外界环境磁场对电磁式金属颗粒监测传感器的干扰，同时增强传感器微弱感应输出信号的检测能力，是提高传感器检测性能的关键。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是，针对现有技术的问题，提供一种抗环境磁场干扰的电磁式油液金属颗粒监测传感器，以提高抗干扰能力和对微小金属颗粒的识别能力。
[0008]本发明提供的抗环境磁场干扰的电磁式油液金属颗粒监测传感器，包括:
金属颗粒敏感单元，用以感应产生金属颗粒在通过金属颗粒敏感单元时的感应电压；智能变送器，用以产生金属颗粒敏感单元必须的激励信号，并将激励信号送给金属颗粒敏感单元，接收金属颗粒敏感单元输出的感应电压信号，消除外部环境磁场干扰和激励磁场的影响，获得因金属颗粒通过金属颗粒敏感单元所感应的有用信号，对该信号进行模数转换与数据处理，进一步消除电路噪声，并对金属颗粒进行识别和计数，最后将颗粒信息上传网络。
[0009]所述金属颗粒敏感单元包括导磁材料外壳，外壳内设有激励线圈和位于激励线圈两侧的第一、第二感应线圈。
[0010]所述智能变送器包括:与激励线圈连接的激励信号源；分别与第一、第二感应线圈连接的第一、第二前置放大器；分别与第一和第二前置放大器连接的第一、第二调相器；与第一、第二调相器连接的差分放大器；与差分放大器连接的解调器；与解调器连接的多级放大器和滤波器；与放大器连接的微处理器；与微处理器连接的通讯接口 ；通讯接口与主控计算机连接。
[0011]使用时，将本发明中的金属颗粒敏感单元串联在油液管路上，激励信号源产生交变激励电压送入激励线圈，激励线圈在油液管路的测量区间产生交变磁场，感应线圈在交变磁场作用下产生感应电压，当有金属颗粒流经敏感单元时，感应电压会发生变化，而感应电压的变化包含了反映金属颗粒的大小、是否是铁磁性颗粒等信息；智能变送器处理由金属颗粒敏感单元感应线圈输出的感应电压信号，并实现外部环境磁场干扰和激励磁场的影响的消除，得到获得反映金属颗粒信息的微小有用信号；微处理器采集该信号，并内嵌有微弱信号处理算法对该输出信号进行进一步处理，增强信噪比，提高对微小金属磨粒的识别能力，完成对金属颗粒的计数与尺寸统计；微处理器同时通过通信接口完成与主控计算机之间的数据传输。
[0012]本发明根据电磁感应原理，利用金属颗粒通过交变磁场时，对磁场的扰动，从而在感应线圈中产生电压信号来检测金属颗粒的大小与性质。
[0013]本发明的特点在于:在于利用两个感应线圈同时敏感外界磁场所引入的干扰，然后通过前置放大电路与调相电路的处理，使得外界磁场干扰所引起的两个感应线圈的输出非常相似，再通过调幅调相电路使两个感应线圈输出的信号完全一致，把两个完全一致的信号送入差分电路处理后，实现干扰信号的自动消除，提高了抗干扰能力，并且对于传感器感应线圈的结构、尺寸的对称性要求大大降低；同时在微处理器中嵌入微弱信号处理算法，增强传感器对微小金属颗粒的识别能力。
[0014]下面结合附图进一步说明本发明的实施方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是现有技术的原理图。
[0016]图2是本发明中金属颗粒敏感单元的结构示意图。
[0017]图3是本发明的结构组成框图。
[0018]图4是直径为96 μ m的铁磁性金属颗粒图。[0019]图5是采集得到的铁磁性金属颗粒通过金属颗粒敏感单元时的特征信号图。
[0020]图6是图5所示信号经微弱信号处理后的输出波形图。
【具体实施方式】
[0021]见图2、图3，本发明包括金属颗粒敏感单元、智能变送器两个部分，其中:金属颗粒敏感单元(参见图2)，包括环形导磁材料外壳(外壳也可是其它形状)1，外壳I内设有激励线圈3和位于激励线圈3两侧的第一、第二感应线圈2、4 ;智能变送器(参见图3)，包括:与激励线圈3连接的激励信号源7 ;分别与第一、第二感应线圈2、4连接的第一、第二前置放大器8、9 ;分别与第一和第二前置放大器8、9连接的第一、第二调相器10、11 ;与第一、第二调相器10、11连接的差分放大器12 ;与差分放大器12、激励线圈3、激励信号源7连接的解调器13 ;顺序连接的解调器13、带通滤波器14，分级放大器15、低通滤波器16、分级放大器17、低通滤波器18、分级放大器19、低通滤波器20 ;微处理器21和与微处理器21连接的通信接口 22，微处理器21与低通滤波器16、18、20连接，所述通信接口 22与主控计算机23连接。
[0022]由智能变送器中的激励信号源7产生的交变激励电压送入激励线圈3，激励线圈3在油液管路的测量区间产生交变磁场，感应线圈2、4在交变磁场作用下产生感应电压，地磁场在感应线圈2、4中产生的干扰是同相干扰信号，该干扰信号将和激励信号一起在后续信号处理中自动抵消；当金属颗粒6穿过线圈时将引起感应线圈2、4的感应电压变化，而感应电压的变化包含了反映金属颗粒的大小、是否是铁磁性颗粒等信息。感应线圈2、4的感应电压分别送入智能变送器进行处理以获得表征金属颗粒尺寸的信号；导磁材料I将激励线圈3产生的交变磁场控制在一定区域，减少由金属外壳产生的铁损，同时还可以减少外界磁场对传感器的影响。
