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编号____2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项申报材料项目名称电涡流式油液监测传感器申报学院机电工程学院项目申报成员黄祥官、黎楚阳、韦武伺、陈玉华、熊文清、赵健、刘行、罗则栋二○一四年十一月A2.申报者情况(__项目)说明1.必须由申报者本人按要求填写2.申报者代表必须是__中学历最高者,其余__按学历高低排列3.本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认申报者代表情况姓名黄祥官性别男出生年月1994-6-5学校桂林电子科技大学系别、专业、年级机电工程学院12级电气工程及其自动化学历本科学制四年入学时间2012年9月作品名称电涡流式油液检测传感器毕业论文题目通讯地址广西桂林电子科技大学花江校区____541004办公__常住地通讯地址广西桂林电子科技大学花江校区____541004____13557032632其他__情况姓名性别年龄学历所在单位黎楚阳男21本科桂林电子科技大学机电工程学院韦武伺男21本科桂林电子科技大学机电工程学院陈玉华男21本科桂林电子科技大学机电工程学院熊文清女20本科桂林电子科技大学机电工程学院赵健男20本科桂林电子科技大学机电工程学院刘行男20本科桂林电子科技大学机电工程学院罗则栋男20本科桂林电子科技大学机电工程学院资格认定学校学籍管理部门意见以上__是否为2015年7月1日前正式注册在校的全日制非__教育、非在职的高等学校专科生、本科生、硕士研究生或__研究生□是□否(签章)年月日院系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果□是□否负责人签名年月日B3.申报作品情况(科技发明制作)说明1.必须由申报者本人填写2.本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认3.本表必须附有研究报告,并提供图表、曲线、试验数据原理结构图、外观图(照片)也可附鉴定证书和应用证书4.作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报作品全称电涡流式油液监测传感器作品分类(A)A.机械与控制(包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等)B.信息技术(包括计算机、__、通讯、电子等)C.数理(包括数学、物理、地球与空间科学等)D.生命科学(包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等)作品设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标作品设计的目的油液检测技术在国外已经得到了广泛的__与应用,技术也是日益成熟,各类油液检测产品层出不穷但在国内该技术还不够成熟,有待进一步研究发展针对目前一些螺旋电感式传感器体积大,电容式传感器结构复杂__困难,光学型传感器成本高等问题,提出一种电涡流式基于PCB平面线圈传感器的油液磨粒检测方法该传感器具有结构简单,灵敏度高,线性范围大,抗干扰能力强,非接触测量,成本低,线圈电感一致性好等特点油液磨粒在线监测的必要性主要体现以下两个方面1系统时变特性的要求摩擦学系统是一典型的时变系统,其部分或全部结构参数是时间的显函数,因此,对摩学系统应该实施连续的和不间断的周期性监测在实施离线监测时,虽然通过缩短采样间隔以作些弥补,但这不仅使工作量增加,而且仍会有丢失重要信息的可能摩擦学系统的复杂和时变性导致了其工作状态的不确定性,因此必须对设备实施在线监测2特殊作业的要求对于某些特殊应用场合的机械设备,工作人员有时无法直接取样,或难以及时取样如车辆、飞机、船只、__等,具有流动性强的特点,即便定时取样,也难以及时送到