一种快速检测润滑油中铁磁磨粒的装置和方法

张宏辉，赵天禅，郑 翔，马天悦，刘先名

ZHANG Hong-hui1, ZHAO Tian-chan2, ZHENG Xiang3, MA Tian-yue3, LIU Xian-ming3

（1.东莞理工学院 机械工程学院，东莞 523808；2.东莞理工学院 城市学院机电工程系，东莞 523419；3.深圳市亚泰光电技术有限公司，深圳 518172）

0 引言

在机械传动中经常会使用到润滑油，润滑油好比机械设备的血液，而所有摩擦副产生磨损颗粒都会流入润滑油中，从而使得润滑油变成了机械磨损信息的载体，通过监测润滑油的铁磁性磨粒，根据铁磁颗粒的多少、大小进行分析可得知机器的磨损状况，预知机器的运行状况和发现故障隐患。

目前对润滑油铁磨粒的检测手段很多，比如铁谱分析、光谱分析、颗粒计数器等。1）铁谱分析技术是利用高梯度的磁场，将油内磨屑颗粒与油液及杂质分离，并使其按一定规律，沉积在置于磁场上方的玻璃片上，形成谱片，再利用光学显微系统对谱片上的磨屑进行大小、形状、色泽、表面纹理等的观察，再对磨损类型进行鉴别和分类。它的特点是能观测到磨粒的尺寸、形貌、颜色等，但需要样品预处理，检测周期长，工序流程复杂，条件要求较高，而且操作人员需要具备一定素质及经验，不利于现场进行测试。2）光谱分析是利用每个元素都有其特有的原子结构的事实。当原子吸收到附加的能量时，其核外电子就会从低能级跃迁到高能级的轨道上去，这时的原子处于不稳定状态，原子由不稳定状态返回稳定状态要释放一定频率的电磁波能量，每种元素发出特有波长的光或颜色。将辐射出的光经过色散，得到按波长排列的线光谱，根据特征谱线有无出现判断某物质是否存在，根据特征谱线的强弱判断该物质含量的多少。它的特点是可在30秒钟内精确分析出油液中近20种（最多可达32种）元素的（PPM级）含量，可分析润滑油和液压油中的各种磨损金属元素Fe、Cu、Al、Pb，添加剂元素S、P、Ca、Ba和外界污染元素Si的浓度。但是，它的体积笨重、庞大，检测费用昂贵。3）颗粒计数器的基本原理是利用用样流过毛细管，在毛细管的一侧装有激光光源，另一侧装的有光学放大系统，和图像传感器，当油样有磨粒流过时，磨粒在传感器上成像，根据成像的尺寸大小和脉冲次数便可以获知磨粒的尺寸的大小和个数，它的不足之处是不能检出粒径的材质，润滑油中往往含有不同的颗粒种类，比如碳粒、油泥和各种氧化物等，而且体积庞大，颗粒计数器只能识别大小和数目，不能反应铁磨粒的多少。上述这些方法通常仅仅适合于实验室分析用。

本文所提出的方法不同于传统的精密电子天平对周围环境以及制取设备要求极高的检测手段，而是采用一种基于变压器原理、不提供闭合磁路、以一个柱形衔铁（铁氧体磁芯）为核心的双次级线圈特殊传感器，配合高精度采样保持电路对其进行精确放大，从而能达到快速磨粒计量的目的。基于此原理成功研制出具有自主知识产权的润滑油铁磨粒计量分析仪——TTL-3铁量仪。该仪器不仅操作简单、自动化程度与性价比高，而且相关技术指标达到甚至超过国外同行仪器水平。

