多线圈电磁式的油液金属磨粒在线检测系统设计与实现
这是一篇关于电磁感应,金属磨粒,油液检测,信号处理的论文, 主要内容为机械核心部件(如航空发动机、轴承、齿轮等)运作时,磨损出的金属铁削杂质常常混杂在润滑油液之中,伴随着油液的不断流动进一步加重了机械设备的负担。因此,对机械核心部件的油液磨粒在线检测与及时预警就显得至关重要。当前,针对机械核心部件在线磨粒检测技术均呈现出不同的问题,如金属磨粒实时在线检测传感器灵敏度低、磨粒信号获取能力弱、磨粒分类识别精度低等问题。为了解决这些难题,本文基于多线圈电磁式的油液金属磨粒在线检测技术对机械设备油液中的金属磨粒进行检测与研究。首先,针对机械核心部件在线检测传感器灵敏度低的问题,本文以机械设备磨损出的金属磨粒为出发点,基于油液中金属磨粒的电磁学特征,设计了一种基于多线圈电磁式的微磨粒探测传感器,并建立了传感器的数学模型。基于COMSOL有限元仿真软件对影响传感器灵敏度是参数进行仿真分析,得出了传感器灵敏度与传感器参数的关系。基于粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)对传感器结构参数进行优化,确定了最优参数,从而完成了传感器的设计,并提升了其检测灵敏度。其次,针对磨粒信号获取能力弱的问题,根据传感器提取到的磨粒原始感应信号特征,设计了一种具有低噪声放大和无失真提取磨粒电磁感应信号的检测电路,其中包括放大、滤波、调理等部分,从而有效的获取机械部件间磨损颗粒的特征信息。同时,为了更加方便和直观的观测油液中磨粒的信息,基于PYQT5编写开发了一套上位机监测软件,使得磨粒个数、大小、种类及增长速度可以直观的展示出来,便于观察和分析机械设备的运行状态。最后,搭建系统实验研究平台,形成了基于电磁感应的油液金属磨粒在线检测系统。以不同磨损状态下铁、铜磨粒为研究对象进行磨粒监测实验。通过不同种类,不同大小的金属颗粒进行系统验证。最终,该系统可以实现对50μm以上铁磁性金属磨粒和200μm以上非铁磁性金属磨粒(铜)的有效检测。同时,对于铜颗粒识别准确率80%以上,对于铁颗粒识别准确率在90%以上。
高灵敏度油液磨粒检测传感器机理及检测装置设计研究
这是一篇关于金属磨粒,电磁感应,传感器,信号处理,数据采集的论文, 主要内容为机械设备在运行的过程中不可避免会产生金属磨粒,这些金属磨粒会进入到机械设备的油液系统中,并会随着润滑油进入到摩擦副中。由于这些金属磨粒的硬度相对一些摩擦副的接触面来说较高,会拉伤摩擦副表面,加剧设备产生异常磨损,从而影响到机械设备的正常运行,造成极其严重的经济损失。而要避免油液中的金属磨粒对机械设备造成不可挽回的损失,一个比较有效的方法是对油液中的磨粒进行及时地检测,并分析这些金属磨粒中蕴含的丰富的摩擦学信息,以此来及时监测机械设备的磨损状态,并在机械设备即将或正在发生异常磨损时发出预警。本文在电磁感应原理的基础上,应用高导磁材料设计了一种高灵敏度的油液磨粒检测传感器,并基于该传感器开发了一种便携式的油液磨粒检测装置。主要内容包括:根据电磁感应的基本原理,利用COMSOL Multiphysics 5.4软件对不同结构下传感器感应区域的磁场分布进行有限元分析,发现使用坡莫合金包裹两个串联的单层平面线圈这种结构时感应区域的磁场强度最强。对设计的油液磨粒检测传感器的检测性能进行相应的实验,发现使用坡莫合金完全包裹平面线圈这种结构可以在不增加传感器检测噪声值的基础上增大检测金属磨粒的信号值,其中检测80-90μm铁颗粒和140-150μm铜颗粒时使用坡莫合金完全包裹平面线圈这种结构的检测信号值分别是未使用坡莫合金的平面线圈的1.5倍和2.56倍;其次实验结果也表明使用坡莫合金完全包裹不同绕线方式的平面线圈对检测结果也有明显的影响。两个被串联的单层10匝平面线圈检测80-90μm铁颗粒和140-150μm铜颗粒时的信号值分别是使用一个双层的20匝的平面线圈这种结构的2.54倍和2.23倍。并且相较于传统的电感式磨粒检测装置,本研究设计的油液磨粒检测传感器的灵敏度得到明显提高,可以检测到10-15μm的铁颗粒以及65-70μm的铜颗粒。根据设计的高灵敏度磨粒检测传感器,选用合适的激励源、信号的处理电路以及数据的采集电路,并通过实验验证选用的激励源、信号处理电路和数据采集电路的可行性。最后根据检测装置的硬件进行便携式检测装置的外观、布局设计以及油样驱动系统设计,并通过实验验证了本研究设计的便携式油液磨粒检测装置的稳定性以及实际应用的可行性。本研究基于电磁感应原理与微流控检测技术,设计开发的便携式油液磨粒检测装置,在实际工程应用中具有非常重要的意义,为机械设备的油液的在线实时监测提供了技术支撑。