地面验室而在线监测技术可以在航行中进行现场诊断,快速获得分析结果,有利于加强车辆及船舶的护、保养和维修管理,提高车辆及船舶的运行率,同时减少安全事故的发生设计的基本思路作品基于电涡流式传感器,使用PCB平面线圈结构使用AnSoft__xWell电磁仿真软件进行平面线圈的电磁仿真,确定PCB平面线圈的最优尺寸、形状和被检测磨粒与传感器的距离以不含磨粒的油液__作为背景__,当流经传感器的油液中含有磨粒时,传感器输线圈的Q值、等效电阻Z和等效电感L三个参数产生变化,磨粒越多线圈的Q值、等效电阻Z和等效电感L变化越大,而传感器测量系统正是基于感应区域中油液中磨粒浓度的变化来进行监测的因此,三个参数的变化程度就能反映出油液中离子磨粒的含量和大小本系统中以正弦波作为传感器的激励__,将传感器作为交流电桥的一个桥臂,当检测到金属磨粒时,线圈的品质因素会发生变化,电桥平衡被打破采集电桥电压的变化,经过__放大,RMS-DC转换、AD采集、微控制器处理及显示,将检测到油液中金属磨粒的浓度参数显示出来创新点
1、油液检测器使用电涡流式传感器,这种传感器可以实现非接触测量金属导体的多种物理量,具有结构简单、抗干扰能力强、灵敏度高、测量线性范围大、频率响应宽、体积较小等优点相对于只能检测铁的电感式传感器,电涡流式传感器可检测铜、铝、铁等金属
2、传感器的能提供数字显示接口与故障诊断接口,可以实时在线进行监测,一旦发现油液中的钢铁金属离子过高时会发出__及提示,方便、安全、环保
3、通过对微弱交流__的放大滤波后采用RMS-DC转换,将反映油液金属磨粒浓度大小的交流电动势转换成真有效值的直流输出,便于AD转换器的采集和微控制器的处理,使得电路简洁,测量准确
4、传感器既可以On-line测量方式也可以采用In-line测量方式,__使用简单方便,突破了传统测量方法不能进行在线监测的局限关键技术由于对油液磨粒在线监测具有监测过程的实时性、监测过程的连续性、监测结果与被监测对象运行状态的同步性、及检测__及其微弱,因此对传感器的设计和__检测方面具有较高要求,为了解决以上问题,作品采用了一下几项关键技术
1、电涡流式传感器是一种建立在电涡流效应原理上的传感器,但传感器到被检测物体距离增、线圈尺寸和形状等各项参数尚未得到优化,因此本作品采用有限单元法来对传感器的各个参数进行分析和优化,找到合适的参数后,通过实际的制板来验证其可行性
2、颗粒浓度与电压__幅值之间关系的确定油液中的颗粒的物理和化学特性微粒的体积、形状、速度、电阻率、介电常数、化学成分等、传感器的周边环境湿度、温度、管道粗糙度等因素、传感器损耗、温度误差及机械震动方等因素对浓度测试结果造成的影响需要通过优化传感器和检测电路的设计来降低
3、对油液磨粒检测传感器的超微弱__检测、调理、采集及__的分离提取
4、传感器的激励电源、__调理及数据采集电路对传感器的测量结果有着重要的影响,__的检测属于微弱__检测,需要对微弱__检测的方法进行深入研究建立对传感器的性能进行评价和分析的方法,对传感器的各个指标进行评判,找出其油液中金属含量与采集到的__(电压)之间的关系,给出其趋势曲线及性能指标作品的科学性先进性(必须说明与现有技术相比,该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步请提供技术性分析说明和____资料)机械设备%70以上的故障与磨损有关,通过对油液的监测和分析所获得的参数能很好的判断设备的润滑磨损状态,它是近十几年来迅速发展起来的用于机械设备状态监测的新技术,尤其在战机发动机、军舰发动机和民用机器设备的齿轮传动、轴承系统、液压传动等系统等方面,该技术具有广泛的应用前景和经济效益美国每年用于维修的费用大约是3000亿~5000亿美元;如果在维修管理、设备故障诊断方面加以改进,可以减少维修的费用要实现这个目标,可以通过设备油液金属磨粒在线监测正确了解设备运行状况从而做出及时的判断和正确的维修决策来实现油液分析技术分为离线式和在线式传统的离线式主要集中在光谱分析、铁谱