基于GMR磁传感器的小尺寸铁磁性磨粒监测技术

2019-10-14孙云岭田洪祥

仪表技术与传感器 2019年9期

李飞，孙云岭，田洪祥，李婧

(1.海军潜艇学院，山东青岛 266041；2.海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033)

0 引言

磨损失效[1]是机械设备典型的故障形式，通过在线监测技术实时、连续监测在用润滑油中的磨损微粒，及时动态地获取摩擦学系统的润滑磨损等信息，可有效诊断预测设备异常磨损故障[2]。现有的磨粒在线监测技术中，电磁学效应的应用相对广泛、效果较好，基于电磁感应原理的三线圈式磨粒在线监测仪可检测出 100 μm以上的磨屑[3]并已实现商业化应用,国内相关学者对该类传感器进行了深入研究和创新应用[4-5]；基于高强度和高梯度磁场沉积铁磁质的铁谱技术已实现了在线可视化应用[6]。就目前应用来看，现有的铁磁性磨粒在线监测方法还存在成本高、对小尺寸颗粒检出能力不足等问题，尚难以满足实际工程应用的需求。

文献[7]基于巨磁电阻效应利用巨磁电阻磁传感器芯片离线监测油液铁磁性磨粒，测试结果可较好反映磨粒的浓度而基本不受其尺寸的影响。实验发现，巨磁电阻磁传感器易受外界空间电磁波等的干扰而产生一定的噪音信号，可能会湮没单个小尺寸磁化磨粒的微弱磁场信号，造成对较小尺寸铁磨粒的检测能力不足，而小尺寸铁磁性磨粒正是异常磨损的早期征兆[8]；文献[9-10]在螺线管式传感器的上端油路用磁铁聚集一定量的磨粒后释放，显著提高了传感器对小尺寸磨粒的检出能力。在上述研究基础上，本研究尝试将巨磁电阻效应应用于实际循环油路中铁磁性磨粒的在线监测，并结合磨粒聚集的方法以提升巨磁电阻磁传感器对小尺寸颗粒的检出能力。

1 装置及检测方法介绍

1.1 在线监测实验平台

结合巨磁电阻效应和磨粒聚集法，设计并搭建了如图1所示的在线监测实验平台。

(a)装置原理图

(b)装置实物图图1 在线监测实验平台

1.2 实验磨粒制备

用铁谱显微镜分别选取直径约为250、120、75 μm等的单个近似球形铁磨粒，用精密筛网分别筛选<25 μm、10～50 μm、20～70 μm、50～120 μm等不同尺寸范围的铁粉颗粒，如图2所示。

1.3 检测方法及原理

(a)120 μm单磨粒

(b)75 μm单磨粒

(c)<25 μm铁粉图2 部分实验用磨粒显微观测图

将待测磨粒通过颗粒添加装置添加至循环油路中，实验磨粒随油液流经置于传感器芯片前端油路外侧底部的强磁铁时，被磁场吸附聚集并被磁化，一段时间后撤走外磁场释放磨粒(实际操作中，可用电磁铁通断电实现磨粒的自动聚集与释放)，磨粒随油路以一定的速度通过巨磁电阻磁传感器(同样置于油路外侧底部)，传感器芯片可输出与磨粒剩磁场强度相关的电压信号，信号放大器将该电压信号放大一定倍数后经数据采集卡传输至计算机并进行滤波等分析处理。由于实验用磁传感器芯片仅适用于弱磁场的检测，强磁场极易导致工作中的芯片损毁，故实验过程中需先撤走用来聚集磨粒的强磁铁，再接通传感器芯片电源，此外，用干电池作为传感器芯片和放大电路的电源，也可有效降低交流电磁场对传感器芯片输出信号的干扰。

2 磨粒检出能力

将制备的不同尺寸单个铁磨粒添加至油路，研究实际循环油路条件下传感器对单个磨粒的检出能力。先后利用巴特沃斯低通滤波器和高通滤波器滤去系统原始输出信号中的高频噪声和低频缓变信号，结果如图3所示(采样频率为1 000 Hz)。

