一种基于磁棒传感器的铁磁性颗粒的质量检测方法

技术领域

本发明涉及油液监测技术领域，尤其涉及一种基于磁棒传感器的铁磁性颗粒的质量检测方法。

背景技术

在油液在线监测领域。油液中铁磁颗粒含量与设备磨损有着直接关系。在现有的油液中铁磁颗粒监测设备或方法中有电磁式铁磁颗粒监测传感器和磁塞式铁磁颗粒监测传感器等。

电磁式铁磁颗粒传感器：油液需要一定的流速流经电磁式铁磁颗粒监测线圈来判断所监测油液中铁磁颗粒质量、数量、直径等技术参数。电磁式铁磁颗粒传感器在监测的过程中需要控制油液的流量、压力经过电磁式铁磁颗粒线圈，实际监测效率较低，并且无法收集铁磁颗粒物质进行二次判断磨损故障来源。因此电磁式铁磁颗粒传感器常用于精密设备的磨损监测。

磁塞式铁磁颗粒传感器：采用单片圆形磁铁S极或N极后部增加感知电路垂直安装于设备油箱下部。可判断铁磁颗粒大小、质量。因采用单片圆形磁铁只用一个S极或N极能够吸附铁磁颗粒，实际铁磁颗粒吸附量级有限。其只能适用于小型设备，并且需要经常清理磁塞上吸附的铁磁颗粒物质。

因此，基于电磁式铁磁颗粒监测传感器和磁塞式铁磁颗粒监测传感器等的测量方法并未给重型或者磨损严重的设备提供一个适用的解决方案，这是目前亟需解决的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于磁棒传感器的铁磁性颗粒的质量检测方法，其解决了现有的设备油液监测技术因其应用条件高、监测效率较低、限制条件过多，并未给重型或者磨损严重的设备提供一个适用的油液监测方案的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种基于磁棒传感器的铁磁性颗粒的质量检测方法，磁棒传感器具备带有磁棒和LC谐振电路的检测端和控制端，磁棒由若干个永磁体串联而成，LC谐振电路包括绕设在磁棒外的绕组，绕组包括绕设在每个永磁体上的感应线圈，每相邻两个感应线圈绕向相反，各个感应线圈之间相互串联，方法包括：

在磁棒将油液中的铁磁性颗粒吸附在感应线圈上时，控制端控制LC谐振电路产生与绕组的电感变化量关联的自激振荡信号；

控制端依据自激振荡信号分析得到LC谐振电路的谐振频率，进而基于谐振频率求取出磁棒吸附的铁磁性颗粒的质量，控制端将求取得到的铁磁性质量以模拟信号或数字信号的方式送出；

其中，自激振荡信号的频率与绕组的电感负相关，绕组的电感和磁棒吸附的铁磁性颗粒的质量正相关，随着吸附的铁磁性颗粒质量增加，绕组所处设定空间范围内的导磁率随之增加，导致绕组的电感增加、谐振频率下降。

可选地，磁棒吸附的铁磁性颗粒的质量通过质量公式求取得到，质量公式为：

G＝Af

其中，G表示铁磁性颗粒的质量，f表示谐振频率，A、B、C、D为结构系数，A的取值范围为12.8～13.8，B的取值范围为454.3～455.3，C的取值范围为5268.3～5269.3，D的取值范围为387930.3～387931.3。

可选地，控制端依据自激振荡信号分析得到LC谐振电路的谐振频率，进而基于谐振频率求取出磁棒吸附的铁磁性颗粒的质量，控制端将求取得到的铁磁性质量以模拟信号或数字信号的方式送出之前，还包括：

通过预先设置在LC谐振电路和控制端之间的加法电路将LC振荡电路中的谐振波形在不改变频率值的情况下将波形幅值提升0.5V，得到初步处理的自激振荡信号；

通过预先设置在加法电路和控制端之间的加法电路，在不改变谐振频率的情况将初步处理的自激振荡信号的波形由正弦波转换为方波，最终将呈方波的再次处理的自激振荡信号送至主控器进行处理。