高灵敏度油液磨粒检测传感器机理及检测装置设计研究
这是一篇关于金属磨粒,电磁感应,传感器,信号处理,数据采集的论文, 主要内容为机械设备在运行的过程中不可避免会产生金属磨粒,这些金属磨粒会进入到机械设备的油液系统中,并会随着润滑油进入到摩擦副中。由于这些金属磨粒的硬度相对一些摩擦副的接触面来说较高,会拉伤摩擦副表面,加剧设备产生异常磨损,从而影响到机械设备的正常运行,造成极其严重的经济损失。而要避免油液中的金属磨粒对机械设备造成不可挽回的损失,一个比较有效的方法是对油液中的磨粒进行及时地检测,并分析这些金属磨粒中蕴含的丰富的摩擦学信息,以此来及时监测机械设备的磨损状态,并在机械设备即将或正在发生异常磨损时发出预警。本文在电磁感应原理的基础上,应用高导磁材料设计了一种高灵敏度的油液磨粒检测传感器,并基于该传感器开发了一种便携式的油液磨粒检测装置。主要内容包括:根据电磁感应的基本原理,利用COMSOL Multiphysics 5.4软件对不同结构下传感器感应区域的磁场分布进行有限元分析,发现使用坡莫合金包裹两个串联的单层平面线圈这种结构时感应区域的磁场强度最强。对设计的油液磨粒检测传感器的检测性能进行相应的实验,发现使用坡莫合金完全包裹平面线圈这种结构可以在不增加传感器检测噪声值的基础上增大检测金属磨粒的信号值,其中检测80-90μm铁颗粒和140-150μm铜颗粒时使用坡莫合金完全包裹平面线圈这种结构的检测信号值分别是未使用坡莫合金的平面线圈的1.5倍和2.56倍;其次实验结果也表明使用坡莫合金完全包裹不同绕线方式的平面线圈对检测结果也有明显的影响。两个被串联的单层10匝平面线圈检测80-90μm铁颗粒和140-150μm铜颗粒时的信号值分别是使用一个双层的20匝的平面线圈这种结构的2.54倍和2.23倍。并且相较于传统的电感式磨粒检测装置,本研究设计的油液磨粒检测传感器的灵敏度得到明显提高,可以检测到10-15μm的铁颗粒以及65-70μm的铜颗粒。根据设计的高灵敏度磨粒检测传感器,选用合适的激励源、信号的处理电路以及数据的采集电路,并通过实验验证选用的激励源、信号处理电路和数据采集电路的可行性。最后根据检测装置的硬件进行便携式检测装置的外观、布局设计以及油样驱动系统设计,并通过实验验证了本研究设计的便携式油液磨粒检测装置的稳定性以及实际应用的可行性。本研究基于电磁感应原理与微流控检测技术,设计开发的便携式油液磨粒检测装置,在实际工程应用中具有非常重要的意义,为机械设备的油液的在线实时监测提供了技术支撑。
基于电磁式自供电的设备状态监测系统设计
这是一篇关于电磁感应,能量采集,自供电系统,无线传感网络,ZigBee的论文, 主要内容为随着无线传感技术的快速发展,各种无线传感技术在工业生产方面得到了广泛的应用,其中对设备状态监测的智能设备更为流行。但目前成熟的智能监测设备都需要电池或电线对其进行供电,随着终端设备数量的增加,电池更换成本高或布置电线不方便已成为生产智能化过程中最需要解决的问题。收集生产设备运行过程中产生的能量并对终端设备进行供电,是一种很好的取代电池供电的解决方法。工厂中被广泛采用的传送带,常常会由于托辊出现问题,而影响整个工作线的作业,研究人员提出了不少智能化托辊的设计,但这些方案都需要托辊与智能设备在设计阶段就进行适配,适用性低,无法在工厂已安装的托辊上使用。本文提出了一种非接触式的能量采集方法,针对托辊转动过程中产生的动能设计出基于电磁式自供电的设备状态监测系统,该系统无需改变现有传送带的零件和装配,不与被测托辊产生接触,而是通过磁场将托辊的部分动能转换为电能并对终端无线传感设备进行供电和储能。