CN113035565B - 一种工作液金属颗粒检测设备及其线圈制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工作液金属颗粒检测设备，包括信号处理模块以及布置在工作液管道处第一激励线圈、第二激励线圈以及中间反馈线圈。其中，第一激励线圈生成第一磁场，第二激励线圈生成第二磁场，且第二磁场在第一激励线圈与第二激励线圈之间的中性点处的磁场方向与第一磁场的磁场方向相反，中间反馈线圈布置在中性点处，感应第一磁场与第二磁场的叠加磁场以感应生成感应信号；以及信号处理模块则根据中间反馈线圈的感应信号的幅值生成表示是否存在金属颗粒、及金属颗粒尺寸的输出信号。

Description

一种工作液金属颗粒检测设备及其线圈制作方法

技术领域

本发明涉及金属颗粒检测技术，特别涉及一种工作液金属颗粒检测设备及其线圈制作方法。

背景技术

对于有齿轮等金属部件磨损的产品而言，实时检测齿轮磨损情况能够有效保证产品性能。当所述产品采用油液润滑或冷却时，可在液路中设置金属颗粒检测设备，具体而言，在液路管道上设置反馈线圈及对称的激励线圈，其中当金属颗粒从激励线圈与反馈线圈之间通过时，会导致激励线圈与反馈线圈之间的磁场变化，由此导致反馈线圈上的感应电压的变化，因此根据反馈线圈的感应电压变化，可判断是否有金属颗粒通过，进而判断是否产生部件磨损。

但在实际操作中，由于绕线管的尺寸误差，例如外径、线圈间的间距等、线圈绕制误差，物理结构上不可能作到相对于反馈线圈完全对称的激励线圈，这就使得没有金属颗粒通过时，反馈线圈中感应的电压也不为0。使用不完全对称的线圈，会使得反馈线圈感应出“背景电压”/“底噪”。由于金属颗粒，特别是微小的金属颗粒对磁场的扰动很小，中间反馈线圈中感应出的电压变化幅值很小。“背景电压”/“底噪”的存在使得检出这种微小的电压变化更加困难。“背景噪声”/“底噪”过大时甚至将无法检出有效的信号。

针对这一问题，可通过在线圈外部添加补偿措施、或者使用高精度加工的绕线管等措施，减小“背景电压”/“底噪”，然而以上的方案增加了生产成本。

发明内容

针对现有技术的部分或全部问题，本发明一方面提供一种工作液金属颗粒检测设备，包括：

第一激励线圈，其布置在工作液管道处，用于生成第一磁场；

第二激励线圈，其布置在工作液管道处，用于生成第二磁场，其中第二磁场在第一激励线圈与第二激励线圈之间的中性点处的磁场方向与第一磁场的磁场方向相反；

中间反馈线圈，其布置在中性点处，用于感应第一磁场与第二磁场的叠加磁场以感应生成感应信号；以及

信号处理模块，用于根据中间反馈线圈的感应信号的幅值生成表示是否存在金属颗粒以及金属颗粒尺寸的输出信号。

进一步地，所述工作液包括油液和/或冷却液和/或绝缘液。

进一步地，所述第一激励线圈和/或第二激励线圈和/或中间反馈线圈的线圈绕线被构造为使得无金属颗粒通过时由中间反馈线圈感应生成的感应信号的幅值低于阈值。

进一步地，所述设备还包括激励模块，其与所述第一激励线圈及第二激励线圈电连接，所述激励模块被配置为能够发出激励信号，使得第一激励线圈及第二激励线圈产生方向相反的磁场。

进一步地，所述中间反馈线圈的两端之间连接有第一谐振电容并且所述第一激励线圈的两端之间以及第二激励线圈的两端之间连接有第二谐振电容，并且所述中性点居中地位于第一和第二激励线圈之间。

进一步地，所述设备还包括绕线管，其设置于工作液管道的表面，所述绕线管包括第一凹槽、第二凹槽及第三凹槽，所述中间反馈线圈、第一激励线圈及第二激励线圈分别设置于第二凹槽、第一凹槽及第三凹槽内。

进一步地，所述绕线管的一侧设置有印刷电路板，所述第一谐振电容及第二谐振电容集成于所述印刷电路板上，且所述印刷电路板还包括连接焊盘，用于与所述中间反馈线圈、第一激励线圈、第二激励线圈、激励模块及信号处理模块连接。

