一种高灵敏度磨损颗粒在线检测系统及方法与流程

本发明涉及一种机械设备润滑油金属磨损颗粒在线检测领域，特别是关于一种高灵敏度磨损颗粒在线检测系统及方法。

背景技术：

机械设备运行过程中会产生大量的磨损颗粒，这些颗粒作为机械磨损的产物，一方面会导致更加严重的机械故障，如加剧齿轮磨损、损坏液压阀配合间隙而导致液压系统失灵等，另一方面则蕴含着大量的机械磨损状态的信息。一般磨损颗粒材料可以粗略反应机械设备的磨损位置，磨损颗粒的大小及数量可以表征设备磨损程度，而磨损颗粒形状可以表明磨损形式。根据统计数据可知，约70％的机械故障由零部件异常磨损引起。随着机械设备精密化程度的发展以及对生产连续性和机械设备可靠性要求的不断提高，对机械设备进行磨损状态监测和在线故障诊断的重要性也随之增加。

目前在线磨损监测技术可以分为光学型、电磁型、导电型和超声型四大类，其中由于电磁式油液在线监测系统结构形式简单、温度稳定性好、抗气泡影响、抗背景噪声能力强、可适应复杂环境等优点，得到了广泛的研究和关注。当前国外应用较成功的此类磨粒监测传感器包括：美国macomtechnologies公司开发的techalerttm10以及加拿大gastops公司开发的metalscan磨粒传感器。虽然我国对于此领域的研究起步较晚，但也进行了大量研究。为了能够对机械设备初期异常磨损进行有效监测，各研究机构也提出了不同结构形式的磨损颗粒检测传感器，主要包括：单线圈性、双线圈型、平行三线圈型、层叠三线圈型、以及平面螺旋线圈型等。当前大口径磨粒检测传感器可检测磨粒粒度为铁磁性颗粒>100μm，非铁磁性颗粒>300μm(流道直径7mm)，而机械设备正常磨损阶段，其磨粒粒度范围为20-50μm，初期异常磨损阶段，磨损颗粒粒度范围为50-100μm，因此，此类大口径磨粒检测传感器仍不能满足对机械设备初期异常磨损阶段的有效监测。研究者为了进一步提高磨损颗粒检测传感器灵敏度，而提出采用微流道结构，即缩小流道孔径(一般＜1mm)，此类传感器虽然能检测到30μm铁磁性颗粒，但由于其流量的限制，不能满足大型机械设备的在线监测需求。同时由于常规电磁式磨损颗粒检测传感器内径向磁场有严重的不均匀现象，因此当磨损颗粒从流道的不同径向位置通过传感器时，传感器输出信号将产生较大差异，故很难实现针对同一磨损颗粒检测结果的一致性。因此，如何进一步提高磨粒检测传感器灵敏度以及提高传感器内磁场的均匀性以保证检测结果的一致性成为目前亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高灵敏度磨粒在线检测系统及方法，解决了当前金属磨粒检测传感器灵敏度低及磁场不均匀和颗粒速度变化引起的检测结果一致性差的问题，实现了机械设备初期异常磨损的有效检测。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高灵敏度磨粒在线检测方法，其包括以下步骤：1)预先设置一包括左激励线圈、左激励线圈铁芯、感应线圈、感应线圈铁芯、右激励线圈、右激励线圈铁芯和线圈基体的检测系统；左激励线圈铁芯、右激励线圈铁芯和感应线圈铁芯设置在线圈基体上，为左激励线圈、右激励线圈和感应线圈分别增加左激励线圈铁芯、右激励线圈铁芯和感应线圈铁芯后，获取传感器内磁感应强度分布，传感器内磁感应强度分布满足麦克斯韦方程组；2)根据传感器内磁感应强度分布，获取磨损颗粒引起的感应电动势；3)对该初始感应电动势依次进行高通滤波、emd分解、去趋势化和逆向重构处理，得到重构后最终的磨损颗粒信号；4)对提取的磨损颗粒信号幅值进行补偿，得到修正过的磨损颗粒信号。