可选地，LC谐振电路包括：第十一电容、第十二电容、第十三电容、第十一电阻、第十二电阻以及第十一三极管；

第一三极管的集电极连接磁棒第一端上的感应线圈和第十三电容的第二端；

第一三极管的基极连接第十二电阻的第二端和第十二电容的第二端；

第一三极管的发射极连接第十一电容的第二端、第十三电容的第一端以及第十一电阻的第二端，第十一电阻的第一端连接3.3V电压端；

磁棒第二端上的感应线圈、第十一电容的第一端、第十二电容的第一端以及第十二电阻的第一端均接地。

可选地，

加法电路包括：第二十一电容、第二十二电容、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第二十六电阻、第二十七电阻以及运算放大器；运算放大器的同相输入端连接第二十三电阻的第二端和第二十四电阻的第二端，第二十四电阻的第一端连接第一三极管的集电极、磁棒第一端上的感应线圈以及第十三电容的第二端，第二十三电阻的第一端连接第二十一电阻的第二端、第二十二电阻的第二端以及第二十一电容的第二端，第二十一电阻的第一端连接3.3V电压端，第二十二电阻的第一端和第二十一电容的第一端接地；运算放大器的反相输入端连接第二十五电阻的第一端和第二十六电阻的第一端，第二十五电阻的第二端接地；运算放大器的电源正输入端连接3.3V电压端和第二十二电容的第一端，第二十二电容的第二端接地；运算放大器的电源负输入端接地；运算放大器的输出端连接第二十六电阻的第二端和第二十七电阻的第一端；

比较器电路包括：第三十一电容、第三十二电容、第三十一电阻、第三十二电阻、第三十三电阻、第三十四电阻、串联二极管以及比较器芯片；比较器芯片的同相输入端连接第三十一电阻的第二端、第三十二电阻的第二端以及第三十一电容的第二端，第三十一电阻的第一端连接3.3V电压端，第三十二电阻的第一端和第三十一电容的第一端接地；比较器芯片的电源负输入端接地；比较器芯片的反相输入端连接第二十七电阻的第二端；比较器芯片的电源正输入端连接3.3V电压端、第三十二电容的第二端、第三十四电阻的第一端以及串联二极管的第一二极管的负极，第三十二电容的第一端和串联二极管的第二二极管的正极接地；比较器芯片的输出端连接第三十三电阻的第一端，第三十三电阻的第二端连接第三十四电阻的第二端、串联二极管的第一二极管和第二二极管的串联端以及主控器的测量端口。

可选地，相邻永磁体之间的相对面的极性相同。

可选地，永磁体采用圆形带孔磁铁。

可选地，磁棒的直径为13～15mm，高度为32～34mm。

可选地，检测端包括：覆盖磁棒和绕组的聚醚醚酮外壳。

可选地，控制端包括：连接器、壳体以及主控器；

连接器包括分别通过线束连接主控器的电源正负极接口、485通信端口以及大地线的电源通讯接口；

壳体被配置有一容纳主控器的腔体，壳体的一端抵接磁棒，壳体的另一端抵接连接器。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明通过设置多个磁铁串联而成的磁棒形成有更大的吸附面积和更大的吸附量级，以及设置数个方向相反、彼此串联的线圈组成绕组以提高了检测灵敏度。本发明基于上述设备实现的监测方法则是利用磁棒将油液中的铁磁性颗粒吸附在线圈外侧，被吸附的铁磁性颗粒将改变线圈的电感，从而引起LC谐振频率的变化，通过测量LC谐振频率的变化量度量被吸附的铁磁性颗粒的质量，该方法利用本发明提供的设备优势实时准确地了解被监测的系统或设备的磨损状态，以便对异常磨损做出及时预警。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于磁棒传感器的铁磁性颗粒的质量检测方法的流程示意图；