本发明另一方面提供所述工作液金属颗粒检测设备中线圈的制作方法，包括：

在绕线管上绕制中间反馈线圈、第一激励线圈及第二激励线圈，其中所述第一激励线圈及第二激励线圈对称布置于中间反馈线圈的两侧；以及

测量无金属颗粒通过时所述中间反馈线圈的感应信号的幅值，若幅值超过阈值，则调整所述第一激励线圈和/或第二激励线圈和/或中间反馈线圈的线圈布置，使得所述幅值低于所述阈值。

进一步地，调整第一激励线圈和/或第二激励线圈和/或所述中间反馈线圈的线圈布置包括下列步骤：

调整第一激励线圈和/或第二激励线圈和/或所述中间反馈线圈的最外层的线圈位置，使得所述幅值低于所述阈值。

本发明提供的工作液金属颗粒检测设备，通过激励模块发出激励信号，使得两侧的第一及第二激励线圈产生方向相反的磁场，当有金属颗粒从一端通过线圈时，会导致磁场变化，继而可在中间反馈线圈中感应出电压，通过信号处理模块将感应出的电压信号进行放大等处理后，可判断是干扰或是金属颗粒，进而确认是否出现部件磨损。在理想情况下，由于第一和第二激励线圈的磁场大小相同、方向相反，因此在没有金属颗粒经过时，中间线圈应当无感应电压生成，因此如果存在感应电压，则应当进行调零，本发明的工作液金属颗粒检测设备可简单且精确地进行调零，其方式是，所述检测设备的线圈在绕制过程中，根据测量得到的中间反馈线圈的感应电压的幅值进行线圈调整，以抵消所述感应电压，从而提高线圈的对称性，由于该方法并不需要使用外加的补偿措施，而且绕线管等材料不需要高精度加工，因此，并不会增加生产成本，且可以降低线圈的报废率。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种工作液金属颗粒检测设备的结构示意图；

图2示出本发明一个实施例的一种工作液金属颗粒检测设备的线圈制作方法的流程示意图；

图3a-3c示出本发明一个实施例的一种工作液金属颗粒检测设备的线圈制作方法的过程示意图；

图4示出本发明一个实施例的一种工作液金属颗粒检测设备的信号处理装置的电路结构示意图；以及

图5示出本发明一个实施例的一种工作液金属颗粒检测设备的标定***的结构示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

为了实现齿轮磨损的检测，针对采用使用油液润滑或者冷却的产品，本发明提供一种工作液金属颗粒检测设备，其中，工作液是指油液、冷却液、绝缘液等。下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。

图1示出本发明一个实施例的一种工作液金属颗粒检测设备的结构示意图。如图1所示，一种工作液金属颗粒检测设备，包括线圈、激励模块102以及信号处理模块103。

所述线圈绕制于工作液管道001的外侧的绕线管上，包括第一激励线圈111、第二激励线圈112以及中间反馈线圈113，所述线圈通过绝缘漆固定，其中第一激励线圈和/或第二激励线圈和/或中间反馈线圈的线圈绕线被构造为使得当无金属颗粒通过时由中间反馈线圈感应生成的感应信号的幅值低于阈值。所述第一激励线圈111、第二激励线圈112布置在工作液管道处，用于生成第一磁场、第二磁场，在本发明的一个实施例中，所述第一激励线圈111、第二激励线圈112与所述激励模块102电连接，所述激励模块102发出激励信号，使得第一激励线圈生成第一磁场、第二激励线圈生成第二磁场，其中第二磁场在第一激励线圈与第二激励线圈之间的中性点处的磁场方向与第一磁场的磁场方向相反，所述中性点居中地位于第一和第二激励线圈之间，在本发明的一个实施例中所述中间反馈线圈113布置在中性点处，用于感应第一磁场与第二磁场的叠加磁场以感应生成感应信号。在本发明的实施例中，所述第一激励线圈111的两端之间以及第二激励线圈112的两端之间连接有第二谐振电容022，所述中间反馈线圈113的两端间连接有第一谐振电容021。

在本发明的一个实施例中，所述工作液管道001外侧布置有绕线管，所述绕线管包括第一凹槽、第二凹槽及第三凹槽，所述中间反馈线圈、第一激励线圈及第二激励线圈分别设置于第二凹槽、第一凹槽及第三凹槽内。

所述信号处理模块103与所述中间反馈线圈113电连接，所述信号处理模块用于感应中间反馈线圈的电压，并进行放大处理，并根据中间反馈线圈的感应信号的幅值生成表示是否存在金属颗粒及金属颗粒尺寸的输出信号。在本发明的一个实施例中，所述绕线管的一侧还设置有印刷电路板，第一谐振电容021及第二谐振电容022集成于所述印刷电路板上，且所述印刷电路板还包括连接焊盘，用于与所述中间反馈线圈、第一激励线圈、第二激励线圈、激励模块及信号处理模块连接。