1 总体结构设计

图1为TTL-3铁量仪装置总体结构示意图。装置的主要部件为一个激励线圈2，激励线圈2中间为一个磁芯，磁芯采用柱状铁芯（铁芯材料可选用塞钢等材料），磁芯上缠绕线圈构成激励线圈2，当给激励线圈通入交变电流时，即会产生交变磁场。激励线圈2两端等距离处，分别设有一个线圈，其中一个作为检测线圈3，另一个作为平衡线圈4，检测线圈3和平衡线圈4阻抗相等。由于在激励线圈2的两端附近，会出现相同分布的发散磁场，检测线圈3和平衡线圈4与激励线圈2同轴排列，且在激励线圈2两端等距离的对称位置上，理论上会感应出两个相等的信号。靠近检测线圈3一端设有一个测试平面，如果没有将被测油样（或被测油样中铁磁磨粒含量为零），从测试平面靠近检测线圈时，两线圈输出相等，即差异为零；如将含有铁磁磨粒的被测油样靠近检测线圈时，油样中存在铁磁磨粒，由于铁磁磨粒具有小磁矩的作用，使得磁路和磁场重新建立，达到一个新的平衡体系，即铁磁性物质导致激励线圈2靠近检测线圈3一端的发散磁场发生变形，中央磁场增强，这样就使得检测线圈3产生的感应信号比平衡线圈4产生的感应信号要大，从而导致两个线圈的输出不平衡，使检测线圈3和平衡线圈4之间的输出信号产生差异，经过将这个差异信号比较放大、整形和积分等相关的换算，就可以表征出铁磨粒的铁磁性大小，通过对此信号大小的识别，可计算出试样中的铁磁性物质的含量，即用两个线圈感应信号的差异表征出被检测样品铁磁磨粒含量。由于用两个线圈感应信号的差异表征出被检测样品铁磁磨粒含量的因素较多，比如检测线圈3和平衡线圈4距离激励线圈的距离远近、激励线圈的磁场强度、测试平面距离检测线圈3的远近等等，所以，很难形成一个定量的关系，但是，由于上述因素一旦固定，则润滑油中的铁磁性磨粒含量的多少，与检测线圈3和平衡线圈4感应信号的差异的大小即成线性关系，所以，一个固定检测装置初始时，任何一个技术人员可以通过有限次的实验确定检测线圈3和平衡线圈4感应信号的差异与铁磁性磨粒含量之间的函数关系。装置中将主要部件安装在基座1内，形成一个整体的检测装置。基座1顶部设有盖板5，激励线圈2安装在盖板5上，为了使用方便，激励线圈2竖直设置，且激励线圈2通过一个带缺口的圆环6固定安装在盖板5上。检测线圈3设置在盖板5上方，平衡线圈4设置在下方，检测线圈3和平衡线圈4相对于激励线圈2等距离对称设置。盖板5上方安装有一个转盘7，转盘7即为测试平面，基座1内固定安装有电机8，由电机8带动转盘7转动。基座1内固定安装有变压器10，通过变压器10可将交流市电转换成需要的电压，给电机8和其他电路部分供电。基座1外侧设有一个显示器9，可用于显示测量数值，显示器9可采用数码管或液晶显示屏等。

图1 TTL-3铁量仪装置总体结构示意图

2 装置电路设计

图2 TTL-3铁量仪装置电路方框图

图2 为TTL-3铁量仪装置电路方框图。装置的电路主要包括振荡器、传感器、检测电桥、采样保持器、比较器、直流放大器、数模转换器和单片机。采用振荡器产生一个频率为1kHz～5kHz的正弦信号为磁芯提供激励信号，使其产生一个交变磁场，然后通过检测电桥将感应线圈和平衡线圈产生的信号输出给采样保持器，由采样保持器将其转换成峰值信号，直流放大器对采样保持器输出的峰值信号进行比较并输出，模数转换器将直流放大器输出的直流信号进行模数转换后输出至单片机。单片机驱动显示器显示测量结果，并控制转盘将油液容器传送到感应线圈处。在正常情况下，即感应线圈周围无铁磁物质时，比较器输出为零，当含有铁磁磨屑的容器置于感应线圈上方时，传感器两端输出不再平衡，此时经过采样保持器输出的峰值信号也将不再平衡，比较器输出一与铁磁磨屑含量成比例的直流信号经直流放大器放大后，经过模数转换器转换成数字信号由单片机进行处理并由显示器显示结果。

