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时谐磁场金属颗粒磁化特性及微流体油液检测机理研究

张兴明  
【摘要】:油液作为能量传递介质和润滑剂广泛应用于工业。在液压系统和润滑系统中,固体颗粒是主要的污染物,超过75%的液压系统故障、约35%的柴油机运行故障、38.5%的齿轮失效以及40%的滚动轴承失效是由于油液失效引起的,足以看出油液污染物分析的重要性。 针对油液检测,本文依托国家自然科学基金、交通部基础研究项目和辽宁省科技计划项目,首先针对金属磨粒在时谐磁场中的磁化特性展开研究,建立了铁磁金属颗粒和非铁磁金属颗粒在中低频时谐磁场中的磁化模型,进而得到金属颗粒的阻抗分析方法,并基于该方法设计了用于油液检测的微流体芯片,实现对铁磁金属颗粒、非铁磁金属颗粒和非金属颗粒进行分类粒度区分检测,同时实现单颗粒粒度检测灵敏度以下的铁磁金属颗粒总质量浓度的检测,并给出基于阻抗分析的油液污染物种类识别的技术方案。本文对以上油液污染物分别给出定量分析并进行实验验证。研究重点及取得的成果主要体现在以下几个方面: 1、建立铁磁颗粒和非铁磁颗粒在时谐磁场中的电磁学描述,通过偏微分方程求解得到两种金属颗粒在中低频时谐磁场中磁化模型,并用时谐磁场中金属颗粒磁化因子Kp描述金属颗粒磁化状态。 2、通过理论分析得到金属磨粒磁化场对一般电感形式传感器的阻抗影响,并建立金属颗粒检测阻抗输出模型,该模型说明电感和电阻联合分析可实现两种金属颗粒区分计数以及更准确的粒度识别,并提供了传感器优化设计指导,设计了两种基于电感检测的微流体芯片,并通过实验验证了模型的正确性。 3、根据金属颗粒的时谐磁场磁化机理,提出针对油液中单颗粒检测灵敏度以下的金属颗粒质量浓度检测方法,并得到了金属颗粒质量浓度检测阻抗输出模型,发现传感器中电感信号的低频分量与铁磁金属颗粒质量浓度呈线性关系,电阻信号的低频分量是油液中非铁磁金属质量浓度及其颗粒分布的复杂函数。文中利用两种芯片的实验验证了铁磁金属颗粒浓度检测模型的正确性。 4、根据铁磁金属颗粒质量浓度检测模型得到了非金属颗粒的检测方法,建立了非金属的阻抗输出模型,并通过了实验验证。 5、综合分析本文提出四种油液污染物引起阻抗信号的变化差异,建立了四种污染物定量区分逻辑识别系统。 本文以时谐磁场中金属颗粒磁化模型为核心,研究了四种油液污染物对电感形式检测芯片阻抗信号的影响,并对电感结构设计提出优化依据。该装置克服了现有在线检测方式检测灵敏度较低并且可识别油液污染物单一的缺点,同时解决了现有离线检测成本高的局限,为油液在线检测系统实现多种污染物区分检测以及提高检测灵敏度提供了重要理论依据。


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