该系统主要包括自供电模块、电源管理模块和无线传感模块,成功实现了终端无线传感节点自供电、系统无接触式安装和数据实时云端显示的功能。为实现上述功能,本文主要做了如下工作:(1)设计了一种基于电磁式的自供电模块,并对其进行了理论分析。提出了一套利用ANSYS Maxwell和MATLAB联合仿真的建模方案,利用此模型可以直接预测到不同工作状态下自供电模块的输出电压波形。(2)利用联合仿真的模型进行理论分析,从多方面对第一代自供电模块进行优化分析。在外界不同激励条件下,优化后的第二代自供电模块的输出功率优于第一代自供电模块输出功率,在外部激励条件为700转/分钟的情况下,模块输出功率从第一代的22m W提升至第二代的31m W,提升了40.9%。(3)设计了电源管理模块,其中包括整流电路、储能元件、稳压电路和迟滞电路。这些电路皆采用低功耗器件实现电路功能。(4)设计了用于数据获取和通讯的无线传感模块,选择了功耗较低的ZigBee通讯协议。无线传感模块在工作时功耗为41m W,进入PM2睡眠模式后,工作电流仅仅为1μA。(5)制作了带15个传感节点的自供电设备状态监测系统,并在传送带模拟平台上进行了性能测试。在传送带模拟平台上,模拟托辊(转盘)的转动速度处于500rpm至1600rpm之间,模拟平台开启两分钟后,各个无线传感节点陆续启动工作,并发送转盘的转速数据至Ali Cloud平台,该测试充分验证了自供电设备状态监测系统的可行性。
基于电磁式自供电的设备状态监测系统设计
这是一篇关于电磁感应,能量采集,自供电系统,无线传感网络,ZigBee的论文, 主要内容为随着无线传感技术的快速发展,各种无线传感技术在工业生产方面得到了广泛的应用,其中对设备状态监测的智能设备更为流行。但目前成熟的智能监测设备都需要电池或电线对其进行供电,随着终端设备数量的增加,电池更换成本高或布置电线不方便已成为生产智能化过程中最需要解决的问题。收集生产设备运行过程中产生的能量并对终端设备进行供电,是一种很好的取代电池供电的解决方法。工厂中被广泛采用的传送带,常常会由于托辊出现问题,而影响整个工作线的作业,研究人员提出了不少智能化托辊的设计,但这些方案都需要托辊与智能设备在设计阶段就进行适配,适用性低,无法在工厂已安装的托辊上使用。本文提出了一种非接触式的能量采集方法,针对托辊转动过程中产生的动能设计出基于电磁式自供电的设备状态监测系统,该系统无需改变现有传送带的零件和装配,不与被测托辊产生接触,而是通过磁场将托辊的部分动能转换为电能并对终端无线传感设备进行供电和储能。该系统主要包括自供电模块、电源管理模块和无线传感模块,成功实现了终端无线传感节点自供电、系统无接触式安装和数据实时云端显示的功能。为实现上述功能,本文主要做了如下工作:(1)设计了一种基于电磁式的自供电模块,并对其进行了理论分析。提出了一套利用ANSYS Maxwell和MATLAB联合仿真的建模方案,利用此模型可以直接预测到不同工作状态下自供电模块的输出电压波形。(2)利用联合仿真的模型进行理论分析,从多方面对第一代自供电模块进行优化分析。在外界不同激励条件下,优化后的第二代自供电模块的输出功率优于第一代自供电模块输出功率,在外部激励条件为700转/分钟的情况下,模块输出功率从第一代的22m W提升至第二代的31m W,提升了40.9%。(3)设计了电源管理模块,其中包括整流电路、储能元件、稳压电路和迟滞电路。这些电路皆采用低功耗器件实现电路功能。(4)设计了用于数据获取和通讯的无线传感模块,选择了功耗较低的ZigBee通讯协议。无线传感模块在工作时功耗为41m W,进入PM2睡眠模式后,工作电流仅仅为1μA。(5)制作了带15个传感节点的自供电设备状态监测系统,并在传送带模拟平台上进行了性能测试。在传送带模拟平台上,模拟托辊(转盘)的转动速度处于500rpm至1600rpm之间,模拟平台开启两分钟后,各个无线传感节点陆续启动工作,并发送转盘的转速数据至Ali Cloud平台,该测试充分验证了自供电设备状态监测系统的可行性。
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