图2为本发明提供的一种基于磁棒传感器的铁磁性颗粒的质量检测方法的LC谐振电路、加法电路以及比较器电路的电路原理；

图3为本发明提供的一种基于磁棒传感器的铁磁性颗粒的质量检测方法的磁棒和线圈示意图；

图4为本发明提供的一种基于磁棒传感器的铁磁性颗粒的质量检测方法的磁棒传感器的结构示意图；

图5为本发明提供的一种基于磁棒传感器的铁磁性颗粒的质量检测方法的频率与吸附颗粒质量示意图。

【附图标记说明】

1：感应线圈；

2：永磁体；

3：聚醚醚酮外壳；

4：主控器；

5：连接器。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提出的一种基于磁棒传感器的铁磁性颗粒的质量检测方法，其特征在于，磁棒传感器具备带有磁棒和LC谐振电路的检测端和控制端，磁棒由若干个永磁体2串联而成，LC谐振电路包括绕设在磁棒外的绕组，绕组包括绕设在每个永磁体2上的感应线圈1，每相邻两个感应线圈1绕向相反，各个感应线圈1之间相互串联，方法包括：在磁棒将油液中的铁磁性颗粒吸附在感应线圈1上时，控制端控制LC谐振电路产生与绕组的电感变化量关联的自激振荡信号；控制端依据自激振荡信号分析得到LC谐振电路的谐振频率，进而基于谐振频率求取出磁棒吸附的铁磁性颗粒的质量，控制端将求取得到的铁磁性质量以模拟信号或数字信号的方式送出；其中，自激振荡信号的频率与绕组的电感负相关，绕组的电感和磁棒吸附的铁磁性颗粒的质量正相关，LC谐振频率与磁棒吸附的铁磁性颗粒的质量呈现高次方关系，随着吸附的铁磁性颗粒质量增加，绕组所处设定空间范围内的导磁率随之增加，导致绕组的电感增加、谐振频率下降。

本发明通过设置多个磁铁串联而成的磁棒形成有更大的吸附面积和更大的吸附量级，以及设置数个方向相反、彼此串联的线圈组成绕组以提高了检测灵敏度。本发明基于上述设备实现的监测方法则是利用磁棒将油液中的铁磁性颗粒吸附在线圈外侧，被吸附的铁磁性颗粒将改变线圈的电感，从而引起LC谐振频率的变化，通过测量LC谐振频率的变化量度量被吸附的铁磁性颗粒的质量，该方法利用本发明提供的设备优势实时准确地了解被监测的系统或设备的磨损状态，以便对异常磨损做出及时预警。

为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

进一步地，磁棒吸附的铁磁性颗粒的质量通过质量公式求取得到，质量公式为：

G＝Af

其中，G表示铁磁性颗粒的质量，f表示谐振频率，A、B、C、D为结构系数，A的取值范围为12.8～13.8，B的取值范围为454.3～455.3，C的取值范围为5268.3～5269.3，D的取值范围为387930.3～387931.3。A、B、C、D这些系数与磁棒的结构尺寸、检测电路的有关参数相关。

进一步地，控制端依据自激振荡信号分析得到LC谐振电路的谐振频率，进而基于谐振频率求取出磁棒吸附的铁磁性颗粒的质量，控制端将求取得到的铁磁性质量以模拟信号或数字信号的方式送出之前，还包括：

通过预先设置在LC谐振电路和控制端之间的加法电路将LC振荡电路中的谐振波形在不改变频率值的情况下将波形幅值提升0.5V，得到初步处理的自激振荡信号。

通过预先设置在加法电路和控制端之间的加法电路，在不改变谐振频率的情况将初步处理的自激振荡信号的波形由正弦波转换为方波，最终将呈方波的再次处理的自激振荡信号送至主控器4进行处理。