分析、颗粒计数、油品理化分析等方面在线式检测系统采用的分析原理主要有电磁法、X射线能谱、静电法和光电法等离线式机器油液分析具有很高的监测精度但是实验室分析费时较长需要采集、传送、处理样品和等待分析结果和检测成本高会造成迟判误判,工作量大在比较长离线分析时间里机器系统内的油液可能迅速变差而损坏机器油液金属磨粒在线监测技术中,国外具有代表性的___GASTOPS公司生产的MetalSCAN金属磨粒传感器在各类战机、军舰、民用机器设备中广泛应用,取得良好的经济效益和安全效益但由于涉及军事应用,该传感器受到种种限制,我国未能获得军品级的相关产品或技术而国内在油液金属磨粒在线监测传感器的研究较少,较有影响力的有南京____大学利用电荷效应制作了相关的油液分析传感器但电荷效应传感器制作工艺要求较高,而且油液金属磨粒携带的电荷量十分的微弱,需要经过__的调制与解调技术,所以传感器监测电路复杂,__处理困难我们采用现有电涡流传感器原理,对传感器进行创新设计,从而应用于油液监测领域应用__xWell建模仿真,利用数值分析方法对传感器进行优化设计,使传感器具有很高的灵敏度和较好的线性度通过对微弱__的放大滤波和分离提取,采用RMS-DC转换,将反映油液金属磨粒浓度大小的交流电动势转换成真有效值的直流输出,最终将输出__进行采集和现实出来,系统实时性高,运行稳定而且相对于只能检测铁的电感式传感器,电涡流式传感器具有可检测铜、铝、铁等金属优势本作品在设计制作之前查阅了大量的国内外资料,并进行了相关技术的检索查询工作____
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29.作品在何时、何地、何种机构__的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果无作品所处阶段(A)A实验室阶段B中试阶段C生产阶段D(自填)技术转让方式合作或者技术资料转让作品可展示的形式实物、产品□模型□图纸□磁盘□现场演示□__□录像□样品使用说明及该作品的技术特点和优势,提供该作品适用范围及__前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测本传感器将反映油液金属磨粒浓度大小的交流电动势转换成真有效值得直流输出,通过采集和显示模块将浓度参数及电压变化曲线直观的显示出来该传感器可以直接接到油路中,对设备中的油液磨粒进行实时在线监测,传感器根据油液中的磨粒浓度进行__和提示,提示更换机油或者进行检修等,从而保证设备的正常运行和预防机器故障的发生,为维修服务提前预报机械设备%70以上的故障与磨损有关,仅美国每年用于维修的费用大约是3000亿~5000亿美元,我国每年也投入了数以千亿的费用进行维修如果在维修管理、设备故障诊断方面加以改进,可以减少维修的费用通过对油液的监测和分析所获得的参数能很好的判断设备的润滑磨损状态就能够有效的减少失效所以该传感器的应用前景广泛,经济效益高据相关资统计2011年我国汽车的产销量达到1840万辆,如果30%的汽车及机械装备上__该传感器,那将是一个可观的数字,也必将会给企业及地方财税带来巨大的经济效益专利申报情况□提出专利申报申报号申报日期年月日□已获专利权批准批准号批准日期年月日未提出专利申请科研管理部门签章(签章)年月日C.当前国内外同类课题研究水平概述说明1.申报者可根据作品类别和情况填写2.填写此栏有助于评审油液分析技术分为离线式和在线式传统的离线式主要集中在光谱分析、铁谱分析、颗粒计数、油品理化分析等方面在线式检测系统采用的分析原理主要有电磁法、X射线能谱、静电法和光电法等与在线式机器油液分析相比离线式机器油液分析具有很高的测量精度但是实验室分析费时较长需要采集、传送、处理样品和等待分析结果和检测成本高会造成迟判误判,工作量大在比较长离线分析时间里机器系统内的油液可能迅速变差而损坏机器油液金属磨粒在线监测技术中,国外具有代表性的___GASTOPS公司生产的MetalSCAN金属磨粒传感器在各类战机、军舰、民用机器设备中广泛应用,取得良好的经济效益和安全效益但由于涉及军事应用,该传感器受到种种限制,我国未能获得军品级的相关产品或技术而国内在油液金属磨粒在线监测传感器的研究较少,较有影响力的有南京____大学利用电荷效应制作了相关的油液分析传感器但电荷效应传感器制作工艺要求较高,而且油液金属磨粒携带的电荷量十分的微弱,需要经过__的调制与解调技术,所以传感器监测电路复杂,__处理困难D.