傅舰艇;詹惠琴;古军
【摘 要】The particles in lubricating oil reflect a lot of information of Mechanical operation Status, so the particle detection has a very important engineering application. Design a three-coil inductive particle monitoring sensor,according to the coupling re-lation between particle in lubricating oil and the induction coil. Basing on the sensor measurement principle, the detection circuits include drive circuit of amplitude and phase adjustment,pre-amplifier,precision rectifier circuit and the second stage filter amplifier circuit. The results show that; the detection circuits combine with the follow-up signal acquisition module and the LabVIEW NI data processing,the detection resolution of ferromagnetic abrasive reaches 100 μm.%润滑油中磨粒反映了机械运行状态的大量信息,所以对磨粒进行检测具有很重要的工程应用价值.依据润滑油中磨粒与电感线圈之间耦合关系,设计了一种三线圈电感式磨粒在线监测传感器.根据传感器测量原理,该检测电路设计主要包括调幅调相驱动电路、前置放大电路、精密整流电路和后级滤波放大电路.实验结果表明:该检测电路结合后续NI信号采集模块与LabVIEW数据处理,对铁磁磨粒的分辨率达到100 μm. 【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2012(000)002
【总页数】3页(P5-7)
【关键词】电感式传感器;磨粒监测;检测电路;前置放大器
【作 者】傅舰艇;詹惠琴;古军
【作者单位】电子科技大学自动化工程学院,四川成都611731;电子科技大学自动化工程学院,四川成都611731;电子科技大学自动化工程学院,四川成都611731
查尔斯 泰勒【正文语种】中 文
期刊刊次【中图分类】TP212
0 引言
机械设备油路中磨粒的检测包括离线与在线检测。离线检测如光谱分析、铁谱分析、扫描
电镜、能谱等;在线检测有在线磨粒计数器、磨粒分析器等。目前能用于在线、快速、连续进行监测的磨粒传感器却不多，主要有加拿大GasTops公司开发的FerroSCAN传感器和MetalSCAN传感器、美国Foxboro公司研制的应用于958PF型在线铁谱仪、日本的TakusoSato等与美国的M.Linzer联合开发了新型光学在线磨粒监测传感器［1］。国内在传感器和磨粒检测技术上也有不少研究成果，但大部分还是在离线检测技术上。少数单位也进行了在线式磨粒传感器的研制，如海军工程大学研发超声波磨粒监测传感器、武汉理工大学研发感应式磨粒在线传感器、军械工程学院研发新型磨粒在线监测传感器，但至今未有应用于实践的成熟技术。
1 三线圈电感式磨粒传感器测量原理
根据法拉第电磁感应定律，感应电动势的大小和通过导体回路的磁通量的变化率成正比，方向有赖于磁场的方向和变化情况。在同一个磁惰性的管子上绕有3组电感线圈(包括2个激励线圈和1个感应线圈)。两个由交流电源驱动的外侧激励线圈，产生的磁场方向相反，可使在管子内部正好位于中央的感应线圈处磁场相互抵消，即为零磁场。传感线圈与前置放大器相接。当油液中通过有金属颗粒时，引起磁场扰动，导致传感线圈产生感应电动势［2
