基于PCB线圈吸附式铁磁传感器的研究*

钱康伟 周新聪 冯 伟 贺石中

(1.武汉理工大学船海与能源动力工程学院 湖北武汉 430063；2.广州机械科学研究院有限公司设备状态检测研究所 广东广州 510700；3.武汉理工大学高性能舰船技术教育部重点实验室 湖北武汉 430063)

据统计[1-2]，在设备润滑系统和液压系统中，超过75%的液压系统故障、35%的柴油机运行故障、38.5%的齿轮失效故障以及40%的滚动轴承失效故障，是由油液中的磨损颗粒引起。当机械设备存在安全隐患或发生故障时，机械设备的磨损将加剧，磨损颗粒的尺寸以及油液中磨损颗粒的含量也将迅速增加，从而导致润滑油失效。通过对金属磨粒进行分析，获得金属颗粒的材质和粒径尺寸，从而可以确定机械设备的磨损位置，进而对机械设备的磨损状况和健康状态进行评价[3-5]。因此，对油中金属颗粒进行检测，对预防机械设备潜在安全隐患和避免灾难性故障的发生具有重要意义[6-8]。油液监测技术在现代工业具有重要的现实意义[9]，具体表现在：预知性维修，提高设备运行的可靠性及运行效率；避免重大事故发生，减小事故危害性；降低维修成本，延长设备使用寿命。

在国外，油液在线监测技术已广泛应用到风机齿轮箱、军事装备等重大装备上，且已经开发出不同类型的专用传感器。例如加拿大GasTops公司[10]开发的型号为MetalSCAN的金属磨粒传感器，该传感器包含3个电感线圈，缠绕在一根惰性管子上，两侧为激励线圈，中间为感应线圈。两侧激励线圈结构大小参数相同反向串联，施加正弦激励信号进行驱动，两侧激励线圈在感应线圈内产生的磁场相互抵消为0。当油中含有的金属颗粒通过传感器时，引起两侧激励线圈电势不平衡，进而导致感应线圈产生感生电动势。美国Eaton公司[11]生产的定量铁磁颗粒传感器，由一个磁铁、一个感应线圈、一个用于自检的次级线圈组成。磁铁产生一个磁场，每捕获一个铁磁颗粒，感应线圈就输出一个信号；其对铁磁颗粒的捕获效率高达90%以上。

国内有部分研究机构对油液在线监测传感器进行了研究。黄文杰和左洪福[12]利用电荷效应制作了相关的油液分析传感器，其制作工艺复杂，且需要运用信号的调制与解调技术，导致其信号处理困难。黄祥官等[13]运用PCB线圈制作了相关铁磁传感器，但并未进行系统实验，未得出该传感器的精度。对比国外的研究成果，国内关于铁磁传感器的研究仍处于检测机制研究和技术积累阶段，而且到目前为止尚无可实际应用的成熟产品。为此，本文作者基于磁塞与电感原理，设计出一种新型的铁磁传感器，并通过试验测试其测量精度。

1 铁磁传感器的设计

1.1 检测原理

该传感器结构如图1所示，传感器由永磁体、PCB线圈、抵消线圈、线圈铁芯四部分组成。其中永磁体为传感器提供磁性，使得传感器具有吸附功能，能够将油液中的铁磁颗粒吸附到PCB线圈上。由于油液的流动，油液中的铁磁颗粒会逐渐吸附积累在PCB线圈上，当传感器上的铁磁性颗粒吸附到一定量或经过固定时间，需要对传感器进行清零时，只需对驱动线圈施加一定电压，提供一个反向磁场，用于抵消永磁体的磁场，使积累在吸附PCB线圈上的铁颗粒得以释放，使之清零。当铁磁颗粒通过PCB线圈时会被吸附到PCB线圈上并使其电感量发生变化。PCB线圈连接在LC振荡电路上，通过LDC1612芯片控制。该电路会将电感量的变化转换为频率的变化，最终可通过频率的变化达到检测的目的。

图1 铁磁传感器结构

吸附式铁磁传感器铁磁颗粒和PCB线圈等效电路如图2所示。R1和L1为PCB线圈的电阻和电感，U为PCB线圈两端电压，R2和L2为铁磁颗粒的等效电阻和等效电感，I1为PCB线圈的电流，I2为铁磁颗粒的等效电流，M为PCB线圈与铁磁颗粒之间互感。

图2 PCB线圈与铁磁颗粒之间的等效电路

根据基尔霍夫电压平衡定律：

PCB线圈的品质因数为

由式(4)可知，铁磁性颗粒的大小会影响PCB线圈电感L、阻抗Z以及PCB线圈的品质因数Q的变化，因此传感器只需要实现其中的一个变量的变化，即可实现对铁磁颗粒的检测。

1.2 PCB线圈的设计

PCB线圈电感大小与线圈匝数n、线径w、线间距s、线圈外径dout、线圈内径din、平均直径、填充比等有关。不同形状的PCB电感线圈产生不同的磁场分布，相比方形、多边形平面电感线圈，圆形PCB电感线圈由于其形状的对称性，因此相比其他形状的PCB线圈磁场分布均匀性更好。图3所示为PCB线圈结构。

图3 PCB线圈结构

平面电感线圈电感量采用公式(5)[14]计算：

当PCB电感线圈为单层线圈时，线圈外径需要很大，才能得出一个较大的电感，这不符合传感器的设计要求，因此可以通过设计多层电感线圈，增加PCB线圈的电感量。对于双层PCB电感线圈来说，线圈电感值为

L=Lself+M

(6)

Lself=L1+L2

(7)