进一步，所述步骤2)中，磨损颗粒引起的感应电动势获取方法包括以下步骤：2.1)计算磨损颗粒对激励线圈产生的最大磁能变化以及传感器输出的最大感应电动势，假设磨损颗粒始终沿传感器轴线运动；此时最大背景磁感应强度为1.93mt；2.2)为了考虑磨损颗粒通过传感器时产生的涡流效应及磁滞效应，铁磁质磨损颗粒的相对磁导率采用了复相对磁导率的方法，如下式：

磨损颗粒内的磁感应强度和磁场强度满足：

b＝μ0(μ'+iμ”)h(2)

其中，μ'为磨损颗粒相对磁导率实部，μ”为磨损颗粒相对磁导率虚部，hm为磨损颗粒位置处最大磁场强度，bm为磨损颗粒位置处最大磁感应强度，δ为相位角；2.3)通过求解麦克斯韦方程组方程在笛卡尔坐标系分解的方程组以及公式(1)-(2),可得磨损颗粒内部及周围空气中的磁感应强度分布，进而求得磨损颗粒对传感器激励线圈产生的磁能扰动为：

其中，δwc为激励线圈的磁能变化，δwa为磨损颗粒周围空气域内的磁能变化，δwp为磨损颗粒内部的磁能变化，va为空气域体积，vp为磨损颗粒体积；2.4)磨损颗粒引起的传感器激励线圈磁通量变化δφe为：

δφe＝∑∫∫γδbds＝∫∫∫γδbdsdl

其中，γ＝ne/a为激励线圈匝数线密度，ne为激励线圈匝数，a为激励线圈宽度。δb为磁通密度变化量，ds为线圈横截面积的积分变量，dl为线圈轴向距离的积分变量；颗粒引起的感应线圈磁通量变化δφ为：

δφ＝λδφe＝λφm(fe,vp)cos(ω1t)

其中，λ为漏磁系数，φm(fe,vp)为磨损颗粒引起的激励线圈磁通量变化的幅值，fe＝f0l/v为有效磁场频率、f0为传感器激励信号频率，l为传感器两激励线圈外侧距离，v为磨损颗粒通过传感器速度，vp为磨损颗粒体积，ω1＝2πfp为颗粒信号角频率，fp＝v/l为颗粒通过传感器频率；2.5)磨损颗粒引起的感应电动势为：

其中，ep为磨损颗粒引起的感应电动势，n为激励线圈匝数。

进一步，所述步骤3)中，最终的磨损颗粒信号获取方法包括以下步骤：3.1)当有磨损颗粒通过传感器时，颗粒引起的感应电动势会被初始感应电动势幅值调制，传感器感应线圈输出的真实电动势为：其中，eo表示感应线圈输出的电动势信号；为初始感应电动势干扰，e(δ)表示初始感应电动势幅值，δ为感应线圈等效偏置距离、为初始感应电动势与颗粒引起信号的相位差、ω0＝2πf0为传感器激励信号角频率，n(t)为高斯噪声；经过前处理及初步提取后，感应线圈输出的电动势信号幅值被提取出来，初步提取的感应电动势为：epd＝ep(fe,vp)+e(δ)+ren(t)；其中，epd为初步提取的感应电动势，re为高斯干扰残余系数；3.2)将初步提取的信号经过高通滤波器后，信号中的初始感应电动势幅值干扰被滤除，所取得的电动势信号为：epdf＝ep(fe,vp)+ren(t)；其中，epdf为滤除初始感应电动势幅值干扰的电动势信号；3.3)采用emd分解方法，将滤除初始感应电动势幅值干扰的电动势信号epdf分解为若干固有模态函数和剩余项：