受限于制作工艺，线圈在物理结构上难以做到完全对称，这就使得即使没有金属颗粒通过线圈，中间反馈线圈中的感应电压也不为0，进而加大了检出微小感应信号的难度，将该电压称为“背景电压”或“底噪”。为消除所述“背景电压”，本发明对工作液金属颗粒检测设备的线圈制作方法进行了优化。图2及3a-3c分别示出本发明一个实施例的一种工作液金属颗粒检测设备的线圈制作方法的流程图及过程示意图。如图所示，所述油工作液金属颗粒检测设备中线圈的制作方法，包括：

首先，在步骤201，绕制初始线圈。在绕线管002上绕制中间反馈线圈113、第一激励线圈111及第二激励线圈112，其中所述第一激励线圈及第二激励线圈对称布置于中间反馈线圈的两侧，初步绕制完成的线圈状态如图3a所示，所述绕线管002包覆于工作液管道001的外表面，所述绕线管002包括第一凹槽0021、第二凹槽0022及第三凹槽0023，所述第一凹槽及第三凹槽对称分布于第二凹槽的两侧，所述第一激励线圈111绕制于所述第一凹槽内，中间反馈线圈绕制于第二凹槽内，以及第二激励线圈绕制于第三凹槽内，第一谐振电容021及第二谐振电容022集成于印刷电路板003上，所述印刷电路板003通过第一焊盘031与第一激励线圈111及第二激励线圈112电连接，以及通过第二焊盘032与中间反馈线圈113电连接；

接下来，在步骤202，调整线圈布置。测量无金属颗粒通过时所述中间反馈线圈的感应信号的幅值，若所述幅值超过阈值，则调整第一激励线圈和/或第二激励线圈和/或所述中间反馈线圈的线圈布置，使得所述幅值低于所述阈值，在本发明的一个实施例中，线圈布置的调整包括：调整第一激励线圈和/或第二激励线圈和/或所述中间反馈线圈的最外层的线圈位置，使得所述幅值低于所述阈值。在图3b的实施例中，是通过调整中间反馈线圈的最外层线圈位置实现：首先，根据幅值与阈值之间的差值，将最外层绕线的72-74匝调整至靠近所述第一激励线圈的一侧，再次测量所述中间反馈线圈的感应信号的幅值，发现仍高于阈值，则进一步将最外层绕线的68-74匝调整至靠近所述第一激励线圈的一侧，如图3c所示，此时，所述幅值低于阈值，完成线圈布置；以及

最后，在步骤203，固定线圈。使用绝缘漆004固定，以避免线圈绕线位置变动。

由于微小颗粒感应出的信号很小，为了将信号检出，通常需要进行高倍放大。在大型齿轮箱的应用上，当发生严重磨损时会产生大尺寸金属颗粒，而当大尺寸金属颗粒通过线圈时，反馈线圈感应出大幅度的感应信号，经过高倍放大后的信号将饱和，继而使得大尺寸颗粒无法识别。针对这一问题，在本发明的一个实施例中，在所述信号处理模块103包括工作液金属颗粒检测的信号处理装置，其中设置了多路放大与模数转换电路，且每一路的放大倍数不同，各路信号全部传输至感应信号处理装置，例如微中央处理器MCU等，进行综合判断，通过使最小的放大倍数的放大电路的输出信号未达到饱和(即未达到最大尺寸的金属颗粒的感应信号)，进而既能检测出微小颗粒，又能检测出大尺寸金属颗粒，以扩大检测范围。图4示出本发明一个实施例的一种工作液金属颗粒检测设备的信号处理装置的电路结构示意图。如图4所示，所述信号处理模块103包括初级滤波及放大电路301、多个二级放大电路3021、3022……302n及模数转换电路3031、3032……303n以及感应信号处理装置304。其中，所述初级滤波及放大电路301的输入端与中间反馈线圈两端连接，用于对感应信号进行初级滤波和放大，其输出端则连接至各二级放大电路3021、3022……302n的输入端，所述初级滤波及放大电路301包括滤波电路及初级放大电路；所述模数转换电路3031、3032……303n的输入端分别连接至各二级放大电路3021、3022……302n的输出端，用于对二级放大电路输出的模拟信号进行模数转换，以及所述感应信号处理装置304与所述模数转换电路3031、3032……303n的输出端连接，用于根据各个模数转换电路的输出值，判断是否存在金属颗粒，并确定金属颗粒的大小。在本发明的实施例中，各个二级放大电路的放大倍数根据可能产生的金属颗粒大小设置，可能产生的金属颗粒越大，则二级放大电路的放大倍数设置越小。在本发明的一个实施例中，设置有两路二级放大电路，包括第一放大电路及第二放大电路，其中所述第一放大电路用于将感应信号放大第一放大倍数，其中第一放大倍数的大小被设置为使得感应信号处理装置能够通过分析经放大第一倍数的感应信号来确定具有第一尺寸的金属颗粒的存在；以及第二放大电路用于将感应信号放大第二放大倍数，其中第二放大倍数的大小被设置为使得经放大第二倍数的感应信号的幅度未达到饱和，即感应信号处理装置能够通过分析经放大第二倍数的感应信号来确定具有第二尺寸的金属颗粒的存在，其中第二尺寸大于第一尺寸，且所述第二尺寸为工作液中最大可能出现的金属颗粒的尺寸，在本发明的其他实施例中，可根据实际可能产生的金属颗粒大小，设置更多路的二级放大电路，以确定更多尺寸金属颗粒的存在。

