油液金属磨粒检测传感器仿真分析及试验研究

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在内燃机中,润滑油液有润滑、清洁、冷却、密封、抗氧化等作用。随着内燃机的运行,润滑油液也在不断被污染。在各类污染物中,金属磨粒由于硬度高,极其容易造成内燃机的磨损,甚至引发内燃机故障,因此实现对油液中金属磨粒的检测便显得十分重要。本文基于电磁感应原理设计一种电感式金属磨粒检测传感器,主要内容包括:建立电感式金属磨粒检测传感器的数学模型,确立电感变化率与金属磨粒尺寸、相对磁导率、线圈匝数等参数的数学关系式。对传感器的基本结构进行设计,提出两种对金属磨粒的进行检测的方法。通过Ansoft Maxwell电磁场仿真软件对本文设计的传感器进行有限元仿真,主要包括传感器静态磁场的仿真和瞬态磁场的仿真。仿真结果表明,传感器内部磁感应强度轴向变化小于5mTesla,径向变化小于6.8mTesla,呈对称分布,近似均匀;50~400μm尺寸金属磨粒引起感应电动势的峰值范围是3.3248~2147.9nV;传感器对铁磨粒和铜磨粒的频率响应(频率变化率)的范围分别是-0.3694%~-0.001109%和0.0005751%~0.1029%;磨粒运动速度、径向位置引起的磨粒尺寸统计误差不超过50μm;感应电动势峰值与线圈匝数成正比关系,频率变化率随线圈匝数增大而减小。根据电容三点式振荡电路的原理,设计传感器的检测电路。基于LabVIEW软件,以Keysight 53230A型频率计为主要硬件,建立传感器的数据采集系统。基于小波变换对传感器的输出信号进行信号处理;经过小波降噪,采集信号基准频率附近的噪声干扰得以减小,小磨粒信号得以表达。对设计的传感器进行试验研究,主要包括金属磨粒标定试验和发动机油路循环试验。金属磨粒标定试验表明:传感器能够检测的铁磨粒的最小尺寸为50μm,铜磨粒的最小尺寸为100μm;在铁磨粒进行标定试验中,试验值与仿真值相对误差在1.1529%~3.7413%之间,在铜磨粒标定试验中,试验值与仿真值相对误差在2.6786%~7.3904%之间。对丰田8A发动机的油路循环试验表明,数据采集和信号处理系统运行良好;传感器能够检测到发动机润滑油液中的金属磨粒,并有效区分了油液中的铁磨粒和铜磨粒,根据检测到的金属磨粒均在0~150μm尺寸范围,可知发动机当前属于正常磨损阶段。
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