其中，cm(t)表征第m个固有模态函数，r(t)表征剩余项；3.4)采用去趋势化方法滤除残余的低频干扰；定义信号趋势项为：若第k1阶固有模态函数满足：

其中mean()表征平均数函数，ht＝0.05|mean(r(t))|；则第k1阶以及更高阶固有模态函数以及剩余项均将被视为趋势项，并从信号中剔除；3.5)采用逆向重构的方法滤除残余的高频干扰：逆向重构过程中，以第k1-1阶固有模态函数为基础，逐步逆向叠加更低阶固有模态函数，可得到一组重构的信号：

其中表征第j个重构的信号；3.6)分别求得各重构信号与标准正弦信号的互相关系数，并取得互相关系数绝对值最大的重构信号为最终的磨损颗粒信号。

进一步，所述步骤4)中，对提取的磨损颗粒信号幅值进行补偿的方法如下：根据步骤2)中磨损颗粒引起的感应电动势的计算，进一步推导得出磨损颗粒信号补偿函数η(fe)：

进而得到修正过的磨损颗粒信号em为：

一种用于实现上述检测方法的高灵敏度磨粒在线检测系统，其特征在于：包括高灵敏度传感器模块和颗粒信号快速提取系统；所述高灵敏度传感器模块输出的原始信号传输至所述颗粒信号快速提取系统进行提取处理，实现磨粒在线检测；所述高灵敏度传感器模块包括传感器壳体、左激励线圈、左激励线圈铁芯、感应线圈、感应线圈铁芯、右激励线圈、右激励线圈铁芯、线圈基体、左激励线圈谐振电容、感应线圈谐振电容和右激励线圈谐振电容；所述传感器壳体内设置有所述线圈基体，位于所述线圈基体上横向间隔设置有三个环型槽；位于中间的所述环型槽内设置有所述感应线圈铁心，所述感应线圈铁心外部缠绕有所述感应线圈；位于所述感应线圈左侧的所述环型槽内设置有所述左激励线圈铁芯，所述左激励线圈铁芯外部缠绕有所述左激励线圈，位于所述感应线圈右侧的所述环型槽内设置有所述右激励线圈铁芯，所述右激励线圈铁芯外部缠绕有所述右激励线圈；所述左激励线圈通过线路与所述左激励线圈谐振电容并联后连接至左激励源；所述感应线圈通过线路与所述感应线圈谐振电容并联后作为输出端，与所述颗粒信号快速提取系统输入端连接；所述右激励线圈通过线路与所述右激励线圈谐振电容并联后连接至右激励源。

进一步，缠绕线圈后的所述线圈基体与所述传感器壳体之间设置有电磁屏蔽层。

进一步，所述左激励线圈铁芯、右激励线圈铁芯以及所述感应线圈铁芯都采用非晶高磁导率材料制成。

进一步，所述颗粒信号快速提取系统包括前处理部分、信号初步提取部分和信号整形部分；所述感应线圈输出的原始信号依次经所述前处理部分和信号初步提取部分处理后，传输至所述信号整形部分，实现对颗粒信号的提取；所述前处理部分包括放大器、工频滤波器和抗混滤波器；所述感应线圈输出的原始信号依次经过放大器、工频滤波器和抗混滤波器处理，滤除工频干扰和极高频干扰。

进一步，所述信号初步提取部分包括带通滤波器，用于滤除原始信号中的初步感应电动势和大部分高斯干扰；经过前处理部分的感应线圈输出电动势分别与参考信号和参考信号进行90°相移后的信号相乘，得到的两路信号均采用带通滤波器进行滤波处理，最终对滤波后的信号分别进行平方处理后相加，相加结果再进行均方根处理后得到初步提取的磨损颗粒信号。

