[發明專利]一種高靈敏度的微小金屬顆粒在線檢測系統及方法

有效

• 申請號: 201611073681.X
• 申請日: 2016-11-29
• 公開（公告）號: CN107340544B
• 公開（公告）日: 2019-09-03
• 發明（設計）人: 鄭長松;陳漫;賈然;杜秋;李慧珠;高震;閆書法
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01V3/11
• 分類號: G01V3/11
• 代理公司: 北京遠創理想知識產權代理事務所(普通合伙) 11513
• 代理人: 張素妍

1.一種基于高靈敏度的微小金屬顆粒在線檢測系統的檢測方法，其特征在于：該系統包括傳感器模塊、信號激勵及采集模塊和計算機；所述傳感器模塊與所述信號激勵及采集模塊進行信息交互；所述傳感器模塊用于接收所述信號激勵及采集模塊傳輸至的激勵信號，對微小金屬顆粒進行在線檢測，并將檢測到的信號傳輸至所述信號激勵及采集模塊內進行處理，處理后的信號傳輸至所述計算機內；

所述傳感器模塊包括第一激勵線圈、第二激勵線圈、第一諧振激勵電容、第二諧振激勵電容、感應線圈、諧振感應電容和線圈基體；

所述第一激勵線圈、第二激勵線圈和感應線圈都繞制在所述線圈基體上；所述第一激勵線圈、第二激勵線圈位于所述線圈基體兩側，所述第一激勵線圈與所述第二激勵線圈相鄰的一端經第一連接線串聯，所述第一激勵線圈另一端經第二連接線與所述第二激勵線圈串聯；位于所述第一連接線與所述第二連接線之間依次并聯設置有所述第一諧振激勵電容、信號激勵及采集模塊和第二諧振激勵電容，且所述第一諧振激勵電容位于所述第一激勵線圈一側，所述第二諧振激勵電容位于所述第二激勵線圈一側；所述感應線圈位于所述線圈基體中部，所述感應線圈兩端引出線之間并聯所述諧振感應電容后輸出，與所述信號激勵及采集模塊連接；

所述信號激勵及采集模塊包括信號激勵源和信號采集處理模塊；所述信號激勵源并聯在所述傳感器模塊內的第一連接線與第二連接線之間，所述信號采集處理模塊與所述傳感器模塊內的感應線圈輸出端連接；

所述信號激勵源包括兩個方波激勵信號輸入端、兩個信號升壓放大器和兩個信號整形模塊；每一所述方波激勵信號輸入端都將方波激勵信號傳輸至一所述信號升壓放大器處理后，傳輸至一所述信號整形模塊，經所述信號整形模塊處理后傳輸至所述第一激勵線圈或所述第二激勵線圈；所述信號采集處理模塊包括諧振放大器、50Hz工頻濾波器、抗混濾波器、鎖相放大器和AD轉換器；所述感應線圈傳輸至的信號經所述諧振放大器放大處理后，依次經所述50Hz工頻濾波器、抗混濾波器和鎖相放大器處理后，傳輸至所述AD轉換器，經所述AD轉換器模數轉換處理后輸出感應信號；

所述第一激勵線圈、第二激勵線圈、第一連接線、第二連接線和感應線圈都采用直徑為0.2mm的銅質漆包線；

所述第一激勵線圈和第二激勵線圈匝數相同且繞制方向相反；所述感應線圈的匝數大于所述第一激勵線圈或所述第二激勵線圈的匝數，方向任意設置；

所述第一激勵線圈和第二激勵線圈的匝數均采用255匝，所述感應線圈的匝數為300匝；

在所述傳感器模塊外部設置有傳感器殼體，位于所述傳感器模塊與所述傳感器殼體之間還依次設置有磁屏蔽層和電屏蔽層，所述電屏蔽層靠近所述傳感器模塊，所述磁屏蔽層位于所述電屏蔽層外側；

所述線圈基體采用可加工陶瓷材料制成，其熱導率為1.71W/m.k；

所述檢測方法包括以下步驟：

1)第一激勵線圈、第二激勵線圈和感應線圈按照諧振條件匹配諧振電容；

2)當沒有金屬顆粒通過傳感器模塊時，激勵線圈靜態電感值為：

式中，μ₀為真空磁導率，N為線圈匝數，d₁為線圈平均直徑，a為線圈寬度，r為激勵線圈內徑；

兩激勵線圈互感值M為：

式中，λ_i＝d₂/(2k_i)，l_i為不同線圈間距離，d₂為線圈外徑；

3)信號激勵源向串聯連接的第一激勵線圈、第二激勵線圈通入方波激勵信號，則并聯回路幅頻特性為：

式中，ω₀為諧振角頻率，Q為LC并聯回路品質因數，ω＝2πf，f為激勵信號頻率；

4)金屬顆粒進入任一激勵線圈時會改變線圈磁阻，表現為線圈電感值發生變化；當半徑為r_a的鐵磁性顆粒進入到內徑為r寬為a的任一激勵線圈中時，所產生的電感變化量為：

所產生的電路阻抗變化ΔZ＝jωΔL，μ_r為相對磁導率；

激勵線圈采用諧振原理后，金屬顆粒引起的線圈阻抗的變化為：

式中，C為匹配諧振電容；

此時兩激勵線圈在感應線圈位置處產生的磁通量之差即為感應線圈磁通量變化，其值為：

ΔΦ＝ΔZ*I；

其中，I為方波激勵信號；

感應線圈輸出感應電動勢為:

E＝-jωNΔΦ；

5)由步驟4)得到的輸出感應電動勢幅值數量級為μV級，與外界噪聲信號為同一數量級，由感應線圈對微弱感應電動勢信號進行放大，其放大倍數為：

式中，f為激勵信號頻率；

6)經步驟5)進行放大后的微弱信號經工頻濾波和抗混濾波后，由鎖相放大器進行鎖相放大，最終感應線圈輸出電動勢：