］。利用铁磁质和抗磁质对原磁场的相反影响，导致输出信号相位相反，可区分油液中磨损颗粒类型;利用感应电动势的大小来确定磁质颗粒的尺寸。由此可得，三线圈电感式磨粒传感器工作原理如图1所示。
图1 传感器工作原理
2 测量方法
在图1中，激励源提供给激励线圈稳定的正弦信号，它包括DDS信号源、调幅调相电路与功率放大驱动电路。信号检测电路包括低噪声前置放大器、精密整流器与后级滤波放大器。综上所述，整个三线圈电感式在线油路磨粒传感器的检测电路原理方框如图2所示。
图2 检测电路原理方框图对外经济贸易大学车祸
采用低噪声前置放大器来检测感应线圈中的感应电动势，由于感应电动势为μV级电压，放大的倍数应达几十万倍，所以前置放大器应设为多级放大。通过实验得出前置放大器输出的信号是与激励频率相同的包络信号Ua.为了从中提取出有用信号，将Ua经过精密整流器，变为直流脉动信号。最后经过滤波放大器后得到该信号Uout，其幅值和相位反映了通
过传感器的磨粒的特性。检测电路中，包络信号Ua和整流滤波放大后信号Uout的对应关系如图3所示。
图3 检测电路中的信号
3 硬件电路设计
硬件检测电路包括调幅调相驱动电路、前置放大电路、精密整流电路、滤波电路等。经过这几个环节后，当有磁质磨粒通过三线圈电感式磨粒传感器时，输出一个与磨粒体积成正比的电压信号，该信号可以送到计算机或相关信号处理模块进行数据分析处理。
3.1 调幅调相驱动电路
磁通量变化很小，若要使其变化率大，其途径有2种:一种是增大原线圈的匝数，但这样会导致传感器体积过大;另一种是在没有磨粒通过三线圈电感式传感器时，让感应线圈处于零磁场中。
由于漆包线和传感器骨架的工艺，两个激励线圈的电感量和内阻的不同，使中间感应线圈
处磁场正好相互完全抵消是比较难的。当没有磨粒经过传感器时，感应线圈也将会产生一个比较大的输出信号，其频率和激励线圈的输入信号一样，严重影响了磨粒经过传感器产生的信号的提取。所以，需要在传感器的激励线圈电路设计一个合适的调幅调相的驱动电路［3］。在没有磨粒通过线圈时，调制两个激励线圈的输入信号的幅度和相位，使感应线圈中的磁场趋近于零。
如图4所示，在没有磨粒通过传感器时，经过调R8调幅后，再经过调R9移相，使得两激励线圈产生的磁场在感应线圈处恰好抵消。
3.2 前置放大器
前置低噪声放大器是整个信号检测系统最关键的部分，它的性能优劣直接影响到整个信号检测系统能不能检测到微弱信号。前级运算放大器必须具有优越的噪声特性和极小的总谐波失真率的特点［4］。运算放大器OP37恰恰具有很好的噪声性能和极小的总谐波失真率的优点，正好适用于微弱信号检测领域。由于电流放大电路容易受外界影响，放大倍数太大，相应引入的噪声严重影响了感应信号的提取，所以该前置放大器可用二级直流反馈电压放大器，如图5所示。
斯塔尔报告3.3 精密整流电路
由于前置放大器出来的信号为交流信号，精密整流电路将微弱的交流电压转换为直流电压。精密整流电路与滤波电路如图6所示。利用集成运算放大器和二级管可以组成性能良好的整流电路，二极管特性的非线性和温度的影响可显著减低［5］。运算放大器IC1等组成了作为主要的检波器件，D1和D2是检波二极管。集成运算放大器的工作情况:前置放大器输出的交流电压信号Ua的正半周，运放IC1输出为负，D1截止，D2导通，这时Ub等于负向输入端的电压，接近于零;在Ua为负半周，IC1输出为正，D1导通，D2截止，这时.可见IC1等组成了半波整流电路。IC2等组成了加法电路。在Ua的正半周时，，在 Ua的负半周时，Uc=热扎
当取R1=R2=R3=R5=，在Ua为正半周时，Uc=，在Ua为负半周时，Uc=.可见Ua通过IC1和IC2后，完成了全波整流，即Uc=.C2起滤波作用，R6和R7用作调零电压，从直流电源中取出直流分量抵消信号传递过程中引入的直流分量，保证在没有磨粒通过传感器时输出为零。
由于运算放大器的开环放大倍数很高，因此输入电压为很小时，就可以克服检波二极管的
死区电压，达到精密检波的目的。
图6 精密整流电路
3.4 后级滤波放大器
精密整流器输出的信号Uc再经过后级有源低通滤波电路得到直流脉动信号，并将该信号通过后级电压放大器便得到反映通过传感器的磨粒的特性的信号Uout.
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