推荐者情况及对作品的说明说明1.由推荐者本人填写2.推荐者须具有高级专业技术职称,并与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员(教研组__)推荐亦可3.推荐者填写此部分,即视为同意推荐4.推荐者所在单位人事部门签章仅被视为对推荐者身份的确认推荐者
(一)情况姓名性别年龄职称工作单位通讯地址____单位______推荐者所在单位人事部门签章(签章)年月日请对申报者申报情况真实性做出阐述请对作品的意义、技术水平、适用范围及__前景做出您的评价推荐者二情况姓名性别年龄职称工作单位通讯地址____单位______推荐者所在单位人事部门签章(签章)年月日请对申报者申报情况真实性做出阐述请对作品的意义、技术水平、适用范围及__前景做出您的评价学校__协调机构确认并签章(签章)年月日E.__委员会秘书处资格和形式审查意见组委会秘书处资格审查意见审查人(签名)年月日组委会秘书处形式审查意见审查人(签名)年月日组委会秘书处审查结果□合格□不合格负责人(签名)年月日F.参赛作品打印处附图2传感器线圈附图3传感器监测电路模块2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项作品说明书电涡流式油液监测传感器摘要油液监测技术就是通过对设备在用润滑油的理化性能指标、磨损金属和污染杂质颗粒的定期跟踪监测,及时了解掌握设备的润滑和磨损状态信息,诊断设备磨损故障的类型、部位和原因,为设备维修提供科学依据,设备状态维修和润滑管理方针,从而防止机械设备重大事故的发生,降低维护成本油液监测是实现现代预防维修方法的重要手段与传统的油液离线监测技术相比,而本文中的油液监测系统采用平面PCB线圈在线监测技术其主要的特点有平面PCB线圈传感器体积小,灵敏度高,成本低,能检测铁磁性金属磨粒与非铁磁性金属磨粒针对传统的油液检测(主要是离线油液分析),不仅不能及时发现和预防机械设备故障,还大大的增加取样人工成本和分析时间成本,和现有的在线油液监测系统的传感器体积大、成本高等缺点,本文提出了一种基于PCB平面线圈的油液磨粒检测系统本文详细介绍了监测系统的传感器的电磁仿真与结构设计原理及其检测电路分析与设计使用AnSoft__xWell电磁仿真软件进行平面线圈的电磁仿真,确定PCB平面线圈的结构电路设计主要包括电源电路、正弦波发生器、电桥转换电路、检波电路、AD转换及诺基亚5110液晶屏显示电路最终将油液磨粒引起的PCB线圈电感值的变化转换成电路电压幅值的变化通过液晶屏显示测试结果表明,采用PCB平面线圈实现油液磨粒在线监测是可行的当有微小金属磨粒通过PCB线圈上表面时,液晶屏显示的电压幅值发生变化,且灵敏度高,满足油液磨粒监测系统的设计要求,同时为以后微型传感器引入油液磨粒监测技术提供了一种可行的设计方案
1.国内外相关技术的发展
1.1研究现状近年来,油液监测技术领域的研究和__的热点集中在在线油液监测方法先后出现过不同原理的在线监测仪在线磨粒监测传感器主要分为:电磁型、导电型、光电型和超声波型等四个大类其中,电磁型传感器主要包括磁塞传感器、磁导率传感器、电磁滤网、霍尔传感器和定量、感应式磨屑传感器;导电型磨粒监测传感器主要包括电阻型传感器、电容型传感器;光电型磨粒监测传感器主要包括磨粒计数器与激光扫描传感器、旋转式新型光学磨粒监测传感器、CMOS磨粒图像传感器、嵌入式X射线荧光传感器下面分别介绍四大类型传感器中典型的传感器检测原理磨粒在线监测技术中,国外具有代表性的___GASTOPS公司生产的MetalSCAN金属磨粒传感器,美国Foxboro公司研制的应用于958PF型在线铁谱仪还有由美国太平洋科学仪器公司研发的HIAC/ROYCO系列多通道自动磨粒计数器并且在各类战机、军舰、民用机器设备中广泛应用,取得良好的经济效益和安全效益而国内在油液金属磨粒在线监测传感器的研究较少,较有影响力的有南京____大学利用电荷效应制作了相关的油液分析传感器但电荷效应传感器制作工艺要求较高,而且油液金属磨粒携带的电荷量十分的微弱,需要经过__的调制与解调技术,所以传感器监测电路复杂,__处理困难还有西安交通大学研制的__柴油机在线监测系统,其传感器为容栅型电容传感器
1.2研究目的与意义油液检测技术在国外已经得到了广泛的__与应用,技术也是日益成熟,各类油液检测产品层出不穷但在国内该技术还不够成熟,有待进一步研究发展同时针对目前一些螺旋电感式传感器体积大,电容式传感器结构复杂__困难,光学型传感器成本高等特点,本文提出一种电涡流式基于PCB平面线圈传感器的油液磨粒检测方法该传感器具有结构简单,灵敏度高,线性范围大,抗干扰能力强,非接触测量,成本低等特点意义在于为微型传感器加入油液磨粒监测技术提供一种可行的方法,缩小传感器体积,降低监测成本
1.3研究的主要内容本作品的主要内容为1了解油液磨粒的主要特性,确定油液检测的主要对象;2了解电磁仿真的过程,选择电磁仿真软件,建模并进行电磁仿真;3通过仿真确定PCB平面线圈的最佳尺寸;4熟悉电涡流式传感器的检测原理,学习相关的理论基础知识,提出传感器检测方案和方法;5系统方案设计、硬件电路设计,程序设计,调试并进行改善;6实际效果验证,并作进一步完善系统;
2.电涡流式传感器的理论基础与设计
2.1电涡流式传感器变换原理电涡流式传感器能将非电量转换成电参数的量值大致如图2-1所示图2-1电涡流式传感器转换原理
2.2电涡流传感器的工作原理电涡流式传感器是基于电涡流效应工作的当通过导体的磁场发生变化时,就会在导体内感应出闭环电流,称之为电涡流,它要消耗一部分磁场的能量并产生于原磁场反向的磁场,是产生原磁场的线圈的阻抗和品质因数发生变化的现象,称之为电涡流效应如图2-2是电涡流作用的一般原理图当一个扁平线圈置于被测导体处,线圈中通以交流I1时,线圈周围就会产生交变磁场H1,由于电磁感应定律可知,由于H1的作用,在导体中就会感应出感应电流,由于此电流为闭合电流称电涡流I1,它又会产生一个与H1的作用相反的磁场H2,从而使线圈中阻抗、电感、品质因数发生变化,这种变化反映了被测物体的电涡流效应的作用图2-2电涡流测量原理
2.3电涡流式传感器的理论基础本文设计电涡流式传感器的结构主要是一个扁平线圈,所以设计问题主要是平面线圈的设计设计任何传感器时总是希望灵敏度高、工作线性范围大在电涡流式传感器中,其灵敏度和线性度主要受线圈产生的磁场分布情况的影响磁场沿径向分布范围大时,则线性范围大,磁场沿轴向梯度大,则灵敏度高,他们与传感器线圈的尺寸有关根据这些关系就可以确定线圈的形状和尺寸,而线圈的形状和尺寸与磁感应强度B值有关
2.4工作线圈的设计实际的工作线圈是一个螺旋结构的平面线圈,其产生的磁场可以由相应的一系列的同心单匝线圈产生的磁场叠加而成,如图2-3所示图2-3等效同心圆单匝线圈图2-4扁平线圈磁场计算图如图2-4,设𝑅a为线圈内径;𝑅b为线圈的外径;c为线圈的厚度;N为线圈的匝数;A为线圈平__当给线圈通以交流电流I时,则其单位__上的电流密度为则通过截__dx∙dy处产生的圆形电流元的电流为该电流在轴线上任意点x处产生的磁感应强度为dBp;故整个平面线圈在轴线上任意一点产生的磁感应强度BP为式中x1就是扁平线圈到导体间的距离,可用x替换,上式变为根据式(2-9)计算不同尺寸的平面线圈的灵敏度和线性范围的关系表格1图2-5表2-1线圈几何尺寸与线性范围的关系线圈组编号线圈编号内径Ra/mm外径R/mm厚度c/mmA
10.
753.
5320.
757.53B
30.
757.
51.
540.
7512.
51.5C
50.
757.
5161.
