基于ANSYS的在线屑末传感器特性研究

马 静， 刘德峰， 王立清

(1.航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京 101111； 2.状态监测特种传感技术航空科技重点实验室，北京 101111)

油液中金属屑末的数量、尺寸、类型等参数能够反映发动机上润滑部件的磨损情况，对润滑部件进行故障预测和寿命预估，为发动机PHM技术的发展提供数据支持和依据。

目前针对滑油中金属屑末的监测主要有两类方法：一种是离线取样；另一种是在线监测。离线取样由于需要先取样再分析，不仅费力费时、成本高、样本易受污染，而且测定结果具有滞后性，取样不能全面反映故障情况甚至还会造成故障信息丢失[1]。在线监测又分为全流量和旁路监测，旁路监测由于取样量的限制无法全面地反映系统的实际状态；在线式的全流量滑油在线屑末传感器能够实时监测油液中金属屑末的变化，全面准确地表征系统的磨损情况。

滑油在线屑末传感器主要由测试线圈和激励线圈共同组成。测试线圈位于两个激励线圈的中央，激励线圈反向串联，交流电驱动激励线圈产生方向相反、大小相同的磁场。测试线圈所处位置的内部磁场相互抵消，即接近于零磁场。金属屑末在传感器中流过时，这种平衡被打破，引起磁场变化，测试线圈产生感应电动势。全流量滑油在线屑末传感器结构原理如图1所示。

本文基于空心圆柱线圈电磁感应原理，推导铁磁性、非铁磁性金属屑末的检测机理。并利用ANSYS软件建立滑油在线屑末传感器中有金属屑末通过的仿真模型，对金属屑末引起的磁场变化进行仿真分析。

图1 全流量滑油在线屑末传感器结构原理图

1 理论模型

图2 单个空心圆柱线圈

当线圈中不存在金属屑末时，只考虑磁场轴线上的磁场强度B(z):

(1)

式中，a1为线圈内径；a2为线圈外径；2b为线圈的宽度；H为线圈下边缘与金属屑末中心距；ra为金属屑末的半径;μ0为真空磁导率；J为电流密度；z为轴线上一点与线圈中心的距离。

铁磁性金属屑末的相对磁导率远大于1，故当有铁磁性金属屑末通过传感器时，铁磁性金属材料能够把绝大数磁力线约束在自身内，而使通过测试线圈的磁通量增加，因此铁磁性金属屑末是通过磁通量的变化引起测试线圈的感应电压，在忽略传感器中的涡流损耗、磨粒损耗和耦合电容等的影响时[1]，可得铁磁性金属屑末引起的感应电压E0：

(2)

式中，N0为测试线圈匝数；μr为金属屑末相对磁导率；ω为交流激励角速度；B0为金属屑末所在位置无金属屑末时激励线圈产生的磁场强度。

非铁磁性金属屑末的相对磁导率接近1，当它放置在交变磁场中时，金属屑末中的感应涡流产生一个反作用磁场，阻碍原磁场的变化，磁通密度的减小导致激励线圈的电感和感抗的降低，其下降的幅度取决于非铁磁性金属颗粒的电导率、激励频率及金属屑末与激励线圈的距离[3]。应用文献[4]的理论，可得非金属屑末中的涡流在激励线圈两端产生的阻抗变化：

(3)

可得非铁磁性金属屑末引起的感应电压E0：

资源保障方面。主要有四类指标，一是基础指标，该指标指包含外文期刊总量、纸刊量、电刊量、净刊量和OA刊量的数量指标，涉及出版社、集成商和数据库的来源指标以及提要索引类的类型指标；二是核心指标，主要包括学校一级学科与二级学科外文期刊总保障率以及学校核心期刊与学院核心期刊保障率；三是拓展指标，包含ESI、JCR、SNIP、SJR总保障率、分学科保障率和高质量学术论文引文保障率；四是包含区域、行业以及学科领域的合作指标。

(4)

式中，L0为激励线圈自感。

由于Zsc<

(5)

2 仿真分析

为了验证金属屑末通过传感器引起的测试线圈感应电压的变化趋势，利用ANSYS Electric软件建立模型，由于传感器的结构是轴对称的，为了降低计算的复杂度，采用二维轴对称建模方法进行建模如图3所示[5]。

图3 传感器有限元模型

考虑到全流量设计，传感器线圈的内径为16 mm，激励线圈为42匝，测试线圈为51匝，两个激励线圈相距16 mm，激励信号频率为19 kHz，金属屑末用标准球体等效，金属屑末的运动方向为沿Z轴做匀速直线运动。

