【摘要】：感應式磨粒探測器在機械設備健康監(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的磨損顆粒信息等優(yōu)點,受到了廣泛的關注。然而,相較于其它原理的在線磨粒檢測傳感器,感應式傳感器的顆粒檢測靈敏度還比較低,且在實際應用中傳感器的穩(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,這些都是制約感應式磨粒傳感器在設備的在線監(jiān)控中進一步應用的障礙。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計參數(shù)進行系統(tǒng)的分析和優(yōu)化。本文簡單建立傳感器的等效數(shù)學模型,并通過電磁場仿真給出了感應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償電路和網(wǎng)狀靜電屏蔽的線圈探頭結(jié)構(gòu);分別設計了相應的傳感器性能測試系統(tǒng),結(jié)果表明,傳感器性能指標具有世界領先水平。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)學模型,得到顆粒通過時檢測線圈輸出的感應信號計算公式。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為對比各種感應式磨粒傳感器的靈敏度性能。二、提出了多個感應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行了分析。此結(jié)構(gòu)有助于增加感應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行有效的處理來提取顆粒信息。之后仔細分析了初始狀態(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,詳細介紹了設計的手動補償電路,結(jié)合三線圈差動式探頭搭建了性能測試裝置,手動補償電路能夠?qū)⒉黄胶怆妷悍浅７奖愕难a償?shù)?mV以下,實驗驗證了此補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,在手動平衡的基礎上,實現(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)進行了性能測試和分析,最終設計的自動補償電路能夠?qū)⒉黄胶怆妷貉a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,實驗表明此結(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),進行了電磁場屏蔽效果分析,并搭建了對比實驗裝置。提出了機械振動干擾的防護措施,對高分辨率傳感器可靠工作具有十分重要的意義。本文能夠為以后在感應式磨粒傳感器的理論和設計的研究方面提供幫助,促進感應式磨粒傳感器在相關領域的廣泛應用。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;TG115
【圖文】：

損是伴隨著機械設備從開啟直到出現(xiàn)嚴重故障一直存在的，一般地開啟磨合、穩(wěn)定的正常磨損和嚴重磨損階段ｍ，如圖１．２。在機械設會有一段的磨合期，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)災難性的故障。許多對機械設備運行故障和磨損顆粒之間關當磨損顆粒尺寸大于１００邋／／ｍ，也就是與人的頭發(fā)直徑相當時，態(tài)，需要立即進行設備維護以避免出現(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、濃度和形貌等指標損狀態(tài)，是否需要進行維護來進行評判從而延長了機器使用的壽還能了解到機器的磨損機理，為改進機器的內(nèi)部設計提供重要的對于油液磨損顆粒分析技術(shù)已成為機械設備狀態(tài)檢測的研宄熱點。逡逑

（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．１機械設備內(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械設備從開啟直到出現(xiàn)嚴重故障一直存在的，一般地可以將逡逑其分為開啟磨合、穩(wěn)定的正常磨損和嚴重磨損階段ｍ，如圖１．２。在機械設備剛開逡逑啟時，會有一段的磨合期，期間會有一些較大的顆粒產(chǎn)生，但很快會進入正常的逡逑運轉(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，機器運行狀態(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逡逑致設備出現(xiàn)災難性的故障。許多對機械設備運行故障和磨損顆粒之間關系的研宄逡逑顯示

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