参考图2，可知LC谐振电路包括：第十一电容、第十二电容、第十三电容、第十一电阻、第十二电阻以及第十一三极管；第一三极管的集电极连接磁棒第一端上的感应线圈1和第十三电容的第二端；第一三极管的基极连接第十二电阻的第二端和第十二电容的第二端；第一三极管的发射极连接第十一电容的第二端、第十三电容的第一端以及第十一电阻的第二端，第十一电阻的第一端连接3.3V电压端；磁棒第二端上的感应线圈1、第十一电容的第一端、第十二电容的第一端以及第十二电阻的第一端均接地。当颗粒吸附磁棒的线圈上时，对应的线圈1L1上的电感量会发生变化，同时使LC振荡电路发生变化，其变化体现在LC振荡电路上的谐振频率的改变。

然则，LC谐振电路所产生的自激振荡信号还需通过调理后送入主控器4的频率测量端口，因此，磁棒传感器还包括：设置在LC谐振电路和主控器4的测量端口之间的加法电路和比较器电路。加法电路的用于将上述LC振荡电路中的谐振波形在不改变频率值的情况下将波形幅值提升0.5V，为后级电路的处理提供合适的谐振波形。而比较器电路则是用于在不改变谐振频率的情况将波形由正弦波转换为方波，最终将该方波送至主控器4。

具体地，参考图2，加法电路包括：第二十一电容、第二十二电容、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第二十六电阻、第二十七电阻以及运算放大器；运算放大器的同相输入端连接第二十三电阻的第二端和第二十四电阻的第二端，第二十四电阻的第一端连接第一三极管的集电极、磁棒第一端上的感应线圈1以及第十三电容的第二端，第二十三电阻的第一端连接第二十一电阻的第二端、第二十二电阻的第二端以及第二十一电容的第二端，第二十一电阻的第一端连接3.3V电压端，第二十二电阻的第一端和第二十一电容的第一端接地；运算放大器的反相输入端连接第二十五电阻的第一端和第二十六电阻的第一端，第二十五电阻的第二端接地；运算放大器的电源正输入端连接3.3V电压端和第二十二电容的第一端，第二十二电容的第二端接地；运算放大器的电源负输入端接地；运算放大器的输出端连接第二十六电阻的第二端和第二十七电阻的第一端。

以及，比较器电路包括：第三十一电容、第三十二电容、第三十一电阻、第三十二电阻、第三十三电阻、第三十四电阻、串联二极管以及比较器芯片；比较器芯片的同相输入端连接第三十一电阻的第二端、第三十二电阻的第二端以及第三十一电容的第二端，第三十一电阻的第一端连接3.3V电压端，第三十二电阻的第一端和第三十一电容的第一端接地；比较器芯片的电源负输入端接地；比较器芯片的反相输入端连接第二十七电阻的第二端；比较器芯片的电源正输入端连接3.3V电压端、第三十二电容的第二端、第三十四电阻的第一端以及串联二极管的第一二极管的负极，第三十二电容的第一端和串联二极管的第二二极管的正极接地；比较器芯片的输出端连接第三十三电阻的第一端，第三十三电阻的第二端连接第三十四电阻的第二端、串联二极管的第一二极管和第二二极管的串联端以及主控器4的测量端口。

参考图3，在每个永磁体2上绕有线圈，相邻两线圈绕向相反，各线圈相互串联形成绕组的目的是尽可能保持绕组自激振荡所产生的交变磁场与永磁体2所产生的磁场高度重合，使被磁棒吸附的铁磁性颗粒最大限度地改变绕组的电感，达到提高测量灵敏度的目的。

又参考图3，相邻永磁体2之间的相对面的极性相同。以此来保证合适的磁力线回路，使永磁体2吸附颗粒最大化。接着，考虑到多个环形磁铁串联有更大的吸附量级，永磁体2采用圆形带孔磁铁。较佳地，磁棒的直径为13～15mm，高度为32～34mm。

