基于GMR磁傳感器的油液鐵磁性磨粒在線監(jiān)測方法仿真分析

李飛 孫云嶺 劉丙杰

摘要：針對一種基于GMR（巨磁阻）磁傳感器的油液鐵磁性磨粒在線監(jiān)測方法，應(yīng)用Ansoft Maxwell和Matlab軟件對其檢測信號進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)仿真信號波形與實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，且仿真信號的幅值與磨粒尺寸之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，從而在理論層面驗(yàn)證了該監(jiān)測方法的可行性。

關(guān)鍵詞：GMR磁傳感器;油液分析;鐵磁性磨粒;在線監(jiān)測

0 引言

潛艇等大型裝備的傳動裝置長期在高速、重載條件下工作，磨損失效是該類機(jī)械裝置常見的故障形式[1]。在線監(jiān)測技術(shù)可以在設(shè)備正常運(yùn)行不停機(jī)的情況下，通過相關(guān)傳感器實(shí)時(shí)、連續(xù)檢測在用潤滑油中的磨損微粒，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取設(shè)備摩擦學(xué)系統(tǒng)的潤滑及磨損狀態(tài)[2]。該在線監(jiān)測技術(shù)主要基于金屬磨屑的磁性、電學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等物理效應(yīng)，利用不同原理的傳感裝置進(jìn)行監(jiān)測，但由于受到精度、靈敏度、環(huán)境適應(yīng)性等技術(shù)局限，鮮有真正投入工業(yè)應(yīng)用的相關(guān)產(chǎn)品[3]。因此，有必要研究新的磨粒在線監(jiān)測方法，以更好地滿足工程應(yīng)用需求。

1 基于GMR磁傳感器的在線監(jiān)測方法

文獻(xiàn)[4]利用GMR磁傳感器離線檢測鐵磁性磨粒，本研究嘗試將GMR磁傳感器芯片應(yīng)用于油液鐵磁性磨粒的在線監(jiān)測。鐵磁性磨粒會被外加磁場磁化而攜帶一定的微弱磁場，故考慮利用強(qiáng)磁鐵捕獲并磁化潤滑油路中的鐵磁性磨粒，用GMR磁傳感器芯片檢測磨粒攜帶的磁場，從檢測信號中判斷磨粒的有無、尺寸等信息，從而對油路中的鐵磁性磨粒實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。

2 實(shí)物實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述在線監(jiān)測方法的可行性，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，以單個球形磨粒為對象進(jìn)行檢測。

預(yù)實(shí)驗(yàn)獲取了較為明顯的檢測信號，且檢測信號的波形主要呈現(xiàn)“正（余）弦”及“單峰”2種形態(tài)特征，如圖2所示。

3 仿真分析

為進(jìn)一步研究上述2種不同形態(tài)特征的檢測信號，本文結(jié)合電磁場仿真軟件Ansoft Maxwell和數(shù)學(xué)計(jì)算軟件Matlab，以球形磨粒為研究對象，模擬輸出GMR磁傳感器芯片的感應(yīng)信號并進(jìn)行相關(guān)分析。

球形磨粒被磁化后，其自身相當(dāng)于一個獨(dú)立的永磁體。為簡化研究模型，直接用球形永磁體來代替磁化后的球形磨粒進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，但永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于真實(shí)情況下磨粒磁化后的磁場，超出了傳感器的測量范圍，故需通過調(diào)整單位對磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行同比例縮小，進(jìn)行不計(jì)量綱的定性半定量分析。

3.1 ? ?球形磁體磁場分布仿真

在Ansoft Maxwell軟件中，利用Maxwell 3D模塊建立球形永磁體（半徑設(shè)為1 000 μm）的三維模型，用靜磁場求解器獲取其磁場分布情況，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，球形磁體的磁場分布情況類似于地球磁場，球體表面有2個對稱的磁極，球體外部磁力線由N極指向S極并與內(nèi)部磁力線共同形成閉合的回路，且磁場強(qiáng)度分布具有明顯的對稱性。