进一步，所述信号整形部分包括高通滤波器、emd分解模块、去趋势化模块和逆向重构模块；初步提取的磨损颗粒信号经过所述高通滤波器滤除信号中的直流干扰成分，采用所述emd分解模块将该信号分解为若干固有模态函数，其中低阶的固有模态函数以及信号中趋势项即为信号中残余的高频及低频干扰，采用所述去趋势化模块滤除信号中残存的低频干扰，并通过所述逆向重构模块对磨损颗粒信号进行有效重构，实现微弱磨损颗粒信号的提取。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过为传统平行三线圈式磨粒检测传感器激励线圈增加独立铁芯的方式，提高了相同激励源下传感器内的磁场强度，使得磨损颗粒经过传感器时产生更大的磁化或涡流效应，以此增大磨损颗粒对传感器内磁场的扰动。2、本发明中激励线圈铁芯改善了传感器内径向磁场分布不均的问题，减弱了颗粒径向位置对传感器输出信号的影响，提高了传感器检测结果的一致性。3、本发明通过为上述传感器感应线圈增加独立铁芯的方式，增加了磨损颗粒引起的感应线圈的磁通量变化，放大了传感器输出的感应电动势，大大的提高了传感器的灵敏度。4、由于传感器激励信号为高频正弦信号，因此本发明中铁芯全部采用非晶材料制成，以减弱铁芯中磁滞及涡流损耗对传感器检测性能的影响。5、本发明的磨损颗粒信号快速提取方法通过对传感器原始信号进行前处理、信号初步提取和信号整形的方式，综合提高传感器信号的信噪比，有助于微小磨损颗粒的在线监测，并有效的提高磨损颗粒信号的检测效果。6、本发明的磨颗粒信号补偿方法消除了磨损颗粒速度对传感器输出信号的影响，改善了磨损颗粒速度不同引起的传感器检测结果一致性差的问题。7、本发明针对当前金属颗粒检测传感器灵敏度低、磁感应强度径向分布不均匀及磨损颗粒速度变化引起的检测结果一致性差的问题，实现了大孔径的高灵敏度微小金属颗粒在线检测；满足对机械设备初期异常磨损监测的使用要求。

综上所述，本发明进一步提高了平行三线圈式在线磨粒检测传感器的灵敏度及检测结果的一致性，可满足大型设备初期异常磨损的在线监测需求，能广泛应用于机械设备润滑油金属磨损颗粒在线检测领域。

附图说明

图1是本发明实施例中磨粒检测传感器结构示意图；

图2a是本发明实施例中无铁芯时颗粒对传感器内磁场的影响示意图；

图2b是本发明实施例中有铁芯时颗粒对传感器内磁场的影响示意图；

图3是本发明实施例中颗粒信号快速提取系统结构示意图；

图4a是本发明实施例中无铁芯传感器磁感应强度轴向分布示意图；

图4b是本发明实施例中有铁芯传感器磁感应强度轴向分布示意图；

图5是本发明实施例中传感器磁感应强度径向分布对比图；

图6是本发明实施例中传感器磁感应强度归一化径向分布对比图；

图7是本发明实施例中传感器输出的原始信号图；

图8是本发明实施例中初步提取的磨损颗粒信号图；

图9是本发明实施例中信号整形的磨损颗粒信号图；

图10是本发明60μm铁磁性颗粒通过传感器时输出信号示意图。

具体实施方式

本发明旨在解决大流量的平行三线圈式电磁式磨粒监测传感器灵敏度低以及传感器内部磁场不均匀和磨损颗粒速度变化引起的检测结果一致性差的问题。该类传感器工作原理为：向两反向绕制的激励线圈中通入正弦电流，则两激励线圈会产生幅值相同方向相反的交变磁场。传感器内总磁场由两交变磁场相互叠加产生。当无磨损颗粒通过传感器时，两磁场在感应线圈位置处相互抵消，因此传感器不输出感应电动势；当有磨损颗粒通过时，两激励线圈磁场间的平衡被打破，两磁场的差异可被等效为一个外部的非零交变磁场，该交变磁场使得感应线圈产生磁通量并输出感应电动势。本发明中激励线圈铁心旨在增强磨损颗粒引起的等效非零磁场的强度，同时改善传感器内磁感应强度径向分布不均匀的问题。感应线圈铁心则旨在提高微弱的非零磁场引起的感应线圈磁通量的变化量，以提高传感器输出的感应电动势，提高传感器检测灵敏度。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供一种高灵敏度磨粒在线检测系统，其在传统平行三线圈式磨粒检测传感器激励线圈及感应线圈中增加独立铁芯，具体为，该系统包括高灵敏度传感器模块和颗粒信号快速提取系统。高灵敏度传感器模块输出的原始信号传输至颗粒信号快速提取系统进行提取处理，实现磨粒在线检测。

