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油液污染是导致设备故障的重要原因之一，油液中的微米级颗粒污染物含有丰富的摩擦学信息及设备腐蚀信息，这些信息能够反映设备运行状况和故障情况，对油液中的污染物做出快速准确的区分和检测，不仅可以诊断出系统的故障部位，并且能够对机械设备进行状态监测和寿命预测，这对基于信息融合的现代故障诊断与预报理论来说具有重要价值。本文以国家自然科学基金项目为依托，提出基于微流体芯片的多参数微阻抗分析方法，通过单个微阻抗芯片对多个参数的共同检测分析，实现油液中铁磁性金属颗粒、非铁磁性金属颗粒以及非金属颗粒的区分检测，主要研究内容及结论如下:
(1)对油液中金属颗粒和非金属颗粒引起阻抗变化的机理进行了分析。对于金属颗粒，首先通过Maxwell方程组求解出了球形颗粒受到时谐磁场磁化时，在全空间引起的磁矢势变化，然后结合单个空心线圈受到时谐源激励时在空间产生的磁场分布，最终得到了金属颗粒在空间任意位置引起单线圈的电感变化表达式，通过电感变化方向可以区分铁磁性和非铁磁性金属颗粒。对于非金属颗粒，在时谐源激励下的平行板电容器中研究了颗粒和油液混合物的复介电常数模型，该模型揭示了引起电容变化的根本原因，通过电容变化方向可卧区分油液中的部分非金属颗粒。
(2)根据颗粒引起阻抗变化的机理，提出了多参数微阻抗分析方法，以此为依据设计了具有双线圈结构的螺线管型和平面型多参数微阻抗芯片，这两种芯片均具有电感检测和电容检测两种模式。针对芯片内的双电感线圈结构，进行了电感检测原理分析，首先推导了线圈的自感、双线圈的互感计算公式，结合金属颗粒磁化模型中颗粒引起单线圈的电感变化，最终得到了时谐磁场中，金属颗粒处于空间任意位置引起的双线圈等效电感变化的表达式。针对电容检测原理，将两个单层线圈等效成一对圆环形的平行电容极板并进行合理简化，应用Schwarz-Christoffel变换得到了该电容器计及边缘效应的电容计算公式，结合非金属颗粒与油液的混合复介电常数模型，最终得到了颗粒引起的复电容变化表达式。在对两种形式的微阻抗芯片的理论检测能力进行了对比分析后，得出螺线管型芯片的整体检测灵敏度要高于平面型芯片。
(3)对螺线管型和平面型两种形式的微阻抗检测芯片进行了实验研究。根据理论分析中电感检测的影响因素，首先对螺线管型芯片从激励频率和线圈匝数两方面进行了检测实验，并结合理论分析对这两个参数进行了优化，然后利用不同粒径的金属颗粒．使用最优参数对两种形式的芯片进行电感幅值的标定，最后得到螺线管型芯片对铁颗粒的下限为40μm，对铜颗粒的检测下限为110μm;平面型芯片对铁颗粒的检测下限为80μm，对铜颗粒的检测下限为150μm。根据理论分析中电容检测的影响因素，同样从激励频率和线圈匝数两方面进行了检测实验，并结合理论分析对这两个参数进行了优化，然后利用不同粒径的水滴和气泡，使用最优参数对两种形式的芯片进行电容幅值的标定，最后得到螺线管型芯片对水滴的检测下限为110μm，对气泡的检测下限为180μm;平面型芯片对水滴的检测下限为180μm，对气泡的检测下限为240μm。
(4)针对两种形式检测芯片的特点，在灵敏度和通量两个方面对检测芯片进行优化研究。第一是基于铁芯增强磁场原理的灵敏度优化，首先根据前面的两种芯片设计并制作了平面型和螺线管型铁芯微阻抗芯片，用COMSOL软件对带铁芯的两种芯片进行电磁场仿真，分析了其提高灵敏度的机理，然后进行相关实验对芯片的检测效果进行分析和理论验证，最终平面型铁芯微阻抗芯片将铁颗粒的检测下限提升为33μm，铜颗粒的检测下限提升为90μm，水滴的检测下限提升为100μm，气泡的检测下限提升为180μm。而螺线管型铁芯微阻抗芯片将铁颗粒的检测下限提升为18μm，铜颗粒的检测下限提升为75μm，但是电容的检测下限没有变化。第二是基于LC谐振原理的灵敏度优化，提出了外加LC振荡电路的双线圈谐振式微阻抗芯片，对该芯片的检测机理进行了分析，并结合实验全面分析了芯片的频率特性，得到了铁颗粒和铜颗粒的最佳检测频率，在最优激励频率下成功检测到了10μm的铁颗粒和50μm的铜颗粒，已经超过了绝大部分现有的电感式油液传感器的检测灵敏度。第三是针对微流体芯片通量较低的问题，结合电感和电容的检测特点，对芯片中的微通道结杓进行改进研究，设计了一种环形截面的微通道，在不降低检测灵敏度的前提下将油液的理论通量提高了8倍。