式中：L表示的是总电感；Lself表示的是线圈的自感值；M表示线圈之间的互感。

其中自感是由线圈自身的参数决定的，是相对固定的。互感是与周围环境有关，主要与环境的磁场有关，而铁磁颗粒会被磁场磁化而反作用于磁场，最终导致其电感发生变化。

1.3 传感器的测量电路

传感器的测量电路如图4所示，PCB线圈与并联电容C组成LC振荡电路，通过LDC1612芯片读取振荡电路的谐振频率。

图4 传感器的检测原理

当没有铁磁性颗粒被吸附到PCB线圈表面时，假设此时PCB线圈的电感为L0，PCB电感线圈与电容组成的振荡电路频率为f0，则

基于此，假设铁磁性颗粒由于磁化效应引起的PCB线圈电感变化量为ΔL1，铁磁性颗粒的影响使得振荡频率为f1，铁磁性颗粒引起的振荡频率变化量为Δf1，则

可以得出铁磁性颗粒引起传感器谐振频率的变化量η为

式中：μ0为真空磁导率；μr为材料的相对磁导率；r为铁磁性颗粒的半径，mm。

由式(11)可知，单个铁磁性颗粒引起传感器频率变化的大小，与颗粒的尺寸大小密切相关，随颗粒尺寸的增大而增大；同时随着被吸附在PCB线圈上感应区铁磁颗粒数量的积累，铁磁颗粒引起传感器谐振频率的变化量也越大。

2 PCB线圈磁场仿真

COMSOL Multiphysics是工业中常见的一款有限元计算软件，尤其在多物理场耦合问题上，能够很容易地解决复杂的数值问题。针对电磁场分析，COMSOL Multiphysics里面有专门的AC/DC模块，用于求解电磁场等多物理场问题。PCB线圈磁场仿真分析方法如下：

(1)选择求解器：文中研究对象是通过改变线圈周围磁场分布及大小从而改变线圈电感大小，最终通过频率的变化测得铁磁颗粒的，因此选择AC/DC磁场稳态求解器。

(2)建模：采用的模型参照LDC1612评估套件，其线圈内径为4 mm，外径为16.5 mm，线径与线距为0.25 mm，匝数为25匝，采用的材料是铜，如图5所示，为传感器的仿真模型。

图5 PCB线圈仿真模型

(3)网格划分：在构建完成模型后需要对其进行网格划分，为了提高精度和节省时间，PCB线圈网格划分采用自适应网格划分。

(4)激励源设置：给PCB线圈添加电流大小为1 A，激励频率为3 MHz。

仿真结果如图6、图7所示。图6所示为PCB线圈磁场强度分布云图，图7所示为PCB线圈表面径向磁场强度分布。可以看出，PCB线圈表面磁场强度分布部分分布均匀，在传感器内径部分逐渐衰减，在传感器PCB线圈外径部分逐渐衰减并趋向为0；传感器内部的磁场分布较为均匀，磁感应强度很大一部分被内径的大小所影响。因此对于该传感器应适当减小内径大小，从而提高PCB线圈表面磁场均匀性，并且使铁磁颗粒吸附在内径区域内，有利于减小因颗粒吸附位置的不同带来的测量误差，提高传感器的测量准确度。

图6 PCB线圈磁场分布云图(T)

图7 PCB线圈表面磁场分布

3 铁磁传感器的测试

为测试该传感器的灵敏度、精准度与线圈参数的关系，文中共设计5种不同规格的PCB线圈，其参数如表1所示。

表1 PCB线圈参数

实验运用表1中的5个传感器，首先测定传感器在无铁磁颗粒状况下的频率，并记录。实验所用铁磁颗粒为纯度为99.99%的还原铁粉，由于铁磁颗粒尺寸大小不均匀，通过使用显微镜对筛选的不同尺寸的铁磁颗粒进行拍照，并通过图像处理软件进行处理，计算出金属铁磁颗粒的等效球形直径。测定了100、150、200、300 μm 4种不同尺寸的铁磁颗粒作用下的频率，每种尺寸的铁磁颗粒测定5次，并计算其频率改变量，最终计算出其平均频率变化率。

图8所示为150 μm的铁颗粒检测输出信号。在永磁磁性吸附的作用下，铁颗粒被吸附到PCB线圈表面；铁磁性颗粒在PCB线圈产生的交变磁场下，因磁化效应增大PCB线圈的电感，进而使传感器谐振频率减小。

图8 150 μm铁颗粒检测输出信号

图9示出了不同PCB参数的传感器对铁磁颗粒的敏感程度。对比传感器1和2可知，层数较多的PCB线圈对于100、150 μm小粒径铁磁颗粒的测量精度较高，层数较少的PCB线圈对于350 μm大粒径铁磁颗粒的测量精度较高。对比传感器3与4可以看出，线径、线距较小的PCB线圈引起的频率变化率更大一些，其测量精度更高。

图9 不同PCB参数的传感器对铁磁颗粒的敏感程度

对比传感器2、传感器3和传感器5的试验数据可以看出，传感器3的精度最高，传感器5次之，传感器2的精度最低，这说明该传感器的精度先随着PCB线圈圈数的增加而提高，当达到一定值时，其精度会随着圈数的增加而下降。

4 结论

基于磁塞和电感检测原理，设计一种利用PCB线圈检测油中铁磁性磨损颗粒的传感器，并进行仿真分析和实验验证。主要结论如下：

(1)仿真结果表明，在PCB线圈内径区域内，PCB线圈磁场均匀性较好，适当减小PCB线圈的内径，有利于提高PCB线圈的磁场均匀性。

(2)实验结果表明，该传感器具有良好的检测效果，能有效检测出油中等效球形直径小于100 μm的铁磁性颗粒。

(3)对比检测理论与实验结果发现，实验研究结果与理论结果变化趋势一致，验证了传感器的可行性、实用性。