基于所述信号处理装置，对于金属颗粒的检测及尺寸判断包括：

当有金属颗粒通过线圈，中间反馈线圈产生感应信号，所述感应信号经过初级滤波及放大电路进行滤波和初步放大后，输出至各个放大器进行不同倍数的放大，最终放大的信号经模数转换后，传输至感应信号处理装置，感应信号处理装置根据各个模数转换电路的输出值，计算中间反馈线圈所产生的感应信号的幅值大小，进而确定金属颗粒是否存在，以及金属颗粒的大小。在本发明的一个实施例中，一旦出现超过阈值大小的颗粒，所述感应信号处理装置还可发出告警，提醒进行零部件更换或维修。

在本申请中，术语“信号未达到饱和”是指，信号未达到检测或分析仪器或感应信号处理装置的最大量程或检测范围的上限，即信号未达到可能出现的最大颗粒尺寸所对应的感应信号。也就是说，在信号放大以后，检测或分析仪器或感应信号处理装置仍然能够根据经放大的信号确定正确的结果、在此为金属颗粒尺寸，而未导致信号饱和或溢出。

在本发明的又一个实施例中，所述处理器内存储有信号幅值与颗粒尺寸的换算关系表，所述处理器获取到各个模数转换电路的输出值后，可根据所述换算关系表准确地确定颗粒尺寸。其中，所述换算关系表通过出厂标定得到。图5示出本发明一个实施例的一种工作液金属颗粒检测设备的标定***的结构示意图。如图5所示，所述标定***包括控制中心402、颗粒发射装置404以及多个气管403。其中，所述多个气管403设置在工作液管道001的内部并穿过工作液金属颗粒检测设备的检测区域，所述气管的一端与颗粒发射装置404连接，用于容纳由颗粒发射装置发射的金属颗粒，所述颗粒发射装置404可在所述控制中心402的控制下，在气管内发射不同尺寸的金属颗粒，模拟实际应用中，金属颗粒流经工作液管道的状态，以及所述控制中心402通过电源与通信连接线401与信号处理模块103可通信地连接，用于控制所述颗粒发射装置以及将颗粒尺寸数据发送给信号检测模块，进而根据所发射的金属颗粒的尺寸和从工作液金属颗粒检测设备接收的与所述金属颗粒相对应的感应信号对工作液金属颗粒检测设备进行标定。对所述工作液金属颗粒检测设备进行标定的过程包括：

首先，控制中心控制颗粒发射装置连续多次发送相同尺寸的金属颗粒，同时将所述金属颗粒的尺寸信息传输给信号检测模块，发射出的金属颗粒到达气管截止位置后，会自由落体降落至气管起始位置；

接下来，信号检测模块将检测到的感应信号幅值以及对应的颗粒尺寸进行保存；

接下来，控制中心控制颗粒发射装置切换发射气管，发出尺寸值增大一号的金属颗粒，重复前述步骤，直至最大尺寸金属颗粒发射结束；以及

最后，信号检测模块根据所有感应信号幅值以及对应的颗粒尺寸，拟合出“信号幅值与颗粒尺寸换算关系表”，并将换算关系表存储在内部存储器中。

在本发明的一个实施例中，仅对可能出现的最小尺寸及最大尺寸金属颗粒进行标定，将可能出现的最小尺寸记为第一尺寸，及可能出现的最大尺寸记为第二尺寸，则其标定及对金属颗粒尺寸的检测包括：