(1)对油液中金属颗粒和非金属颗粒引起阻抗变化的机理进行了分析。对于金属颗粒，首先通过Maxwell方程组求解出了球形颗粒受到时谐磁场磁化时，在全空间引起的磁矢势变化，然后结合单个空心线圈受到时谐源激励时在空间产生的磁场分布，最终得到了金属颗粒在空间任意位置引起单线圈的电感变化表达式，通过电感变化方向可以区分铁磁性和非铁磁性金属颗粒。对于非金属颗粒，在时谐源激励下的平行板电容器中研究了颗粒和油液混合物的复介电常数模型，该模型揭示了引起电容变化的根本原因，通过电容变化方向可卧区分油液中的部分非金属颗粒。
(2)根据颗粒引起阻抗变化的机理，提出了多参数微阻抗分析方法，以此为依据设计了具有双线圈结构的螺线管型和平面型多参数微阻抗芯片，这两种芯片均具有电感检测和电容检测两种模式。针对芯片内的双电感线圈结构，进行了电感检测原理分析，首先推导了线圈的自感、双线圈的互感计算公式，结合金属颗粒磁化模型中颗粒引起单线圈的电感变化，最终得到了时谐磁场中，金属颗粒处于空间任意位置引起的双线圈等效电感变化的表达式。针对电容检测原理，将两个单层线圈等效成一对圆环形的平行电容极板并进行合理简化，应用Schwarz-Christoffel变换得到了该电容器计及边缘效应的电容计算公式，结合非金属颗粒与油液的混合复介电常数模型，最终得到了颗粒引起的复电容变化表达式。在对两种形式的微阻抗芯片的理论检测能力进行了对比分析后，得出螺线管型芯片的整体检测灵敏度要高于平面型芯片。
(3)对螺线管型和平面型两种形式的微阻抗检测芯片进行了实验研究。根据理论分析中电感检测的影响因素，首先对螺线管型芯片从激励频率和线圈匝数两方面进行了检测实验，并结合理论分析对这两个参数进行了优化，然后利用不同粒径的金属颗粒．使用最优参数对两种形式的芯片进行电感幅值的标定，最后得到螺线管型芯片对铁颗粒的下限为40μm，对铜颗粒的检测下限为110μm;平面型芯片对铁颗粒的检测下限为80μm，对铜颗粒的检测下限为150μm。根据理论分析中电容检测的影响因素，同样从激励频率和线圈匝数两方面进行了检测实验，并结合理论分析对这两个参数进行了优化，然后利用不同粒径的水滴和气泡，使用最优参数对两种形式的芯片进行电容幅值的标定，最后得到螺线管型芯片对水滴的检测下限为110μm，对气泡的检测下限为180μm;平面型芯片对水滴的检测下限为180μm，对气泡的检测下限为240μm。
(4)针对两种形式检测芯片的特点，在灵敏度和通量两个方面对检测芯片进行优化研究。第一是基于铁芯增强磁场原理的灵敏度优化，首先根据前面的两种芯片设计并制作了平面型和螺线管型铁芯微阻抗芯片，用COMSOL软件对带铁芯的两种芯片进行电磁场仿真，分析了其提高灵敏度的机理，然后进行相关实验对芯片的检测效果进行分析和理论验证，最终平面型铁芯微阻抗芯片将铁颗粒的检测下限提升为33μm，铜颗粒的检测下限提升为90μm，水滴的检测下限提升为100μm，气泡的检测下限提升为180μm。而螺线管型铁芯微阻抗芯片将铁颗粒的检测下限提升为18μm，铜颗粒的检测下限提升为75μm，但是电容的检测下限没有变化。第二是基于LC谐振原理的灵敏度优化，提出了外加LC振荡电路的双线圈谐振式微阻抗芯片，对该芯片的检测机理进行了分析，并结合实验全面分析了芯片的频率特性，得到了铁颗粒和铜颗粒的最佳检测频率，在最优激励频率下成功检测到了10μm的铁颗粒和50μm的铜颗粒，已经超过了绝大部分现有的电感式油液传感器的检测灵敏度。第三是针对微流体芯片通量较低的问题，结合电感和电容的检测特点，对芯片中的微通道结杓进行改进研究，设计了一种环形截面的微通道，在不降低检测灵敏度的前提下将油液的理论通量提高了8倍。