2.1 铁磁性金属屑末分析

令金属屑末的材料为铁，激励线圈电流为0.25 A，当金属屑末为铁磁性金属材料时在仿真中不考虑涡流效应，不同大小的铁磁性金属屑末的感应电压变化曲线如图4所示。传感器的中心位置为金属屑末的零点，金属屑末从-20～20 mm沿Z轴做直线运动。

图4 ra=200～500 μm的铁磁性屑末感应电压变化曲线

由图4可知铁磁性金属屑末在Z轴正半轴和负半轴产生的感应电压大小相等，方向相反。金属屑末引起的感应电压随着金属屑末与测试线圈的距离变小而变大，当感应电压绝对值达到最大值后随着磁感应强度的变小而变小，最终在磁感应强度为零的位置达到零点。不同金属屑末在通过传感器时引起的感应电压峰值如表1所示。

表1 铁磁性金属屑末感应电压峰值

对表1中的数据进行曲线拟合可得：

(6)

2.2 非铁磁性金属屑末分析

令金属屑末的材料为铝，激励线圈电流为0.25 A，当金属屑末为非铁磁性金属材料时再仿真采用涡流效应，不同大小的非铁磁性金属屑末的感应电压变化曲线如图5所示。

由图5可知非铁磁性金属屑末在Z轴正半轴和负半轴产生的感应电压大小相等，方向相反。金属屑末引起的感应电压峰值如表2所示。

对表2中的数据进行曲线拟合可得铝屑末引起的感应电压的最大值Emax和屑末半径ra之间的关系：

(7)

图5 ra=300～600 μm的非铁磁性屑末感应电压变化曲线

金属屑末半径ra/μm感应电压峰值Vp/μV金属屑末半径ra/μm感应电压峰值Vp/μV30013.37635026.78440047.65845079.899500126.496550190.515600266.421

3 试验验证

金属屑末监测试验验证系统由滑油在线屑末传感器、连接电缆和数据处理单元组成如图6所示。将固定有标准金属颗粒的塑封棒沿传感器油液流动的方向穿过[6]，每种颗粒测试20次，记录金属屑末引起的感应电压值，计算平均值作为数据拟合的输入。

图6 滑油在线屑末监测系统

通过数据采集卡获取传感器的输出信号，当铁磁性金属屑末通过时传感器输出如图7所示。

铁磁性金属屑末选取经过计量的标准球体，标准颗粒尺寸为254 μm、305 μm 、360 μm、505 μm、762 μm试验，非铁磁性金属颗粒选取标准颗粒尺寸为508 μm、706 μm 、904 μm试验，通过曲线拟合得到铁磁性金属屑末特性方程为

(8)

非铁磁性金属屑末特性方程为

图7 铁磁性金属颗粒信号

(9)

式中,K1、K2为与验证系统相关的常数

当有多个屑末同时经过传感器时，传感器的输出信号是多个金属屑末感应电压的叠加。当两个屑末距离缩小至首尾相接时，通过波形不能分辨出2个屑末，但是产生的幅值显著增大[7]。通过实验测试可知，当两个金属屑末的距离为2倍的激励线圈的距离时，叠加的感应信号能够区分。感应电压的大小与金属屑末的形状、尺寸、通过传感器时的形态等因素相关。

相同尺寸与形状的两个不同类型屑末(一个铁磁性，一个是非铁磁性)同时经过传感器时，铁磁性金属屑末引起的感应电压远大于非铁磁性金属屑末的感应电压，传感器的输出为铁磁性金属屑末。

4 结束语

通过对铁磁性金属屑末和非铁磁性金属屑末通过全流量滑油在线屑末传感器时引起的测试线圈感应电压进行理论推导和计算，并借助ANSYS Electric软件建立二维有限元仿真分析模型。通过求解有限元方程可知铁磁性金属屑末和非铁磁性金属屑末的相位相反。金属屑末引起的感应电压与金属屑末半径的幂成正比，铁磁性金属屑末引起的感应电压的峰值与它的半径成三次方关系，非铁磁性金属屑末引起的感应电压的峰值与它的半径及电导率相关。

通过以上研究获取传感器感应特性，并根据标准金属颗粒与测试线圈感应电压之间的对应关系，建立传感器标定曲线，为传感器的标定建立了理论依据。