257.51(a)(b)(c)图2-5线圈几何尺寸对灵敏度的影响从表2-1和图2-5可知:1线圈外径Rb大,线性范围大,灵敏度低;2外径Rb越小,线性范围小,灵敏度高;3线圈越薄(c越小),灵敏度越高;4内径Ra对灵敏度影响不大;
2.5平面线圈式传感器结构的选择平面线圈式传感器主要有三种结构(图2-6所示);包括圆形平面结构,矩形平面结构和多边形平面结构(a)bc图2-6平面线圈的三种形状圆形平面结构是比较常用的一种,其结构相对简单,计算容易而本设计采用的是矩形平面螺旋式结构
2.6矩形平面线圈的电感计算矩形平面线圈电感值的计公式(图2-7)式中u0为真空磁导率;w为线圈匝数;b为线圈中心线圈的长度;c为线圈中心线圈的宽度;r为线圈的宽度;a为线圈的厚度;当线圈形状为正方形时,b=c图2-7线圈参数
3.平面线圈式传感器的电磁仿真根据上述传感器磁场的理论分析,其计算公式复杂,难度大,且很难形象的表示出平面线圈的电磁分布情况故可以采用电磁仿真软件对平面线圈进行进一步的电磁仿真,也同时为后续传感器的设计提供可靠的依据
3.1电磁仿真软件的选择本设计采用ANSOFT__XWELL16软件进行电磁场仿真__XWELL3D向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器使得__XWELL3D成为业界最佳的高性能三维电磁设计软件可以分析涡流、位移、集肤效应和邻近效应具有不可忽视的作用的系统,得到电机、变压器、线圈等电磁不见得整体特性功耗损耗、线圈损耗、某一频率下的阻抗(R和L)、力矩、转矩、电感等储能参数都可以自动计算同时也给以调出仿真后的相位的磁力分布线、B和H、能量密度等图像结果
3.2有限元分析理论基础电磁场的理论是基于19世纪麦克斯韦提出的宏观地磁现象的数学模型而建立,称之为麦克斯韦方程组,其微分形式的表达式如下麦克斯韦-安培定律拉第电磁感应定律高斯电通定律∇∙E=ρ高斯磁通定律∇∙B=0式中H——磁场强度(A/m);i——电流密度(A/m2);D——电位移矢量(C/m2);E——电场强度(V/m);B——磁通量密度(T);ρ——电荷密度(C/m3);此后的电磁场分析理论均由此方程组推导而来,相关的电磁场分析就是针对上述的参数进行分析
3.3电磁场有限元分析仿真模型的建立用ANSOFT__XWELL16建立好模型后,再导入__XWELL16进行计算本设计为矩形平面线圈,线宽线间距均为
0.127mm线匝数为18圈线圈厚度
0.03mm1oz图3-1矩形平面线圈模型图
3.4电磁场有限元分析参数设置设置磁场求解器为涡流场(eddycurrent),设置模型的材料属性为铜(copper:相对相对磁导率为
0.999991,电导率为58000000siemens/m)设计采用阻抗边界条件添加正弦型号激励源添加模型的电感值计算参数设置求解域设置以上步骤后,进行求解参数的设置最后进行仿真
3.5有限元分析结果及后处理仿真结果电磁分布图如图3-2所示从电磁分布可以看出,线圈直角处有电磁集中分布现象图3-2平面线圈电磁分布图
4.传感器测量电路及处理电路的设计
4.1交流电桥电路交流电桥是一种比较式仪器,在电测技术中占有重要地位它主要用于测量交流等效阻抗及其时间常数,电容及介质损耗;自感及线圈品质因数和互感等电参数的精密测量,也可以用于非电量变换为相应电量参数的精密测量交流电桥可分为阻抗比电桥和变压器电桥两类经过上述方案对比,本设计采用阻抗比电桥形式(图4-1)它将传感器线圈的阻抗变化变换为电压的变化传感器的线圈作为电桥电路的两个臂一个作为测量线圈A,一个作为温度补偿线圈B起始时,电路处于平衡位置当测量线圈的阻抗发生变化时,电桥失去平衡,引起输出电压U0变化再通放大、检波、滤波处理,可输出直流电压__交流电桥电路具有灵敏度高,可调零等特点图4-1交流电桥原理图根据电路有式中U为振荡器供给电桥电路的电源电压;所以输出电压为式中∆L=L1−L2,L=L1+L2振荡器电源频率为本设计中两个线圈传感器是一样的,电感值相等,L1=L2因此式4-6,可变为确定供电电源频率因为常用的电容参数值比较有限,不容易搭配所以首先通过确定电容值再计算出供电电源频率这里取C=
0.33uF由于本设计的PCB平面线圈传感器是四层结构通过公式计算非常复杂,效率太低因此采取使用万用表直接对线圈电感值的测量通过测量其电感值L=20uH通过式4-7计算可得电源供电频率为100KHZ
4.