[0023]金属颗粒敏感单元的感应线圈2、4产生的信号分别送入第一和第二前置放大器
8、9，经第一和第二前置放大器8、9处理获得相同幅值的信号送入第一和第二调相器10、11调相，经调相后的两路输出信号，送入差分放大器12，经差分放大器12处理后，形成一个消除了绝大部分激励信号和地磁信号的信号，再将该信号送入解调器13，经解调器13解调、带通滤波器14滤波，消除激励信号，获得反映金属颗粒信息的有用信号，这一有用信号经过放大器15放大和低通滤波器16滤波后输入微处理器21进行信号采集与处理，利用此信号可以识别并统计直径300微米及以上尺寸的铁磁性金属颗粒；低通滤波器16的输出信号同时送入下一级放大器17作进一步放大，放大器17输出经低通滤波器18滤波后也输入微处理器21进行采集与处理，利用此信号可以识别统计直径150微米至300微米范围内的铁磁性金属颗粒；低通滤波器18的输出信号同时送入下一级放大器19作进一步放大，放大器19输出经低通滤波器20滤波后输入微处理器21进行采集与处理，利用此采集的信号可以识别并统计直径100微米至150微米范围内的铁磁性金属颗粒。这种由若干级放大器和低通滤波器组成的放大电路，可以实现对金属颗粒信号的分级采集，以便获得精确的金属颗粒尺寸信息。
[0024]在进行数据采集的同时，微处理器21内嵌的微弱信号处理算法，采用数字平滑滤波与最小均方误差自适应滤波相结合的信号处理算法，可以进一步增强所采集信号的信噪t匕、提高对微小金属颗粒的识别能力。微处理器21识别得到一定时间段内经过传感器的金属颗粒数量、大小等数据信息，这一信息经通信接口 22与主控计算机23进行通信，同时微处理器21还具有产品编码设置、网络地址设置、激励频率和信号处理关键参数设置、量值标定与校验、金属颗粒识别统计、数据上传、多传感器组网运行等功能。[0025]下面用一个具体实例来说明本发明的有益效果: 实例中，首先将微小铁磁性金属颗粒粘在塑料带上，制作成试验样本，其中铁磁性金属颗粒通过显微镜测得直径为96//?，如图4所示。[0026]将试验样本以手动方式穿过传感器，图5所示为微处理器采集得到得到的金属颗粒通过传感器的信号，由于传感器已经通过电路对外界干扰信号进行了消噪处理，因此从图5所示波形可以明显看出该信号中存在一个上下脉冲的波形，而这正是金属颗粒通过电磁式传感器时的特征信号。但由于金属颗粒尺寸较小，直径只有96//?，尽管经过电路对外界干扰进行了消除处理，但是信号中仍有不少噪声，影响了对金属颗粒的准确识别。图6为图5信号经微弱信号处理算法处理后得到的信号波形，由图可知，经过微弱信号处理以后，信号信噪比得到增强，更易于识别金属颗粒的特征，提高了传感器对微小金属颗粒的识别能力。[0027]以上结果说明本发明所提供的电磁式油液金属颗粒监测传感器能够敏感检测最小直径不大于機難的铁磁性金属颗粒，智能变送器能够实现外界干扰信号的自动消除，嵌入微处理器的微弱信号处理算法能够进一步提高输出信号的信噪比，利用本发明能够提高在线油液金属颗粒的监测能力。
【权利要求】
1.一种抗环境磁场干扰的电磁式油液金属颗粒监测传感器，其特征是包括: 金属颗粒敏感单元，用以感应产生金属颗粒在通过金属颗粒敏感单元时的感应电压；智能变送器，用以产生金属颗粒敏感单元必须的激励信号，并将激励信号送给金属颗粒敏感单元，接收金属颗粒敏感单元输出的感应电压信号，消除外部环境磁场干扰和激励磁场的影响，获得因金属颗粒通过金属颗粒敏感单元所感应的有用信号，对该信号进行模数转换与数据处理，进一步消除电路噪声，并对金属颗粒进行识别和计数，最后将颗粒信息上传网络。
2.根据权利要求1所述的抗环境磁场干扰的电磁式油液金属颗粒监测传感器，其特征是所述金属颗粒敏感单元包括导磁材料外壳，外壳内设有激励线圈和位于激励线圈两侧的第一、第二感应线圈。
3.根据权利要求2所述的抗环境磁场干扰的电磁式油液金属颗粒监测传感器，其特征是所述智能变送器包括:与激励线圈连接的激励信号源；分别与第一、第二感应线圈连接的第一、第二前置放大器；分别与第一和第二前置放大器连接的第一、第二调相器?’与第一、第二调相器连接的差分放大器；与差分放大器连接的解调器；与解调器连接的多级放大器和滤波器；与放大器连接的微处理器；与微处理器连接的通讯接口 ；通讯接口与主控计算机连接。
【文档编号】G01N27/00GK103592208SQ201310569838
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】夏志澜, 杨拥民, 杨定新, 胡政, 李宝玺, 胡海峰 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学, 夏志澜