基于GMR磁傳感器的油液鐵磁性磨粒在線監(jiān)測實驗研究*

李 飛1 孫云嶺1 田洪祥1 何 偉 馮 偉

(1.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 湖北武漢 430033; 2.廣州機械科學(xué)研究院設(shè)備狀態(tài)檢測研究所 廣東廣州 510700)

油液磨粒在線監(jiān)測技術(shù)通過對設(shè)備摩擦學(xué)系統(tǒng)進行實時、連續(xù)的監(jiān)測，可及時動態(tài)地獲取被監(jiān)測對象的潤滑磨損等信息，避免信息滯后，有效地彌補了離線監(jiān)測方法的不足[1]。該技術(shù)主要利用基于磁性、電學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等物理效應(yīng)的傳感裝置實現(xiàn)在線監(jiān)測，其中，基于磁性效應(yīng)的監(jiān)測方法效果較好，應(yīng)用廣泛[2]。如三線圈式的油液磨粒在線監(jiān)測儀MetalSCAN已多次成功實現(xiàn)了航空發(fā)動機的故障預(yù)警，可檢測出100 μm 以上的磨屑[3]，并可區(qū)分鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒。文獻(xiàn)[4]在傳統(tǒng)三螺線管式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用平面檢測線圈結(jié)構(gòu)以縮短檢測螺線管長度，采用微通道結(jié)構(gòu)以減小螺線管半徑，檢測到了尺寸小于100 μm的鐵磁性磨粒，提升了靈敏度。文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種基于磁場力的磨粒在線監(jiān)測新方法，能有效捕獲10 μm以上的鐵磁性磨粒，實現(xiàn)對設(shè)備早期故障的預(yù)報。就目前的應(yīng)用來看，現(xiàn)有的鐵磁性磨粒在線監(jiān)測方法尚存在一些缺點，例如：成本高，監(jiān)測方法有限，精度及可靠性有待提高，實現(xiàn)工程化應(yīng)用的產(chǎn)品很少等。因此，有必要研究新的在線監(jiān)測方法以滿足工程實踐的迫切需求。

美國專利US4686469提出了在油路中用過濾裝置捕獲集聚磨粒并用外加磁場進行磁化，爾后用磁力計測磨粒的磁化磁場大小，實現(xiàn)鐵磁性磨粒在線監(jiān)測的方法[6]。傳統(tǒng)的磁力計如霍爾傳感器靈敏度低，鐵磁性磨粒檢出能力不高，而GMR磁傳感器可有效檢測微弱磁場，文獻(xiàn)[7]利用該類傳感器實現(xiàn)了對鐵磁性磨粒的離線檢測，能夠較好地反映油樣的鐵磁性磨粒濃度，但不能反映顆粒的尺寸。本文作者嘗試改進該方法，用于油液中單個鐵磁性磨粒的在線監(jiān)測。

1 檢測原理

根據(jù)技術(shù)磁化曲線，鐵磁物質(zhì)在外加磁場作用下被磁化，撤去外加磁場后，鐵磁物質(zhì)不能自發(fā)地完全退磁，而是存在一定的剩余磁場[8]?；诰薮烹娮栊?yīng)的GMR磁傳感器芯片靈敏度高、線性度好、成本低、溫度特性好，被廣泛應(yīng)用于微弱磁場的檢測[9]。

據(jù)此，可利用強磁鐵產(chǎn)生的磁場捕獲并磁化油路中的鐵磁性磨粒，移走磁鐵后，再利用GMR磁傳感器芯片檢測磨粒的剩余磁場，從而實現(xiàn)對油路中鐵磁性磨粒的在線監(jiān)測。由于磨粒尺寸一般為微米級，攜帶的剩余磁場較弱，使得傳感器芯片產(chǎn)生的感應(yīng)信號較小，因此需要后續(xù)放大電路將感應(yīng)信號放大一定倍數(shù)，便于后續(xù)的信號采集與分析處理。

綜上，設(shè)計了如圖1所示的油液在線監(jiān)測系統(tǒng)。油液中的鐵磁性磨粒被置于油路外側(cè)的強磁鐵吸附積聚并被磁化，移走磁鐵后，磨粒隨油液經(jīng)過GMR磁傳感器時，芯片在磨粒剩余磁場的作用下輸出感應(yīng)信號，該信號經(jīng)放大后被數(shù)據(jù)采集裝置采集。

受地磁場及空間電磁波等的干擾，采集的原始信號含有較多高頻噪聲，用低通濾波器濾波后即可清楚地觀測到磨粒引起的信號波形及大小。由于該信號大小取決于剩余磁場強度，磁場強度越大，感應(yīng)信號也就越強，而剩余磁場強度又與磨粒尺寸有關(guān)，故可通過該信號確定磨粒的存在并粗略判斷其尺寸。

圖1 磨粒在線監(jiān)測系統(tǒng)

2 試驗裝置及方法

2.1 試驗平臺及試驗方法

為檢驗上述在線監(jiān)測系統(tǒng)的可行性及實際效果，搭建了如圖2所示的試驗平臺，主要包括：SA系列GMR磁傳感器芯片，信號放大電路，7335A數(shù)據(jù)采集卡，直流電源(干電池)，信號處理裝置(計算機)，環(huán)形永磁鐵，塑料軟管及鑷子、秒表、高斯計等輔助器材。