图3中明显观测到了120 μm左右磨粒的特征波形，但尺寸为75 μm的磨粒检测信号不够明显，说明装置对75 μm以下的单个铁磨粒检测能力不足，同时考虑到在循环油路中难以有效掌控该尺寸范围内小磨粒的运动状态，故将一定量筛选的小尺寸铁粉添加至循环油路用磁铁聚集法进行实验，经滤波处理后的检测信号曲线如图4所示(采样频率为1 000 Hz)。

(a)120 μm单磨粒检测曲线

(b)75 μm单磨粒检测曲线图3 不同尺寸单颗粒的检测曲线

(a)10～50 μm铁粉检测曲线

(b)<25 μm铁粉检测曲线图4 不同尺寸多颗粒的检测曲线

由图4检测曲线可知，在线监测装置通过磨粒聚集的方法检测到了较小尺寸的磨粒，其中，检测曲线中间出现较明显波动的部分为磨粒信号区间，两端较平缓的部分为非磨粒信号区间。实验过程中观察发现，经外磁场的聚集作用后，磨粒以较高的局部浓度通过传感器监测区域；此外，磨粒经磁化后具备一定磁性，部分单个小尺寸磨粒在磁性力相互作用下吸引在一起形成大尺寸磨粒团，因而显著提高了该装置的检出能力。

3 多颗粒检测信号特征指标的提取

对比图3和图4可知，单磨粒与多磨粒的检测信号波形差别较大，多磨粒的检测信号特征更为复杂，为进一步实现定量分析，需选取能较好反映磨粒平均水平的特征指标，该特征指标需要满足2个条件：一是能明显区分磨粒信号与非磨粒信号；二是该指标一致性良好。

均值、平均差、方差、标准差、协方差、均方根等统计量常用来反映信号的特征[11]。根据统计学相关知识[12]，分别提取一阶统计量极差，二阶统计量标准差，三阶统计量偏度，四阶统计量峰度对检测曲线进行分析。

选取同一实验条件下重复检测得到的5组检测信号，分别计算其非磨粒信号区间、磨粒信号区间的极差、标准差、偏度系数、峰度系数4个指标值，再求出磨粒信号区间各指标的离散系数(用V表示)及磨粒信号区间相对非磨粒信号区间各指标的增长率(用Gr表示)。

(1)

(2)

结果如表1所示。

表1 特征指标分析

由表1对各特征指标的分析可知，磨粒信号区间的极差、标准差、峰度系数3个指标的离散系数均在10%以内，说明这3个指标一致性较好，可以用来稳定地反映磨粒水平，而偏度系数的离散系数较大，该指标一致性较差，不宜用来反映磨粒水平；从增长率来看，极差、标准差、偏度系数的增长率又明显大于峰度系数，能够有效区分磨粒信号和非磨粒信号；故选用极差、标准差2个指标来分析检测曲线。

4 相关变量对检测结果的影响

巨磁电阻磁传感器的输出信号强度与待测磁场的大小有关[13]，而多个磁化磨粒作用于传感器芯片的复合剩余磁场强度可能取决于磨粒浓度、含量、尺寸等因素；实验过程中，磨粒在外磁场中聚集成一团，撤走外磁场后，磨粒团在多种流体力作用下逐渐分散，分散程度可能与运动的距离有关。综上，采用控制变量法，研究磨粒聚集区与芯片的距离、磨粒质量、磨粒尺寸对检测结果的影响程度。

4.1 磨粒聚集位置对检测结果的影响

取定量尺寸为20～70 μm的铁粉进行实验，先后在传感器上游2、4、6、8、10 cm位置处聚集磁化实验磨粒，同一位置条件下均进行5次检测，求5组检测数据磨粒信号区间的特征指标后取平均值，结果如图5所示。

图5 磨粒聚集位置对检测结果的影响

由图5可知，随着聚集位置与传感器芯片之间距离的增加，磨粒信号区间的极差和标准差均明显减小，即检测信号强度变弱，可知当这一距离进一步增大时，装置可能难以有效检测出磨粒信号。为确保装置的检测性能，最佳的磨粒聚集位置应尽量靠近传感器芯片，同时，为避免用来聚集磨粒的强磁场对巨磁电阻磁传感器芯片的干扰性及破坏性，在实际操作中，需要增设严密的磁屏蔽装置，或者用电磁铁代替永磁铁，通过控制电磁铁与传感器芯片的通断电先后顺序避免二者同时工作。