继而，参考图4，磁棒传感器还包括：聚醚醚酮外壳3，聚醚醚酮外壳3是在永磁体2和感应线圈1的外围增加的一层保护壳体，避免油、水的渗入。

再者，磁棒传感器还包括：连接器5、壳体以及主控器4。连接器5包括分别通过线束连接主控器4的电源正负极接口、485通信端口及大地线的电源通讯接口。壳体被配置有一容纳主控器4的腔体，壳体的一端抵接磁棒，壳体的另一端抵接连接器5。

LC谐振电路所产生的自激振荡信号通过调理后送入主控器4的频率测量端口，由主控器4测量频率、并计算所吸附的铁磁性颗粒质量。主控器4将感应线圈1上的变化进行提取和处理，转换为数字信号，最终以485的通讯方式将数据传递出来。

在一具体实施例中，如图4所示，检测端的磁棒和感应线圈1的绕制方法为：

步骤1：选择直径14mm,高度33mm的磁棒，选择0.2mm的漆包线；

步骤2：将线圈架套在磁棒上后，按图1方式在线圈架上绕制正反相间的线圈；

步骤3：绕制完成感应线圈1后，将首尾漆包线引出，再线圈架上套聚醚醚酮外壳。

参考图2的电路原理图设计相应的PCB板，则可以通过示波器直观看到在上述磁棒感应线圈1上靠近铁磁性颗粒时，对应LC谐振电路的方波输出频率会发生改变，利用上述方式得到频率与吸附颗粒质量的关系如图5。

值得一提的是，主控器4为通用的控制类芯片，包括：单片机、FPGA、CPLD以及DSP之中的任意一种。

综上所述，本发明提供了一种磁棒式传感器和基于磁棒传感器的铁磁性颗粒的质量检测方法，为了解决磁棒和磁性滤器上吸附的铁磁性颗粒质量(数量)的检测问题，本发明提供的磁棒式传感器设置了磁棒、绕在磁棒外的绕组、LC谐振电路以及主控器4，磁棒由若干个同极性相对安装的永磁体2串联而成，在每个永磁体2上绕有线圈，相邻两线圈绕向相反，各线圈相互串联形成绕组，绕组与电容构成LC谐振电路，磁棒将油液中的铁磁性颗粒吸附在线圈外侧，被吸附的铁磁性颗粒将改变线圈的电感，从而引起LC谐振频率的变化。

本发明通过设置多个磁铁串联而成的磁棒形成有更大的吸附面积和更大的吸附量级。因其存在更大的吸附面积，不作任何特殊调整直接安装在设备油液中就能实现较佳的铁磁颗粒捕获效率，借助于作为机械设备故障监测的重要参数之一的铁磁颗粒重量能够快速有效的发现机械设备故障。同时因数个方向相反、彼此串联的线圈组成绕组，使每个子线圈的电磁场和磁棒的磁场尽可能重合，提高了检测灵敏度和检测效率，本发明提供的传感器对比磁塞式传感器可以进行全方位安装，如垂直、水平等安装位置都可适用。

而质量检测方法则是：磁棒将油液中的铁磁性颗粒吸附在线圈外侧，被吸附的铁磁性颗粒将改变线圈的电感，从而引起LC谐振频率的变化，通过测量LC谐振频率的变化量度量被吸附的铁磁性颗粒的质量。

由此，本发明填补了重型或者磨损严重的设备的油液监测方案的空白，通过基于上述传感器的检测方法可以了解被监测的系统(或设备)的磨损状态，对异常磨损做出预警，还可以监测磁性滤器的工作状态，合理安排磁性滤器的清洁(或反冲)时间，降低生产成本，具备实际应用意义。

由于本发明上述实施例所描述的系统/装置，为实施本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置，故而基于本发明上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该系统/装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置都属于本发明所欲保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。