在一个优选的实施例中，如图1所示，高灵敏度传感器模块包括传感器壳体1、电磁屏蔽层2、左激励线圈3、左激励线圈铁芯4、感应线圈5、感应线圈铁芯6、右激励线圈7、右激励线圈铁芯8、线圈基体9、左激励线圈谐振电容10、感应线圈谐振电容11和右激励线圈谐振电容12。

传感器壳体1内设置有线圈基体9，位于线圈基体9上横向间隔设置有三个环型槽。位于中间的环型槽内设置有感应线圈铁心6，感应线圈铁心6环绕在线圈基体9的环型槽内，并在感应线圈铁心6外部缠绕有感应线圈5；位于感应线圈5左侧的环型槽内设置有左激励线圈铁芯4，左激励线圈铁芯4外部缠绕有左激励线圈3，位于感应线圈5右侧的环型槽内设置有右激励线圈铁芯8，右激励线圈铁芯8外部缠绕有右激励线圈7。左激励线圈3通过线路与左激励线圈谐振电容10并联后连接至左激励源；感应线圈5通过线路与感应线圈谐振电容11并联后作为输出端，与颗粒信号快速提取系统输入端连接；右激励线圈7通过线路与右激励线圈谐振电容12并联后连接至右激励源。

上述实施例中，线圈基体9的轴向设置有通孔，为保证该传感器最大允许流量不低于10l/min，以满足大型机械设备的在线磨损监测要求，线圈基体9的孔径设置为7mm，此外为保证传感器有较高灵敏度，传感器仍采用谐振方法(谐振方法已经在公开号为cn107340544的专利中公开，在此不再赘述)。

上述各实施例中，位于缠绕线圈后的线圈基体9与传感器壳体1之间设置有电磁屏蔽层2。

上述各实施例中，由于传感器激励信号为高频正弦信号，其激励频率一般处于100khz～3mhz之间，因此在左激励线圈铁芯4、右激励线圈铁芯8以及感应线圈铁芯6中会产生涡流效应，该效应会使各铁芯产生涡流损耗而影响传感器检测效果，因此各铁芯全部采用非晶高磁导率材料制成。

上述各实施例中，如图2a、图2b所示，通过对比有无激励线圈铁芯时传感器内部及磨损颗粒处磁感应强度可知，左激励线圈铁芯4使左激励线圈3产生的磁感应强度得到极大的增强，同时使得磨损颗粒13引起的磁场扰动得到了大幅提升。上述效应同样适用于右激励线圈7和右激励线圈铁芯8、左激励线圈3和左激励线圈铁芯4。

在一个优选的实施例中，如图3所示，颗粒信号快速提取系统包括前处理部分、信号初步提取部分和信号整形部分。高灵敏度传感器模块中的感应线圈5输出的原始信号依次经前处理部分和信号初步提取部分处理后，传输至信号整形部分，实现对颗粒信号的提取。其中：

前处理部分包括放大器、工频滤波器和抗混滤波器。感应线圈5输出的原始信号依次经过放大器、工频滤波器和抗混滤波器处理，滤除工频干扰和极高频干扰。

信号初步提取部分用于对原始信号进行初步提取得到磨损颗粒信号，其包括带通滤波器，用于滤除原始信号中的初始感应电动势和大部分高斯干扰。由于磨损颗粒信号为正弦信号(频率与颗粒通过传感器速度有关)，故本发明的信号初步提取部分采用带通滤波器代替传统锁相放大器的低通滤波器。同时为了减小信号初步提取过程中引起的颗粒信号失真，带通滤波器采用幅频响应平坦的贝塞尔滤波器,其通频带设置为[0.8f0，1.2f0]。根据锁相放大器原理，信号初步提取部分中的参考信号为与传感器激励频率同频的正弦信号5sin(2πf0t)。经过前处理部分的感应线圈输出电动势分别与参考信号和参考信号进行90°相移后的信号(5cos(2πf0t))相乘，所得到的两路信号均采用带通滤波器进行滤波处理，最终对滤波后的信号分别进行平方处理后相加，相加结果再进行均方根处理后得到初步提取的磨损颗粒信号。