2.传感器检测电路的设计
4.
2.
1.传感器检测电路设计的总体框图电桥电路需要经过后续放大,检波,滤波等电路处理后才能输出直流电压,方便后续的参数测量首先需要知道交流电桥两端的电压__为两路调制__这里有两种方案第一种是首先将两路调制__进行差分放大,再进行检波、滤波、放大处理,最终得到直流电压__第二种是将两路调制__分别进行放大、检波、滤波,变成两路直流电压__最后将两路电压直流电压__进行差分放大,在进行测量第一种方法简单,使用的电子元器件较少,但对差分放大器的性能要求较高第二种方法相对于第一种方法多了一路检波、滤波、放大电路但一般的差分放大器即可满足设计要求所以,本设计采用第二种方法电路检测总体方案模块图如图4-2所示图4-2电路检测总体框图
4.
2.2正弦__发生器电路设计本设计采用__x038芯片作为正弦__发生器主电路图4-3__x038正弦__发生电路由于该芯片输出电压峰峰值Vp−p=2V;驱动负载为100Ω为了提高其负载能力,增大输出电压幅值需要进行电压放大,功率放大处理这里采用单运放OPA604和BUF634芯片BUF634输出电流达到250__带宽大,完全满足本设计要求输出电压Vout=R32/R34,R32采用可调电阻,因此输出电压幅值可调,方便后续电路的调试电路如图4-4所示图4-4放大电路
4.
2.3检波电路设计激励电流__输入交流电桥电路时,交流电桥两臂输出频率和激励__频率一致,幅值变小的正弦__当PCB平面线圈上表面有金属磨粒时,便会使平面线圈的阻抗值发生变化,变会使输出的正弦__幅值发生变化输出的__其实就是一个调制__为方便后续电路的处理需要先将调制__进行解调也成为检波本设计使用全波检波图4-5全波检波电路图4-6全波检波波形图运算放大器采用具有转换精度高,低温漂的运放OP37该运放完全满足设计要求
4.
2.
4.低通滤波器电路设计__经过全波检波后,需要将载波__的高频__除去,让低频直流__通过,此步骤为此设计低通滤波器而有源低通滤波器可以通过运放对衰减的__进行适当的倍数放大,有效的解决了无源低通滤波器存在的缺点但电路结构相对复杂其主要有巴特沃斯低通滤波器和切比雪夫低通滤波器前者在通频带频率响应慢,曲线波动小,平滑,但在截止频率后有一段有比较长的频率响应过渡带后者在通频带频率响应快,但是曲线波动比较大在截止频率后,其过渡带比较陡两者的频率响应曲线对比如图4-7图4-7巴特沃斯和切比雪夫滤波器频率响应曲线对比图本设计采用TI公司的FilterProDesktop软件设计滤波器使用该软件只要输入相应的参数,会自动生成相应的电路结构,包括元件的的参数大大提高了设计效率本软件低通滤波器主要有压控电压源Sallen-key型(图4-8)和无限增益多路反馈(Multiple-feedback)型(图4-9)后者是具有反相的二阶滤波器拓补结构,不需要隔离电阻器,需要的组件数量少图4-8Sallen-key型滤波器电路结构图4-9无限增益多路反馈型滤波器本设计采用Sallen-key型滤波器结构滤波器通频为500HZ,截止频率为2KHZ,通带增益为2在软件窗口输入以上参数(图4-10)自动生成滤波器电路结构(图4-11)图4-10参数输入窗口图4-11四阶低通滤波器电路原理图最终电路为四阶低通滤波器运放选用OP37品质因数Q=
1.31幅频特性曲线如图4-12图4-12低通滤波器幅频特性曲线
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2.
