南京航空航天大学：航空发动机滑油系统金属屑末在线监测技术

航空发动机是整个飞机的动力来源，对于飞机的飞行安全起到至关重要的作用。由于航空发动机的工况比较恶劣，其内部各个零部件之间的摩擦会导致工作表面发生不同程度的磨损，磨损产生的金属屑末会随着滑油穿梭在发动机机体内部。航空发动机滑油系统中的滑油除了为发动机摩擦件提供润滑和散热的功能，还提供传输金属屑末的功能。

国外应用最广泛的感应式传感器是加拿大GasTOPS公司研制的metalSCAN传感器，其可在直径为17.8 mm的管道中检测到200 μm（球形）的铁磁性金属颗粒和405 μm（球形）的非铁磁性金属颗粒，并且已成功用于F22、F35、阿帕奇直升机、CH-124“海王”直升机等多种新型战机，具有丰富的工程应用经验。

Du等使用平行LC谐振方法在传感器的原始基础上进行了改进，改进后能够检测到20 μm的铁颗粒。由于采用了直径为250 μm的微流控通道，通道容易被堵塞，并且该传感器通道中还存在相当大的节流效应，不适合大流量的监测，实际应用仍然受到限制。

国内也对感应式传感器做了一定的研究，任艺军提出了一种采用一个激励线圈、两个感应线圈的传感器，其管道直径为34 mm，能够检测到120 μm铁磁性金属颗粒和210 μm非铁磁性金属颗粒。吴瑜针对微电感线圈对金属颗粒检测理论进行了大量的研究，并通过有限元仿真软件研究了不同形态的金属颗粒对电感变化的影响。

国内针对航空发动机滑油系统的金属屑末在线监测技术近年来越来越受到重视，但是还缺少关键的在线监测传感器和实际的工程应用经验。为此，南京航空航天大学联合中国航发四川燃气涡轮研究院和中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心的研究人员，设计了三线圈结构的感应式金属屑末在线监测传感器，并建立了仿真模型并通过了实验验证。

感应式金属屑末传感器采用传统的三线圈结构设计，如图1所示，中间为感应线圈，两侧为激励线圈。两侧激励线圈采用反向绕制，并联加载一定频率的交流电压驱动，由于两个激励线圈参数相同，所产生的磁场大小相等，方向相反，在感应线圈处正好相互抵消。

感应式传感器工作原理图如图2所示。无金属颗粒通过传感器时，感应线圈的输出电压为零。当铁磁性金属颗粒通过传感器时，两个因素（磁导率和涡流）将相互作用，如图2(b)所示，首先，由于铁磁性金属颗粒的磁导率较高，磁通量将增加。其次，铁磁性金属颗粒内部的涡流将产生一个与原始磁场方向相反的磁场，进而减少总磁通量。在频率相对较低时，磁通量的增加占主导地位，这意味着当铁磁性金属颗粒通过传感器时将产生正电压脉冲。当非铁磁性金属颗粒通过传感器时，由于非铁磁性金属颗粒磁导率较低（接近空气），磁导率对磁场的影响可以忽略，非铁磁性金属颗粒对磁场的影响只有涡流效应，如图2(c)所示，这意味着当非铁磁性金属颗粒通过传感器时将产生负电压脉冲。

选用氧化铝陶瓷制作传感器线圈骨架，线圈骨架的内径为13 mm，外径为14.5 mm，激励线圈和感应线圈的宽度均为10 mm，线圈间距为6 mm。选用线径为0.2 mm的铜芯漆包线绕制传感器线圈，激励线圈和感应线圈均绕制6层，总共300匝，其中两组激励线圈反向绕制，使其在感应线圈处产生的磁场相互抵消。将绕制好的线圈放置在不锈钢制作的传感器外壳内，以屏蔽外界磁场的干扰。传感器的外壳及骨架如图8所示，信号处理方法如图9所示。

图10 实验测试平台示意图

选择直径分别为350 μm和500 μm的铜颗粒进行实验测试，其输出信号如图14所示。可以看出，铜颗粒输出的电压信号相位与铁颗粒信号相差180°，可以通过这一点来区分金属颗粒的属性，并且350 μm的铜颗粒输出电压明显大于背景噪声，因此设计的传感器可以有效地检测到直径大于350 μm的非铁磁性金属颗粒。