信号整形部分包括高通滤波器、emd分解模块、去趋势化模块和逆向重构模块。初步提取的磨损颗粒信号中仍包含部分高频和低频干扰，因此经过截止频率为5hz的高通滤波器滤除信号中的直流干扰成分，并采用emd分解模块将该信号分解为若干固有模态函数，其中低阶的固有模态函数以及信号中趋势项即为信号中残余的高频及低频干扰，因此采用去趋势化模块滤除信号中残存的低频干扰，并通过逆向重构模块对磨损颗粒信号进行有效重构，实现微弱磨损颗粒信号的提取。

基于上述检测系统，本发明还提供一种高灵敏度磨粒在线检测方法，其包括以下步骤：

1)为左激励线圈3、右激励线圈7和感应线圈5分别增加左激励线圈铁芯4、右激励线圈铁芯8和感应线圈铁芯6后，获取传感器内磁感应强度分布；

传感器内磁感应强度分布满足麦克斯韦方程组：

式中，h为磁场强度，j为电流密度，d为位移电流，b为磁感应强度，ρ为电导率，为哈密顿算子，e为电场强度。

同时满足本构方程：

式中a为磁失势。

由于传感器激励信号为正弦信号，因此磁失势a为：

a＝ae^iωt(3)

传感器内磁失势分布满足：

式中，i为虚数单位的虚部，ω为角频率，σ为材料电导率，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率。

根据矢量分析理论，传感器内磁失势分布满足的方程可在笛卡尔坐标系下分解为方程组：

式中，ax、ay、az分别为磁失势a在x、y、z轴上的分量，jx、jy、jz分别为源电流密度j在x、y、z轴上的分量。通过对上述方程进行求解可得到该传感器内磁感应强度分布。

如图4a、图4b所示，有无左激励线圈铁芯4、右激励线圈铁芯8和感应线圈铁芯6时，传感器内磁感应强度轴向分布变化非常明显。无铁芯时，传感器磁感应强度轴向分布峰值约为0.0025mt，而有铁芯时，传感器磁感应强度轴向分布峰值约为1.93mt。此时传感器内轴向磁感应强度被放大约772倍。该磁感应强度增加有助于使磨损颗粒产生更强的磁化或涡流效应。

如图5所示，有无左激励线圈铁芯4、右激励线圈铁芯8和感应线圈铁芯6时，传感器磁感应强度径向分布呈现不同规律。对无铁芯时，传感器轴线处磁感应强度较弱，而线圈内径处磁感应强度较强。有铁芯时，传感器轴线处磁感应强度较强，而靠近铁芯内径处磁感应强度较弱。传感器磁感应强度沿径向方向的归一化分布如图6所示，可见左激励线圈铁芯4和右激励线圈铁芯8减弱了传感器磁感应强度径向分布的不均匀性，这有助于提高传感器检测结果的一致性。

2)根据传感器内磁感应强度分布，获取磨损颗粒引起的感应电动势；

2.1)磨损颗粒通过传感器时，会引起激励线圈磁能变化，且该磁能变化与背景磁感应强度成正比。为计算磨损颗粒对激励线圈产生的最大磁能变化以及传感器输出的最大感应电动势，假设磨损颗粒始终沿传感器轴线运动；此时最大背景磁感应强度为1.93mt。

