[發明專利]一種基于FPGA的發動機尾氣金屬磨粒收集系統及方法

有效

• 申請號: 201510011609.3
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104568516B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 莊健;涂庭瑞;李澤清
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N1/20
• 分類號: G01N1/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明屬于發動機故障診斷領域，涉及一種針對磁力及流量聯合控制的方法，具體涉及一種基于FPGA的發動機尾氣金屬磨粒收集系統及方法。

背景技術

發動機的故障診斷技術主要有維修性診斷和預防性診斷兩個方面。維修性診斷主要針對已暴露出來的故障進行診斷。預防性診斷則主要針對的是發動機尚未出現明顯故障時，對其進行的全面技術狀況檢查和預測。對于越來越復雜的發動機構造來說，采取一種實時有效簡單的方式來來監控和預測發動機可能產生的故障是十分重要的，因此針對預防性診斷的研究對我們來說意義顯得更加重大。目前發動機的預防性診斷研究主要集中在研究發動機內部機械副運動產生的金屬磨粒方面。相對于之前有過的磨粒分析設備，例如鐵譜儀等只能通過磨粒產生的電磁效應來判斷磨粒的大小的方法而言，采用一種方法將產生的磨粒進行收集，利用掃描離子電導顯微鏡及掃描電化學顯微鏡觀察收集到的金屬磨粒的三維幾何信息和電化學分布信息(如表面氧化情況)，對磨粒進行統計分析，可以得到磨粒產生的原因，可以更全面的推測出發動機中摩擦副與零件的表面狀況，預測出可能產生故障的位置。發動機內部產生的金屬磨粒主要來源于潤滑油和尾氣兩部分，潤滑油中包含的金屬磨粒是當前研究的重點，并且已經取得了重大的科研進展，但針對尾氣中金屬磨粒的研究卻開展的較少，尾氣中包含的金屬磨粒對于判斷發動機活塞及油路中的故障具有重要的研究價值，設計一套完整的系統對其進行收集，可供后續的故障診斷和研究，這也是本專利的目的所在。

發動機運行過程中產生的金屬磨粒會隨尾氣噴射出來，呈現出較高速的粒子狀態，尺寸在微米級別，因此需要特別的裝置對其進行收集。發動機內部的部件大部分由鐵磁性的金屬構成，只要能夠收集足夠的鐵磁性金屬磨粒，就能夠對發動機故障診斷提供參照。設計一種裝置使磨粒在尾氣噴出過程中分離，并且使用傳感器對收集狀況進行監測，是本裝置需要解決的問題。

發明內容

本發明的目的是對發動機的尾氣中的金屬磨粒進行收集，提供出一種切實有效的理論和操作方法，集收集與監測于一體，可以高效的完成收集任務，并盡量降低成本，為未來的市場化打好基礎。

為達到以上目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于FPGA的發動機尾氣金屬磨粒收集系統，包括基于FPGA平臺上的USB通信單元和用于統一FPGA平臺上各單元的操作時序的時鐘單元；FPGA通過USB通信單元與上位機相交互；FPGA上還連接有用于控制勵磁線圈輸出可變電流的可控恒流源、用于控制步進電機轉向機旋轉量的電機驅動單元以及氣體流量傳感器和用于檢測磨粒收集效果的電磁感應線圈；發動機尾氣由安裝于發動機尾噴口上的三通T形石英管的橫管進入輸出管道，勵磁線圈纏繞在三通T形石英管中部的縱管上，電磁感應線圈纏繞在三通T形石英管的橫管上；氣體流量傳感器安裝于三通T形石英管的氣體進口處。

所述FPGA通過D/A轉換單元輸出可變電壓控制信號到可控恒流源上，使恒流源為勵磁線圈輸出可變電流。

所述FPGA通過A/D轉換單元采集氣體流量傳感器輸出的流量模擬信號和電磁感應線圈輸出的感應電動勢模擬信號，流量模擬信號和感應電動勢模擬信號經A/D轉換單元轉化成為數字信號，輸入到FPGA中進行信號處理；所述FPGA上還設置用于對數字信號和模擬信號進行放大、濾波處理的信號調理單元。

所述發動機尾噴口處依次安裝針型閥、氣體流量傳感器、三通T形石英管以及輸出管道，氣體流量傳感器和電磁感應線圈所采集到的數據經FPGA處理后反饋給上位機，上位機處理后發出控制指令控制步進電機，由步進電機控制針型閥調節氣體的流量。

所述三通T形石英管上纏繞有兩組感應線圈。

所述氣體流量傳感器采用能夠將流量范圍為0～200L/min的氣體流量值以1～5V電壓信號的形式輸出的AWM720P1氣體流量傳感器。

一種基于FPGA的發動機尾氣金屬磨粒收集方法，包括以下步驟：

1)將USB通信單元與上位機連接，將電機驅動單元與步進電機的接口相連，將D/A轉換單元與可控恒流源的接口相連，將可控恒流源與勵磁線圈的接口相連，將A/D轉換單元與氣體流量傳感器及電磁感應線圈的接口相連；

2)將針型閥的氣體入口管道接在發動機尾噴口上，并依次連接氣體流量傳感器、三通T形石英管以及輸出管道；啟動發動機；控制部分通電后進行初始化操作，定量氣體的流量及流速；

3)FPGA輸出勵磁線圈的初始電流值，經過D/A轉換后控制可控恒流源輸出電流到勵磁線圈上，產生相應的電磁力，對尾氣中的金屬磨粒進行吸附使其偏轉；