图3 振荡器部分电路原理图

图4 检测电桥部分电路原理图

图5 采样保持电路电路原理图

图6 触发电路电路原理图

图3 为振荡器部分电路原理图，振荡器是由DDS信号发生器IC4和运算放大器IC6A、运算放大器IC6B、运算放大器IC7A、运算放大器IC7B以及功率放大器IC5及外围电阻电容组成的振荡电路，振荡电路产生的正弦波信号的振荡频率为1kHz，具体实施时，也可通过调节电路参数，而改变其振荡频率，使其范围保持在1kHz～5kHz之间。图4为检测电桥部分电路原理图，传感器采用两个电感量相等的电磁线圈，其中一个作为检测线圈La，一个作为平衡线圈Lb，检测电桥为一个不平衡状态的电感电桥，检测电桥包括串联的电阻R23和电阻R33，电阻R23和电阻R33之间串联有一个电位器VR1，为第一桥臂，电阻R23和电阻R33采用精密电阻，电位器VR1采用精密多圈电位器。与第一桥臂并联有第二桥臂，第二桥臂包括串联的电阻R24和电阻R34，电阻R24和电阻R34之间串联有一个电位器VR2，电阻R24和电阻R34采用精密电阻，电位器VR2采用精密多圈电位器，电阻R24和电阻R34形成的支路与电阻R23和电阻R33形成的支路并联连接成一个回路。这个电路回路通过电位器VR1和电位器VR2的滑动端分成两部分，两部分分别与检测线圈La和连接平衡线圈Lb连接，其中检测线圈La输出信号为S-org，平衡线圈Lb输出信号为B-org。电位器VR2和电阻R34的公共端上，连接有基准信号Base，电位器VR2和电阻R24 的公共端上，连接有传感器输出信号Sense。通过调节电位器VR1，可以确保两个电阻桥臂阻值相等，从而调节检测线圈La和平衡线圈Lb在工作时输出的信号幅值相等；通过调节电位器VR2，可以确保两个电阻桥臂阻值相等，从而调节检测线圈La和平衡线圈Lb在工作时输出的信号相位一致。调幅调相通过阻抗匹配法使两个信号回路的初态相位保持一致，再通过分压使初态幅值相等，信号相位调节，即能使信号超前/滞后于原始相角；幅值调节，即能控制最终信号的输出大小；相位、幅值独立调节，即信号的相位与幅值调节不会相互干扰。图5为采样保持电路电路原理图，采样保持电路包括采样保持芯片IC8、采样保持芯片IC9、采样保持芯片IC10和采样保持芯片IC11以及外围电阻电容构成，四个采样保持芯片相互独立设置，分别对检测线圈La和平衡线圈Lb产生的感应信号的正负峰值进行采样保持。采样保持芯片均采用型号为LF398的高精度采样保持芯片。采样保持电路由触发电路控制触发角。图6为触发电路电路原理图，触发电路由基准芯片IC13、运算放大器IC14A、运算放大器IC12A、运算放大器IC12B和电位器VR3、电位器VR4以及外围电阻电容构成，检测电桥输出信号与基准芯片IC13产生的信号通过运算放大器IC12A、运算放大器IC12B比较后，分别输出给采样保持芯片的触发端，其中，运算放大器IC12A输出给采样保持芯片IC8和采样保持芯片IC9，用于对检测线圈La和平衡线圈Lb产生的感应信号的正峰值信号的保持；运算放大器IC12B输出给采样保持芯片IC10和采样保持芯片IC11，用于对检测线圈La和平衡线圈Lb产生的感应信号的负峰值信号的保持。可通过调整两个电位器来调整触发角。图7为比较器和直流放大器部分电路原理图，运算放大器IC17和运算放大器IC18构成比较电路，分别对检测线圈La和平衡线圈Lb产生的感应信号进行比较，运算放大器IC17和运算放大器IC18采用型号为INA105的精密增益差分放大器。直流放大器包括运算放大器IC15A、运算放大器IC15B、运算放大器IC14B和数字电位器IC16以及外围电容电阻，数字电位器通过比较电路产生的信号经过直流放大器放大后，输入给模数转换器，模数转换器将直流放大器输出的信号转换成数字信号输入给单片机进行算法处理。

图7 比较器和直流放大器部分电路原理图

3 ANALEX PQM/TTL-3铁量仪对比测试

由广州分析测试中心澳凯油品检测实验室利用英国Kittiwake ANALEX PQM铁谱指数仪对十组油样检测数据与TTL-3铁量仪测试结果如表1所示。

4 结论

1）采用变压器型的电磁传感器，通过检测沉积磨屑引起的空间磁场改变造成电磁传感器参数的改变进行检测，可自然排除堆积现象及污染物的影响，可达到较高的线性度。

2）采用一种用于微弱信号检测的电路，使其在较简单的实现方式下尽可能地摒除存在的干扰（如白噪音、温漂、初始状态的相位差、幅值差、电磁场影响等等），使微弱的有用信号得以准确检测及放大，尽可能快地将微弱信号送入安全区域，采用有用信号与干扰信号差异化，差异化后的干扰信号与有用信号一抑一扬，完成信号筛选，从而获得对信号的优化效果。

表1 英国Kittiwake ANALEX PQM铁谱指数仪检测结果

表1 TTL-3铁量仪检测结果

3）通过TTL-3铁量仪与英国Kittiwake ANALEX PQM铁谱指数仪对比测试，TTL-3铁量仪检测结果的重复性与总体标准偏差达到甚至超过国外同行仪器水平。

[1] 张宏辉.基于知识的转子故障诊断理论与方法的研究[D].清华大学.北京:1993.06.

[2] 唐锡宽,等.机械动力学[M].北京:高等教育出版社,1986.05.