5.差分放大器电路设计两路__经过检波滤波后已经是直流电压__了后续需要将这两路直流__进行差分放大处理差分放大电路可由单运放组成差分输入放大器放大,也可由多个运放组成的精密仪表放大器这两种电路结构复杂,对元器件的要求较高本设计采用通用精密仪表放大芯片INA___由上述传感器检测电路的设计,初步实现了电桥转换电路,检波滤波电路最终得到两路直流电压__
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3.模数转换及采集电路设计系统最终用ADS1232模数转换芯片将调理电路得到的直流电压__采集主控芯片为STC12,LCD5110作为显示
5.单片机程序设计所有硬件电路设计好后,进行单片机程序设计程序设计主要是控制A/D芯片进行数模转换,诺基亚5110液晶显示程序框图如图图5-1程序流程框图
6.传感器制作、调试、实验及优化
6.1传感器制作结合仿真结果制作的PCB平面传感器(图6-1)图6-1PCB平面线圈整体系统如图6-2图6-2系统整体实物图
6.2观察各模块输出波形
(1)正弦__发生器波形如图6-3图6-3正弦__发生器输出波形图
(2)检波电路输出__与原始__对比(图6-4)1为全波检波后的__,2为原始__图6-4检波后与原始__波形对比最后可以调节每个运放的旁边的可调电位器能有效的改善相应输出波形的失真,使波形曲线更加的顺滑
6.
3.添加磨粒完成了系统的调试后,现在可以在PCB平面线圈表面添加磨粒,观察幅值的变化由于实验条件的限制,只能把直插电阻的引脚丝剪碎来充当磨粒(为铁磁性材料)有磨粒时(直径
0.38mm长度3mm),幅值改变如图6-5a图为未添加磨粒时,其幅值为
0.1mV;b为加磨粒后,其幅值为+
10.4mV(a)加入磨粒前(b)加入磨粒后图6-5添加磨粒前后的幅值变化当添加非铁磁性材质的磨粒时如铜,颗粒较小时,__电压幅值几乎没有什么变化当颗粒较大时,才能看到明显的变化,且是使幅值减少
7.总结油液磨粒检测传感器在油液检测系统中占着举足轻重的地位,要想设计一个具有优良特性的传感器也非易事本设计首先通过理论基础知识分析得出磁感应强度和线圈尺寸的关系,再通过ANSOFT__XWELL软件对PCB平面线圈传感器进行了进一步的分析,得出传感器的电磁分布情况,后续完成了电路原理图,PCB设计制作了传感器,__调理,检测及模数转换电路板,最后编写了单片机程序,实现了电路__幅值在线显示从研究到设计再到最后的成品的实际效果的验证得出以下几点1)磁感应强度随着线圈尺寸的增大分布越广,但分散线圈的线性范围广,但灵敏度越低为了增大线圈的灵敏度,可减少线圈的平面尺寸,减少线圈的先距、线宽,增加PCB线圈的层数2)通过ANSOFT__XWELL软件进行了线圈的电磁仿真,从线圈磁场分布分布来看,线圈中心位置颜色较深,说明磁感应强度越强在线圈的直角处有明显的电磁场集中现象这也是矩形线圈的一个弊端3)本电路设计基本完成了系统电压幅值的在线监测但由于系统精度要求高,对系统各电路设计的PCB布线,元器件的选择,__稳定性,环境因素等要求比较高因此虽然基本可以显示__电压幅值的监测,但是还是存在一定的不稳定有待进一步优化电路,改善系统性能比如优化PCB布线细则,选择性能参数更好的运放由于时间的限制和能力有限,基于PCB平面线圈的油液磨粒检测系统还有待进一步的完善比如,提高系统的稳定性;需要通过大量实验验证,确定__电压幅值与润滑油污染程度的关系;设定电压幅值的__值,实现在线监测__;完善系统,良好的人机界面或编写上位机截面与数据库,记录、保存并查看数据____
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