圖2 實驗平臺

因在循環(huán)油路中難以有效掌控微小磨粒的運動狀態(tài)及位置，故試驗采用“模擬在線”的形式，即將待測磨粒置于塑料軟管中，拖動軟管帶著磨粒以一定速度經(jīng)過傳感器芯片，如圖3所示。

圖3 “模擬在線”方法

試驗采用控制變量法，首先對整套裝置的相關(guān)參數(shù)加以優(yōu)化，以滿足最佳的檢驗效果；然后對輸出信號與速度、溫度的關(guān)系，優(yōu)化裝置的檢出能力、一致性等性能進行研究。

2.2 檢測對象

文中以不同尺寸的單個鐵磨粒為研究對象。在鐵譜顯微鏡下(放大倍數(shù)為100倍)觀察并篩選出尺寸為60～400 μm的鐵粉顆粒并存放于油樣管中。其中，400 μm顆粒為定制的標(biāo)準(zhǔn)球形磨粒，其他尺寸的顆粒近似為球形磨粒，如圖4所示。

圖4 部分實驗用磨粒顯微鏡觀測圖

3 試驗優(yōu)化設(shè)計及結(jié)果分析

3.1 裝置相關(guān)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

為增強傳感器對某一磨粒的感應(yīng)信號強度，優(yōu)化檢出性能，需使該顆粒的剩余磁場盡可能大，首先研究了外磁場強度、作用時間以及撤去外磁場后的時間與剩磁場強度的關(guān)系。由磁化曲線知，當(dāng)外磁場強度超過一定值時，磨粒會得到充分的磁化而達(dá)到飽和磁化狀態(tài)[10]，用高斯計測得環(huán)形永磁鐵表面最大磁場約為0.26 T，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)可以滿足使磨粒飽和磁化的要求。控制其他參數(shù)不變，在0～6 min內(nèi)取不同的磁化作用時間，發(fā)現(xiàn)在磁化時間超過10 s以后，傳感器對400 μm鐵磨粒的輸出信號值在一定誤差范圍內(nèi)波動，無明顯增長趨勢，說明鐵顆粒在外加磁場的作用下很快就能達(dá)到飽和磁化狀態(tài)。在撤去外加磁場后的不同時刻進行試驗，結(jié)果表明，磨粒剩余磁場在外磁場消失后的至少24 h內(nèi)無明顯衰減。

磨粒的剩余磁場為非均勻磁場，隨空間位置的改變而改變，越接近磨粒表面的位置磁場強度也就越大。試驗中塑料軟管的壁厚控制著傳感器芯片與磨粒表面的距離，管壁越薄，則傳感器越接近磁化磨粒，輸出的感應(yīng)信號越強。因此，從實驗室現(xiàn)有的4組不同壁厚的塑料管(壁厚分別為1.1、0.8、0.36、0.2 mm)中，選取壁厚為0.2 mm的塑料管，以提高檢測信號強度，優(yōu)化裝置檢測性能。

為進一步提升裝置的檢測性能，對磨粒經(jīng)過傳感器芯片的方向進行研究，共選取圖5所示的8 個方向進行實驗。

圖5 磨粒經(jīng)過傳感器的方向

同一400 μm磁化磨粒分別從圖示8 個方向經(jīng)過傳感器，采集并記錄系統(tǒng)輸出的信號值，每個方向測3 組數(shù)據(jù)，取平均值后如圖6所示。

圖6 不同磨粒運動方向下輸出信號變化

由圖6可知，其他條件相同時，方向1和方向5是傳感器最為敏感的方向。

綜上，在后續(xù)試驗中用上述環(huán)形磁鐵磁化磨粒30 s以上，取壁厚為0.2 mm的塑料管帶動待測磨粒從方向1經(jīng)過傳感器；同時，理論和試驗均表明，增加傳感器芯片的供電電壓及放大電路增益均能有效提高感應(yīng)信號的幅值，提升檢測能力，而芯片的供電范圍為DC1～7 V，7335A連續(xù)采集程序可采集的信號幅值有限，故芯片供電電壓和信號放大倍數(shù)又不宜過大，取芯片供電電壓為DC6 V，放大電路放大倍數(shù)為350倍，以取得最佳的檢測效果。

3.2 裝置檢測性能研究

根據(jù)3.1節(jié)分析結(jié)果，改進了試驗裝置及試驗相關(guān)參數(shù)，用前述“模擬在線”方法研究溫度、磨粒運動速度對該檢測裝置輸出的影響，以及裝置檢出能力、檢出結(jié)果一致性等性質(zhì)。

3.2.1 溫度對檢測結(jié)果的影響

根據(jù)鐵磁學(xué)相關(guān)知識，溫度對鐵磁質(zhì)的磁性影響較大，當(dāng)溫度達(dá)到居里溫度之后，帶磁物質(zhì)的磁性會自發(fā)消失[9]。潤滑油的實際工作環(huán)境溫度常常高達(dá)90 ℃左右，因此有必要研究該溫度變化對剩余磁場和檢驗效果的影響。

