【摘要】：感應(yīng)式磨粒探測器在機(jī)械設(shè)備健康監(jiān)控中起到了越來越重要的作用,具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本較低和提供詳細(xì)的磨損顆粒信息等優(yōu)點(diǎn),受到了廣泛的關(guān)注。然而,相較于其它原理的在線磨粒檢測傳感器,感應(yīng)式傳感器的顆粒檢測靈敏度還比較低,且在實(shí)際應(yīng)用中傳感器的穩(wěn)定性和可靠性有待提高。除此之外,通過傳感器的輸出信號準(zhǔn)確判斷磨損顆粒信息還存在很大的問題,這些都是制約感應(yīng)式磨粒傳感器在設(shè)備的在線監(jiān)控中進(jìn)一步應(yīng)用的障礙。雖然國內(nèi)外對它的研究已經(jīng)很多年,但還缺乏對影響傳感器性能的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和優(yōu)化。本文簡單建立傳感器的等效數(shù)學(xué)模型,并通過電磁場仿真給出了感應(yīng)式傳感器的工作特性和性能參數(shù)對其產(chǎn)生的影響。在對感應(yīng)式磨粒傳感器的檢測靈敏度、穩(wěn)定性和抑制干擾等性能的提升上,分別從傳感器的線圈探頭結(jié)構(gòu)和信號處理電路出發(fā),提出了一激多感的新型線圈探頭、超高效的自動不平衡電壓模擬補(bǔ)償電路和網(wǎng)狀靜電屏蔽的線圈探頭結(jié)構(gòu);分別設(shè)計了相應(yīng)的傳感器性能測試系統(tǒng),結(jié)果表明,傳感器性能指標(biāo)具有世界領(lǐng)先水平。本文的主要工作和結(jié)論包括:一、建立三線圈差動式傳感器結(jié)構(gòu)的等效數(shù)學(xué)模型,得到顆粒通過時檢測線圈輸出的感應(yīng)信號計算公式。利用有限元仿真軟件COMSOL分析了工作頻率、線圈結(jié)構(gòu)和顆粒屬性對傳感器輸出信號幅值的影響。根據(jù)相關(guān)因素分析,簡單定義了一個靈敏度系數(shù)S為對比各種感應(yīng)式磨粒傳感器的靈敏度性能。二、提出了多個感應(yīng)線圈共用一個激勵線圈的新型傳感器線圈探頭結(jié)構(gòu);使用弱耦合變壓器模型對線圈輸出信號進(jìn)行了分析。此結(jié)構(gòu)有助于增加感應(yīng)線圈與顆粒之間的耦合程度,從而提高傳感器的顆粒檢測靈敏度。制作具有兩個半圓形感應(yīng)線圈的傳感器探頭,使用了一個簡單有效的信號處理方法,搭建了完整的測試平臺,并對其性能進(jìn)行測試。三、發(fā)展了一種完整高效的信號后處理模擬電路提高感應(yīng)式磨粒傳感器的整體性能。首先搭建了基本的低噪聲放大、相敏檢波解調(diào)和后置放大的傳感器信號處理電路,對線圈輸出的信號進(jìn)行有效的處理來提取顆粒信息。之后仔細(xì)分析了初始狀態(tài)時線圈輸出的不平衡電壓對傳感器靈敏度和穩(wěn)定性的影響,詳細(xì)介紹了設(shè)計的手動補(bǔ)償電路,結(jié)合三線圈差動式探頭搭建了性能測試裝置,手動補(bǔ)償電路能夠?qū)⒉黄胶怆妷悍浅７奖愕难a(bǔ)償?shù)?mV以下,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此補(bǔ)償電路對傳感器工作的有效性,使傳感器能成功檢測43 mm管徑下134μm鐵磁顆粒和230μm非鐵磁顆粒,靈敏度參數(shù)S為0.003。四、提出了線圈激勵電壓上的噪聲是實(shí)現(xiàn)高分辨率探測的重要影響因素,超平衡工作模式是得到高分辨率的必要條件。為了克服不平衡電壓隨溫度和時間變化,在手動平衡的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了電路的自動平衡,集成到傳感器信號處理系統(tǒng)中。對整個傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試和分析,最終設(shè)計的自動補(bǔ)償電路能夠?qū)⒉黄胶怆妷貉a(bǔ)償?shù)轿⒎考?使得傳感器能夠在43 mm管道內(nèi)檢測100μm鐵磁顆粒和165μm 非鐵磁顆粒,靈敏度超過市面上任何一款感應(yīng)式微粒探測器。五、分析了幾種外部干擾對傳感器性能的影響,給出了解決措施。油液中介電雜質(zhì)產(chǎn)生的靜電干擾需要被屏蔽。介紹了一種屏蔽層的做法,搭建了簡單的測試平臺,實(shí)驗(yàn)表明此結(jié)構(gòu)能夠很好的屏蔽氣泡和水滴等產(chǎn)生的電場干擾且不會影響原傳感器的檢測靈敏度。對于探頭具有很厚的鋁外殼結(jié)構(gòu),進(jìn)行了電磁場屏蔽效果分析,并搭建了對比實(shí)驗(yàn)裝置。提出了機(jī)械振動干擾的防護(hù)措施,對高分辨率傳感器可靠工作具有十分重要的意義。本文能夠?yàn)橐院笤诟袘?yīng)式磨粒傳感器的理論和設(shè)計的研究方面提供幫助,促進(jìn)感應(yīng)式磨粒傳感器在相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;TG115
【圖文】：

