电涡流式油液监测传感器申报材料.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除编号：_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（集体项目）说明：1必须由申报者本人按要求填写。2申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列。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邮政编码541004办公电话常住地通讯地址广西桂林电子科技大学花江校区邮政编码541004住宅电他作者情况姓 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作者是否为2015年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。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、电信、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推广与应用，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加工困难，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、舰艇等，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 MaxWell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。以不含磨粒的油液信号作为背景信号，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信号，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，经过信号放大，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报警及提示，方便、安全、环保。3、通过对微弱交流信号的放大滤波后采用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，安装使用简单方便，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、及检测信号及其微弱，因此对传感器的设计和信号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、颗粒浓度与电压信号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信号检测、调理、采集及信号的分离提取。4、传感器的激励电源、信号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，信号的检测属于微弱信号检测，需要对微弱信号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信号（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参考文献资料）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，国外具有代表性的加拿大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航空航天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，需要经过信号的调制与解调技术，所以传感器监测电路复杂，信号处理困难。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MaxWell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。通过对微弱信号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，最终将输出信号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。参考文献1华成英，童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006.52赵博，张洪亮.Ansoft 12在工程电磁场中的应用M.北京：中国水利水电出版社，2010.13单成祥，牛彦文，张春. 传感器设计基础M.北京：国防工业出版社，2007.94范立南，谢子殿.单片机原理及应用教程M.北京：北京大学出版社，2006.5张建民.传感器与监测技术M.北京：机械工业出版社，2000.6郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略M.北京：电子工业出版社，2009.7唐晓莉，苏桦，张怀武.一种新型无芯PCB平面电感器研究J.电子器件：第25卷第4期2002年12月.8聂典，丁伟.Multisim 10计算机仿真在电子电路设计中的应用M.北京：电子工业出版社，20099 张睿. Altium Designer 6.0 原理图与PCB 设计M. 北京: 电子工业出版社, 2007.10 吕俊芳, 钱政, 袁梅. 传感器调理电路设计理论及应用M. 北京: 北京航空航天大学出版社,2010.11 郑晓虎. 基于平面线圈的微传感器及其制造技术研究D. 南京: 南京航空航天大学博士学位论文, 2007.12 谭祖根, 汪乐宇. 电涡流检测技术M. 北京: 原子能出版社, 1986.13 殷勇辉, 严新平, 萧汉梁, 等. 磨粒监测电感传感器设计，传感器技术J.2003, 22 (7): 3641. 14 Y.H. Yin, W.H. Wang, X.P. Yan, et al. An integrated on-line oil analysis method for conditionmonitoring. Measurement Science and TechnologyJ, 2003, 14: 19731977.15L. Guan, X.L. Feng, G. Xiong, et al. Application of dielectric spectroscopy for engine lubricationoil degradation monitoring. Sensors and Actuators AJ, 2011, 168: 2229.作品在何时、何地、何种机构举行的评审、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 现场演示图片 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推广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报警和提示，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安装该传感器，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，国外具有代表性的加拿大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航空航天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，需要经过信号的调制与解调技术，所以传感器监测电路复杂，信号处理困难。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（教研组集体）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邮政编码单位电话住宅电话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、适用范围及推广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邮政编码单位电话住宅电话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、适用范围及推广前景做出您的评价学校组织协调机构确认并签章（签章）年 月 日E组织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 MaxWell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开发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，国外具有代表性的加拿大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航空航天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，需要经过信号的调制与解调技术，所以传感器监测电路复杂，信号处理困难。还有西安交通大学研制的舰艇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推广与应用，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加工困难，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：a为线圈内径；b 为线圈的外径；c 为线圈的厚度；N 为线圈的匝数；A 为线圈平面积。当给线圈通以交流电流I时，则其单位面积上的电流密度为则通过截面积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a /mm外径 / mm厚度 c/ mmA10.753.5320.757.53B30.757.51.540.7512.51.5C50.757.5161.257.51（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） (b) (c)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 MAXWELL 16 软件进行电磁场仿真。MAXWELL3D：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 MAXWELL 3D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 = 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）；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 MAXWELL 16建立好模型后，再导入MAXWELL 16 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0.03mm(1oz)。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（eddy current），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，可输出直流电压信号。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信号为两路调制信号。这里有两种方案：第一种是首先将两路调制信号进行差分放大，再进行检波、滤波、放大处理，最终得到直流电压信号。第二种是将两路调制信号分别进行放大、检波、滤波，变成两路直流电压信号。最后将两路电压直流电压信号进行差分放大，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正弦信号发生器电路设计本设计采用Max038 芯片作为正弦信号发生器主电路。图4-3 Max038 正弦信号发生电路由于该芯片输出电压峰峰值Vpp = 2V；驱动负载为 100。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250mA,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信号输入交流电桥电路时，交流电桥两臂输出频率和激励信号频率一致， 幅值变小的正弦信号。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，变会使输出的正弦信号幅值发生变化。输出的信号其实就是一个调制信号。为方便后续电路的处理需要先将调制信号进行解调(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信号经过全波检波后，需要将载波信号的高频信号除去，让低频直流信号通过，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信号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FilterPro Desktop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4.2.5.差分放大器电路设计两路信号经过检波滤波后已经是直流电压信号了。后续需要将这两路直流信号进行 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INA114。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信号。4.3. 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信号采集。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6-1 PCB 平面线圈整体系统如图6-2图 6-2 系统整体实物图此文档仅供学习与交流6.2观察各模块输出波形（1）正弦信号发生器波形如图 6-3。图 6-3 正弦信号发生器输出波形图（2）检波电路输出信号与原始信号对比（图 6-4）。1 为全波检波后的信号，2 为原 始信号。图6-4检波后与原始信号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 6-5。a 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，信号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 MAXWELL 软件对 PCB 平面线圈传