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原文传递基于并联谐振原理的油液磨粒多通道电感检测方法研究

论文题名：	基于并联谐振原理的油液磨粒多通道电感检测方法研究
关键词：	船舶油液磨粒;电感检测;相分复用;时分复用;并联谐振原理
摘要：	润滑油中磨粒检测对分析船舶设备磨损状态至关重要。电感式传感器以其结构简单、可区分铁磁性和非铁磁性金属磨粒的特点，被广泛应用于油液磨粒检测。电感式传感器可用于获取油液中磨粒尺寸、性质、浓度等信息。但是，对于相同结构类型的电感式传感器，其检测灵敏度与通量相互制约，即较小的电感线圈内径可获得较高的检测灵敏度，但限制了检测通量，反之亦然。为此，本文将在传感器结构类型不变的条件下，从信号检测电路的角度，探寻解决灵敏度和通量相互制约的方法。本文基于并联谐振原理，建立了金属磨粒并联谐振检测系统；提出通过优化并联电容提升磨粒检测灵敏度的方法；分别设计了相分复用和新型时分复用多通道油液磨粒检测方法，以提升油液磨粒检测通量。　　(1) 阐明了金属磨粒中的磁化效应和涡流效应对线圈阻抗的影响机理。并基于麦克斯韦方程组建立了电感线圈磁场的数值仿真数学模型，仿真分析了正弦波信号激励条件下金属磨粒对线圈磁场的影响，研究了磨粒直径和磨粒在线圈中的径向位置对线圈阻抗的影响规律。结果表明，铁磁性金属磨粒通过线圈时涡流效应和磁化效应同时存在，线圈的电感增加，而电阻也小幅增加，线圈阻抗绝对值增加；非铁磁性金属磨粒通过线圈时仅产生涡流效应，使线圈的电感减小和电阻增加，线圈阻抗绝对值减小；随着磨粒直径的增加，磨粒的磁化效应和涡流效应均增强，其引起的线圈阻抗变化量亦增强；随着磨粒的径向位置由中心移至内径边缘，磨粒引起的线圈阻抗变化量随之增强。　　(2) 提出通过优化并联电容的方法提升并联谐振电路的磨粒检测灵敏度。首先，设计了单个电感线圈的并联谐振检测系统，采用同步采样方法检测输出正弦波峰值。其次，理论分析并实验研究了磨粒引起的并联电路阻抗变化量随并联电容的变化规律，发现铁磁性和非铁磁性金属磨粒引起的阻抗变化量具有不同的变化趋势，且检测两种金属磨粒所需的最优并联电容值不相同。为使两种磨粒均具有最优检测灵敏度，设计了双谐振电路并行检测系统。两个电感线圈分别并联检测两种磨粒所需的最优电容，使两种磨粒均具有最优检测信号。实验结果表明，双谐振检测系统中两个线圈可以独立检测金属磨粒，检测信号互不干扰，且可以实现最小25 μm铁磨粒和66 μm铜磨粒检测。　　(3) 首次提出了相分复用多通道油液磨粒检测方法。通过将相同激励频率的多个并联谐振电路所输出正弦波的波峰，合成在同一周期的不同相位上，再分别采集合成信号中各个峰值，即可获得多路电感线圈的磨粒检测信号。设计了四通道磨粒检测系统以验证所提方法可行性。通过相位移动、峰值截取、信号合成等步骤将4路正弦波的波峰合成在一路输出信号中。采用同步采样技术，实现峰值的采集。单个金属磨粒的模拟检测实验结果表明，4路电感线圈的检测信号相互独立。该系统只用一路激励信号和一路信号采集通道，即可完成4个通道传感器信号的同时采集，将油液检测通量提升了4倍。　　(4) 提出了新型时分复用多通道油液磨粒检测方法。通过截取多个并联谐振电路所输出正弦波波峰，合成到输出信号的不同周期上，再分别采集合成信号各个峰值，即可获得多路电感线圈的磨粒检测信号。设计了十通道油液磨粒检测系统，以验证所提方法可行性。通过引入10路特殊的方波信号，分别在10个周期中抬升10路正弦波的波峰。将被抬升的10路正弦波波峰截取出来，合并到一路输出信号中，即可得到包含10路正弦波波峰的合成信号。设计了合成信号峰值的采样和数据提取方法，与相分复用方法相比，十通道检测系统中合成信号的波峰数量并没有增加，在集成更多正弦波波峰时不需要增加信号采集设备的采样频率。单个金属磨粒的模拟测试结果表明，系统中 10 路电感线圈的检测过程相互独立，没有信号干扰，与单通道检测系统相比，未损失磨粒检测灵敏度。油液中金属磨粒检测实验表明，系统可以同时检测 10 路油液中的金属磨粒信号。　　本研究在传感器结构类型不变的条件下，通过原理分析和电路优化实现了传感器检测灵敏度和检测通量的提升，促进了电感式油液磨粒检测传感器在船舶与海洋工程等领域的应用。
作者：	武森
专业：	轮机工程
导师：	潘新祥
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022