存储金属颗粒的第一尺寸以及从工作液金属颗粒检测设备接收的与所述金属颗粒相对应的第一感应信号；

存储金属颗粒的第二尺寸以及从工作液金属颗粒检测设备接收的与所述金属颗粒相对应的第二感应信号，其中第二尺寸大于第一尺寸；以及

在工作液金属颗粒检测设备检测到与处于第一和第二尺寸之间的第三尺寸的金属颗粒相对应的第三感应信号时，通过对第一和第二尺寸以及第一和第二感应信号进行信号拟合来确定第三尺寸。

本发明提供的工作液金属颗粒检测设备，首先通过调整线圈的方法提高了线圈对称性，降低了生产成本；其次，在信号处理模块中使用多路放大与模数转换电路，增加了颗粒的检测范围；以及，最后在出厂时，对检出信号进行标定，使得所述检测设备能够直接输出颗粒尺寸信息，可清晰的指示被监控设备的工作状态。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (9)

1.一种工作液金属颗粒检测设备，其特征在于，包括：

第一激励线圈，其布置在工作液管道处，且被配置为能够生成第一磁场；

第二激励线圈，其布置在工作液管道处，且被配置为能够生成第二磁场，其中第二磁场在第一激励线圈与第二激励线圈之间的中性点处的磁场方向与第一磁场的磁场方向相反；

中间反馈线圈，其布置在中性点处，且被配置为能够感应第一磁场与第二磁场的叠加磁场以感应生成感应信号；以及

信号处理模块，其被配置为能够根据中间反馈线圈的感应信号的幅值生成表示是否存在金属颗粒及金属颗粒尺寸的输出信号，所述信号处理模块包括：

初级滤波及放大电路，其输入端与中间反馈线圈两端连接，输出端连接至各二级放大电路的输入端，所述初级滤波及放大电路包括滤波电路及初级放大电路；

多个二级放大电路，其中每一个二级放大电路具有不同的指定放大倍数，所述指定放大倍数的大小被设置为使得感应信号处理装置能够通过分析经放大指定倍数的感应信号来确定具有对应尺寸的金属颗粒的存在；

多个模数转换电路，其输入端分别连接至各二级放大电路的输出端，其被配置为对二级放大电路输出的模拟信号进行模数转换；以及

感应信号处理装置，其与所述模数转换电路的输出端连接，其被配置为根据各个模数转换电路的输出值，判断是否存在金属颗粒，并确定金属颗粒的大小。

2.如权利要求1所述的工作液金属颗粒检测设备，其特征在于，所述工作液包括油液和/或冷却液和/或绝缘液。

3.如权利要求1所述的工作液金属颗粒检测设备，其特征在于，所述第一激励线圈和/或第二激励线圈和/或中间反馈线圈的线圈绕线被构造为使得无金属颗粒通过时由中间反馈线圈感应生成的感应信号的幅值低于阈值。

4.如权利要求1所述的工作液金属颗粒检测设备，其特征在于，还包括激励模块，其与所述第一激励线圈及第二激励线圈电连接，所述激励模块被配置为能够发出激励信号，使得第一激励线圈及第二激励线圈产生方向相反的磁场。

5.如权利要求1所述的工作液金属颗粒检测设备，其特征在于，所述中间反馈线圈的两端之间连接有第一谐振电容并且所述第一激励线圈的两端之间以及第二激励线圈的两端之间连接有第二谐振电容，并且所述中性点居中地位于第一和第二激励线圈之间。

6.如权利要求1所述的工作液金属颗粒检测设备，其特征在于，还包括绕线管，其设置于工作液管道与线圈之间，所述绕线管包括第一凹槽、第二凹槽及第三凹槽，所述中间反馈线圈、第一激励线圈及第二激励线圈分别设置于第二凹槽、第一凹槽及第三凹槽内。

7.如权利要求6所述的工作液金属颗粒检测设备，其特征在于，所述绕线管的一侧设置有印刷电路板，其与所述第一激励线圈、第二激励线圈、中间反馈线圈、激励模块及信号处理模块电连接。

8.一种如权利要求1至7任一所述的工作液金属颗粒检测设备中线圈的制作方法，其特征在于，包括步骤：

在绕线管上绕制中间反馈线圈、第一激励线圈及第二激励线圈，其中所述第一激励线圈及第二激励线圈对称布置于中间反馈线圈的两侧；以及

测量所述中间反馈线圈的感应信号的幅值，若幅值超过阈值，则调整所述第一激励线圈和/或第二激励线圈和/或中间反馈线圈的最外层的线圈位置，使得所述幅值低于所述阈值。

9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，第一激励线圈和/或第二激励线圈和/或所述中间反馈线圈的最外层的线圈位置根据所述幅值与阈值之间的差值确定。

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