，能够通过上位机读出实验的实时工作状态和全和记录，在实验结束 后通过上位机下达结束指令。其中，
[0036] 时钟单元用于统一 FPGA平台上各单元的操作时序；
[0037] USB通信单元的作用是完成与上位机的通信及数据传输，系统通过与上位机通信 得到预设的控制目标，并将控制目标传送给系统其它单元；并将采集得到的数据通过USB 通信单元高速传回到上位机，便于进行观察和下一步的控制。
[003引基于FPGA的电机驱动单元，上位机向电机驱动单元发送电机控制指令，从而控制 步进电机的转向及旋转量，带动连接在步进电机上的针形阀，最终调整流经管道的尾气的 流量，W达到最好的收集效果。
[0039] A/D转换单元用W采集反馈信号，并将反馈信号传送回FPGA内部；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。
[0040] 气体流量传感器采用能反馈通过其中的气体流量的气体流量传感器AWM720P1，可 W将流量范围为0-200L/min的气体流量值W 1-5V电压信号的形式输出给系统，通过相应 的运算，可W得出实际的气体流量值。
[004U D/A转换单元则用于输出针对可控恒流源的电压控制信号；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，使恒流源为碼磁线圈输出可变电流，从而改变 碼磁线圈输出的电磁力大小，最终改变对尾气中金属磨粒的吸附力。
[0042] 电机驱动单元用于控制步进电机的使能、转向及脉冲数等动作；机械部分的气体 流量传感器是用来测量通过其中的气体流量，将可测范围内流量值转换为与之对应的电压 值；减速步进电机和针形阀则是用来调节气体的流量，最终达到控制气体流速的目的；石 英管是用来作为碼磁线圈及电磁感应线圈的支撑和定位架，石英是磁惰性材料，对于屏蔽 外部的电磁干扰有较好的效果；电磁感应线圈是用来作为检测磨粒收集效果的传感器；碼 磁线圈则是用来产生电磁力，对金属磨粒进行吸附。还包括基于FPGA平台上的数据存储单 元，主要由基于FPGA内部的自构建FIFO来完成，作为数据由高速向低速过渡的一个缓冲。 所述的信号采集单元包括用于采集模拟反馈信号的A/D转换单元和用于采集数字反馈信 号值的I/O单元。所述的步进电机的目的在于驱动针形阀给予步进电机一定的脉冲数，使 其转动一定量，从而可W调整针形阀的开口量到需要的程度。
[0043] 图2所示为磨粒收集装置的主体作用部分，即碼磁线圈及电磁感应线圈部分。当 尾气通过=通T形石英管水平管道上缠绕的电磁感应线圈1时，如果气体内部含有金属磨 粒，会使电磁感应线圈1的磁通量增加，由法拉第电磁感应定律e(t) = -n(do) Alt可知， 磁通量增加会使电磁感应线圈产生瞬时感应电动势，如果通过A/D采样该个电磁感应线圈 的信号，则此时会产生一个电压尖峰波形。气体流过电磁感应线圈1所处的位置后，经过碼 磁线圈时会受到其产生的电磁吸引力，尾气中的金属铁磁性磨粒会受到作用力发生偏转而 分离。剩余的气体部分再流经电磁感应线圈2时，不会再产生同电磁感应线圈1相同的感 应电动势。根据气体流量传感器计算通过两电磁感应线圈的时间，分别进行采样对比，即可 知道磨粒是否被收集到，而磨粒的运动轨迹则直接取决于碼磁线圈产生的电磁力，通过调 节电流大小，配合电磁感应线圈的作用，即可保持在稳定高效的工作状态。
[0044] 图3所示为装置机械部分的气体流向及控制示意图，图中水平部分的白色箭头指 的是尾气的流向，竖直部分的黑色箭头指的是上位机对于整个装置的控制信号。气体从发 动机尾喷口流出后经过针形阀、气体流量传感器、及线圈收集装置部分后排到大气中，上位 机与其中的步进电机、气体流量传感器及线圈部分有信号控制流。
[0045] 图4及表1所示为气体流量传感器AWM720P1官方提供的流量与输出电压的关系 曲线图及其中的各点的对应值，由于只提供了 7个点的准确测试值，为了使实验过程上能 实时得到流量范围内的电压值，必须根据该7个准确值进行插值拟合，得出尽可能接近实 际情况的关系式，在实际运行中根据A/D转换单元采集到的传感器的实际输出电压值，代 入关系式中计算可得出相应的实际流量值。
[0046] 表1气体流量传感器流量与电压关系曲线图中特定点的对应值表
[0047]
【主权项】
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，使恒流源为砺磁线圈输 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：所述三通T形石英管上缠绕有两组感应线圈。
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O?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. -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相连，将可控恒流源与砺磁线圈的接口相连，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输出砺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砺磁 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△ t，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△ t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，并调整砺磁线圈 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。
8. 根据权利要求7所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集方法，其特征在于：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。
9. 根据权利要求7所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集方法，其特征在于，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，则调整通过砺磁线圈的 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。
10. 根据权利要求7所述的基于FPGA的发动机尾气金属磨粒收集方法，其特征在于，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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于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。
【IPC分类】G01N1-20
【公开号】CN104568516
【申请号】CN201510011609
【发明人】庄健, 涂庭瑞, 李泽清
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月9日