2.2)磨损颗粒内部及周围空气的磁感应强度分布均满足公式(5)。由于磨损颗粒内部及周围不存在源电流，因此jx＝jy＝jz＝0。而铁磁性颗粒在交变磁场中会产生磁滞效应和涡流效应，该两种效应会影响磨损颗粒内部的磁感应强度分布，并使得在颗粒内部产生磁滞损耗和涡流损耗，而影响颗粒对激励线圈产生的能量变化。因此为了考虑磨损颗粒通过传感器时产生的涡流效应及磁滞效应，铁磁质磨损颗粒的相对磁导率采用了复相对磁导率的形式，如式(6)：

磨损颗粒内的磁感应强度和磁场强度满足：

b＝μ0(μ'+iμ”)h(7)

其中，μ'为磨损颗粒相对磁导率实部，μ”为磨损颗粒相对磁导率虚部，hm为磨损颗粒位置处最大磁场强度，bm为磨损颗粒位置处最大磁感应强度，δ为b与h之间的相位角。

2.3)通过求解公式(5)-(7),可得磨损颗粒内部及周围空气中的磁感应强度分布，进而求得磨损颗粒对传感器激励线圈产生的磁能扰动为：

其中，δwc为激励线圈的磁能变化，δwa为磨损颗粒周围空气域内的磁能变化，δwp为磨损颗粒内部的磁能变化，va为空气域体积，vp为磨损颗粒体积。

2.4)磨损颗粒引起的传感器激励线圈磁通量变化δφe为：

δφe＝∑∫∫γδbds＝∫∫∫γδbdsdl(9)

其中，γ＝ne/a为激励线圈匝数线密度，ne为激励线圈匝数，a为激励线圈宽度。δb为磁通密度变化量，ds为线圈横截面积的积分变量，dl为线圈轴向距离的积分变量。

由于传感器内磁场为正弦交变磁场，因此颗粒引起的传感器内磁通密度的变化δb及激励线圈磁通量变化δφe均呈现正弦特征。考虑激励线圈与感应线圈之间的磁泄露，颗粒引起的感应线圈磁通量变化δφ可表示为：

δφ＝λδφe＝λφm(fe,vp)cos(ω1t)(10)

其中，λ为漏磁系数，φm(fe,vp)为磨损颗粒引起的激励线圈磁通量变化的幅值，fe＝f0l/v为有效磁场频率、f0为传感器激励信号频率，l为传感器两激励线圈外侧距离，v为磨损颗粒通过传感器速度，vp为磨损颗粒体积，ω1＝2πfp为颗粒信号角频率，fp＝v/l为颗粒通过传感器频率。

2.5)磨损颗粒引起的感应电动势为：

其中，ep为磨损颗粒引起的感应电动势，n为激励线圈匝数。

3)对于三线圈式磨粒检测传感器，由于两激励线圈匝密度存在微小差异，或者感应线圈位置存在微小偏置，使得当无磨损颗粒通过传感器时，传感器两激励线圈产生的磁场在感应线圈位置处并不能完全抵消，使感应线圈输出的感应电动势为初始感应电动势。对该初始感应电动势依次进行高通滤波、emd分解、去趋势化和逆向重构处理，得到重构后最终的磨损颗粒信号；

3.1)当有磨损颗粒通过传感器时，颗粒引起的感应电动势会被初始感应电动势幅值调制。同时考虑传感器系统中的高斯干扰，传感器感应线圈输出的真实电动势可表达为：

其中，eo表示感应线圈输出的电动势信号；为初始感应电动势干扰，e(δ)表示初始感应电动势幅值，δ为感应线圈等效偏置距离、为初始感应电动势与颗粒引起信号的相位差、ω0＝2πf0为传感器激励信号角频率，n(t)为高斯噪声。

此时传感器输出的原始信号如图7所示，可见磨损颗粒信号完全被初始感应电动势干扰以及高斯噪声所淹没。经过前处理及初步提取后，感应线圈输出的电动势信号幅值被提取出来，同时信号中保留了部分残余的高斯干扰，初步提取的感应电动势为：

epd＝ep(fe,vp)+e(δ)+ren(t)(13)