損是伴隨著機(jī)械設(shè)備從開啟直到出現(xiàn)嚴(yán)重故障一直存在的，一般地開啟磨合、穩(wěn)定的正常磨損和嚴(yán)重磨損階段ｍ，如圖１．２。在機(jī)械設(shè)會有一段的磨合期，期間會有一些較大的顆粒產(chǎn)生，但很快會進(jìn)段，根據(jù)研宄統(tǒng)計，此時油液中磨損顆粒的濃度比較穩(wěn)定，尺寸１／ｍｉ到２０／／ｍ范圍之間。工作了較長時間的設(shè)備會出現(xiàn)異常磨度逐漸增加，５０／ｍｉ到１００／／ｍ尺寸大小的顆粒開始產(chǎn)生。隨著時器運(yùn)行狀態(tài)更加惡化，磨粒濃度和尺寸在不斷上升，最后這些異出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。許多對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行故障和磨損顆粒之間關(guān)當(dāng)磨損顆粒尺寸大于１００邋／／ｍ，也就是與人的頭發(fā)直徑相當(dāng)時，態(tài)，需要立即進(jìn)行設(shè)備維護(hù)以避免出現(xiàn)故障造成非常大的損失。潤粒監(jiān)測技術(shù)可以通過分析油液中磨粒的尺寸、濃度和形貌等指標(biāo)損狀態(tài)，是否需要進(jìn)行維護(hù)來進(jìn)行評判從而延長了機(jī)器使用的壽還能了解到機(jī)器的磨損機(jī)理，為改進(jìn)機(jī)器的內(nèi)部設(shè)計提供重要的對于油液磨損顆粒分析技術(shù)已成為機(jī)械設(shè)備狀態(tài)檢測的研宄熱點(diǎn)。逡逑

（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．１機(jī)械設(shè)備內(nèi)部問題：（ａ）潤滑油污染，（ｂ）磨損造成的麻坑逡逑磨損是伴隨著機(jī)械設(shè)備從開啟直到出現(xiàn)嚴(yán)重故障一直存在的，一般地可以將逡逑其分為開啟磨合、穩(wěn)定的正常磨損和嚴(yán)重磨損階段ｍ，如圖１．２。在機(jī)械設(shè)備剛開逡逑啟時，會有一段的磨合期，期間會有一些較大的顆粒產(chǎn)生，但很快會進(jìn)入正常的逡逑運(yùn)轉(zhuǎn)階段，根據(jù)研宄統(tǒng)計，此時油液中磨損顆粒的濃度比較穩(wěn)定，尺寸也較小，逡逑主要在１／ｍｉ到２０／／ｍ范圍之間。工作了較長時間的設(shè)備會出現(xiàn)異常磨損，磨損逡逑顆粒濃度逐漸增加，５０／ｍｉ到１００／／ｍ尺寸大小的顆粒開始產(chǎn)生。隨著時間的推逡逑移，機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)更加惡化，磨粒濃度和尺寸在不斷上升，最后這些異常磨損導(dǎo)逡逑致設(shè)備出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。許多對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行故障和磨損顆粒之間關(guān)系的研宄逡逑顯示

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