文中共進行3 組試驗，每組試驗中，利用烘箱將含有磁化磨粒的塑料軟管分別加熱至40、60、80、95 ℃，并保溫15 min，取出后立刻進行檢測并比較加熱后系統(tǒng)輸出值的變化，如圖7所示。

圖7 不同溫度下輸出信號的變化規(guī)律

由圖7可知，隨著溫度的增加，系統(tǒng)的檢測信號值幾乎無變化，說明在油液實際工作的高溫環(huán)境中，該裝置的檢測性能基本不受影響。

3.2.2 磨粒運動速度對檢測結(jié)果的影響

潤滑油在實際工作環(huán)境中的流速往往較快，當(dāng)增益較大時，由于放大電路頻響特性的限制，系統(tǒng)響應(yīng)速度會有所減慢，因而難以獲取傳感器輸出的峰值電壓，使測得的信號值小于真實值[11]，故系統(tǒng)的放大增益值必須確保磨粒的運動速度對輸出信號值影響不大；同時，傳感器芯片的頻率響應(yīng)范圍有限，過快的磨粒運動速度也可能對其檢測能力產(chǎn)生影響。

先后設(shè)置放大電路增益為350 倍和150 倍，控制磁化后的400 μm標(biāo)準(zhǔn)球形磨粒以不同的速度經(jīng)過傳感器芯片。磨粒在2種增益下以不同的速度通過檢測系統(tǒng)的測試曲線如圖8所示。

圖8 輸出信號隨磨粒速度變化規(guī)律

由圖8可知，隨著磨粒運動速度的增加，2種增益下檢測系統(tǒng)輸出信號值均在一定范圍內(nèi)波動并略有減小，說明檢測裝置的頻響特性良好，響應(yīng)值受磨粒運動速度的影響不大。

3.2.3 檢出能力試驗研究

選取尺寸約為200、130、75、60 μm的近似球形鐵磨粒，充分磁化后，以相同的速度緩緩經(jīng)過傳感器芯片。

圖9 濾波前后檢測信號對比(200 μm磨粒)

如圖9(a)所示，檢測系統(tǒng)的原始輸出信號中，有用的磨粒信號大部分或者全部湮沒在噪聲信號中。用巴特沃斯低通濾波器可過濾掉干擾信號[12]，濾波后的檢測信號如圖9(b)所示。不同尺寸磨粒降噪后的檢測曲線如圖10所示(采樣頻率為1 000 Hz)。

圖10 不同尺寸磨粒的檢測曲線

對比圖9(a)和圖9(b)可知，低通濾波器有效濾去了大部分噪聲，利于觀測磨粒信號。從圖10中可看出較為明顯的磨粒特征信號波形，且隨著磨粒尺寸的減小，其輸出信號峰值隨之減小，其中75 μm磨粒的信號峰值在±10 mV以內(nèi)。由于濾波器不可能完全降噪，故尺寸更小、剩余磁場更弱的60 μm磨粒的信號湮沒在噪聲信號中(如圖10(c)所示)，難以準(zhǔn)確辨別出來，說明該檢測裝置只能有效檢測出尺寸為75 μm及以上的單個鐵磨粒。

3.2.4 輸出結(jié)果一致性研究

分別對尺寸約為400、280、200 μm近似球形磨粒進行了檢測。對同一磨粒進行檢測時，在控制試驗參數(shù)和條件相同的前提下各記錄10組數(shù)據(jù)，研究該裝置輸出的一致性。各次測得的輸出信號值(取磨粒信號波峰值與波谷值的平均值)如表1所示。

表1 不同尺寸磨粒一致性試驗檢測值

以某一尺寸磨粒的10組測試數(shù)據(jù)的平均值作為該尺寸磨粒的標(biāo)準(zhǔn)檢測信號值，分別計算各組數(shù)據(jù)的相對誤差δ，再以10組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和均值的比值來計算離散系數(shù)V[13]，如表2所示。

表2 不同尺寸磨粒檢測值一致性分析

由表2可知，輸出信號值相對誤差最大為17.2%，其中，相對誤差在10%以內(nèi)的有21個，占總樣本的70%；3種尺寸磨粒的輸出信號值的離散系數(shù)均在10%以內(nèi)，說明該裝置輸出一致性良好。

4 結(jié)論

(1)試驗初步表明了GMR磁傳感器芯片可用于油液鐵磁性磨粒的在線監(jiān)測，可有效檢測出尺寸在75 μm以上的鐵磨粒。

(2)在95 ℃以內(nèi)的工作溫度和5 cm/s以內(nèi)的運動速度條件下，傳感器芯片的輸出值基本不受影響；不同尺寸磨粒輸出信號值的離散系數(shù)均在10%之內(nèi)，輸出結(jié)果一致性良好。

(3)試驗在“模擬在線”條件下進行，與潤滑油復(fù)雜的實際流動環(huán)境差別較大，還需研究其他的信號降噪方法，進行循環(huán)油路條件下的試驗研究。