其中，epd为初步提取的感应电动势，re为高斯干扰残余系数。

可见初步提取的感应电动势中包含磨损颗粒信号，初始感应电动势幅值干扰(直流量)和残余高斯干扰。

3.2)将初步提取的信号经过高通滤波器后，信号中的初始感应电动势幅值干扰被滤除，所取得的电动势信号为：

epdf＝ep(fe,vp)+ren(t)(14)

其中，epdf为滤除初始感应电动势幅值干扰的电动势信号。

滤除初始感应电动势幅值干扰的信号如图8所示，可见该信号中磨损颗粒信号特征已初步被提取出来，但信号中未滤除的高斯干扰信号仍影响颗粒信号幅值的识别。通过对上述信号进行整形，可进一步提高磨损颗粒信号的信噪比，提高传感器检测能力。

3.3)采用emd分解方法，将滤除初始感应电动势幅值干扰的电动势信号epdf分解为若干固有模态函数和剩余项：

其中，cm(t)表征第m个固有模态函数，r(t)表征剩余项。

3.4)剩余项和部分高阶固有模态函数主要包含信号中残余的低频干扰，因此采用去趋势化方法滤除残余的低频干扰。

定义信号趋势项为：若第k1阶固有模态函数满足：

其中mean()表征平均数函数，ht＝0.05|mean(r(t))|。

则第k1阶以及更高阶固有模态函数以及剩余项均将被视为趋势项，并从信号中剔除。

3.5)低阶固有模态函数包含信号中的高频干扰，因此在信号整形过程中，采用逆向重构的方法滤除残余的高频干扰。逆向重构过程中，以第k1-1阶固有模态函数为基础，逐步逆向叠加更低阶固有模态函数，可得到一组重构的信号：

其中表征第j个重构的信号。

3.6)由于理想磨损颗粒信号为一个标准的正弦波，因此，为了评估所有重构信号的信号整形效果，分别求得各重构信号与标准正弦信号的互相关系数，并取得互相关系数绝对值最大的重构信号为最终的磨损颗粒信号。整形后的磨损颗粒信号如图9所示，可见信号中干扰杂波被极大程度的滤除。

4)当磨损颗粒信号被有效提取之后，由于磨损颗粒信号幅值与有效磁场频率fe有关。而磨损颗粒通过传感器的速度v会影响有效磁场频率fe,因此，当同一磨损颗粒以不同速度通过传感器时，磨损颗粒信号将发生改变，而造成对磨损颗粒粒度估计出现偏差。为了提高检测结果的一致性，抵消颗粒速度变化对磨粒粒度估计的影响，需要对提取的磨损颗粒信号幅值进行补偿，得到修正过的磨损颗粒信号。

根据步骤2)中磨损颗粒引起的感应电动势的计算，考虑不同有效磁场频率下颗粒内的磁滞损失和涡流损失，进一步推导得出磨损颗粒信号补偿函数η(fe)：

进而得到修正过的磨损颗粒信号em为：

综上所述可知，通过为传感器各线圈增加铁芯的方式可以增强磨损颗粒引起的感应线圈的磁通量变化，并使得感应线圈输出更大的感应电动势，同时采用本发明提出的磨损颗粒信号快速提取系统，可以极大程度的滤除传感器原始信号中的干扰，增强传感器输出信号的信噪比，有益于磨损颗粒信号的提取。为证明该磨损颗粒检测系统的有效性，直径60微米的铁磁性颗粒通过传感器，传感器输出信号如图10所示，可见本发明产生的磨损颗粒信号幅值相比传统传感器结构信号幅值放大了2倍，大幅提高了磨损颗粒检测传感器的灵敏度以及传感器对于小磨损颗粒的检测能力。

本发明的传感器模块各线圈采用了谐振原理，同时为所有线圈内部添加了铁芯，以放大传感器内部磁感应强度，以及增强磨损颗粒通过传感器时的磁化或涡流效应，并最终提高传感器输出感应电动势。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件及步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。