假設(shè)實(shí)際檢測過程中，球形磨粒以平動的運(yùn)動方式通過傳感器的檢測區(qū)域。首先分析傳感器與磨粒相對運(yùn)動平面內(nèi)的磁場變化情況。根據(jù)磁場分布的對稱性，選擇圖3所示的A、B兩個特殊平面分析其磁場分布情況，其中，A平面與兩磁極連線平行，B平面與兩磁極連線垂直，分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以直觀看出兩選定平面內(nèi)磁場強(qiáng)弱和方向的變化情況。GMR磁傳感器探頭通常包括微硅懸臂梁、調(diào)制NiFe膜、磁力線聚集器、基底、巨磁阻等微結(jié)構(gòu)和微器件，而磁敏電阻只是居于探頭中心位置的尺寸較小的元件[5]。假設(shè)球體磨粒從傳感器芯片的正上方（同時(shí)也是磁敏電阻的正上方）通過，現(xiàn)將磁敏電阻抽象為一個點(diǎn)，并假設(shè)球體磨粒靜止不動，則磁敏電阻分別在A、B平面內(nèi)相對于球體磨粒的運(yùn)動路徑如圖5中的直線a、b所示。

假設(shè)沿A、B平面的垂直方向是傳感器芯片的敏感方向，即磁場在垂直于A、B平面方向上的分量會影響傳感器的輸出值，而平行方向上的磁場分量對傳感器的輸出結(jié)果無影響。添加2條直線運(yùn)動路徑模型（空間上直線到球體表面距離設(shè)為100 μm），利用Maxwell后處理場計(jì)算器輸出直線運(yùn)動路徑上不同位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直分量大小，如圖6所示（僅做定性分析，不考慮量綱）。

圖6中2條不同直線運(yùn)動路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直分量變化曲線形態(tài)基本與圖4中的平面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布外輪廓線一致，說明計(jì)算結(jié)果正確，導(dǎo)出并保存該磁場變化數(shù)據(jù)，作為模擬傳感器的輸入數(shù)據(jù)。

3.2 ? ?GMR磁傳感器輸出檢測信號仿真分析

根據(jù)實(shí)物實(shí)驗(yàn)中GMR磁傳感器芯片的輸出特性曲線，從曲線上采集17組數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)，利用Matlab對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，擬合曲線及擬合方程如圖7所示（僅做定性分析，不考慮量綱）。

在Matlab中導(dǎo)入3.1中沿a、b運(yùn)動路徑上待測顆粒的磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直分量仿真數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器輸出特性擬合方程模擬輸出檢測結(jié)果，如圖8所示（不考慮量綱;橫坐標(biāo)表示在整條直線路徑上等間隔取1 000個點(diǎn)，路徑總長為7 500 μm）。

由圖8可以看出，待測顆粒在相對于球體的不同平面內(nèi)運(yùn)動時(shí)，檢測信號的形態(tài)呈現(xiàn)出類似正弦的曲線和單峰曲線，與圖2預(yù)實(shí)驗(yàn)檢測信號波形一致，說明圖2的特征信號極有可能為磨損顆粒的檢測信號。

3.3 ? ?顆粒尺寸對傳感器輸出結(jié)果的影響仿真分析

為進(jìn)一步研究顆粒尺寸對傳感器輸出結(jié)果的影響，保持其他參數(shù)不變，建立半徑分別為50 μm、100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500 μm、800 μm、1 000 μm的球形磁體模型，選擇A平面為芯片與球體的相對運(yùn)動平面，建立相應(yīng)的運(yùn)動路徑直線模型，按照3.1、3.2的步驟模擬輸出相應(yīng)的測試信號曲線，進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的無量綱定性分析，取模擬測試信號峰峰值的1/2作為相應(yīng)尺寸顆粒的檢測值，繪制檢測值隨顆粒尺寸的變化曲線，如圖9所示（僅做定性分析，不考慮量綱）。

由圖9可知，當(dāng)顆粒尺寸增大時(shí)，檢測信號值也隨之逐漸增加，故檢測信號強(qiáng)度可以用于反映磨損顆粒的尺寸。

4 結(jié)語

本文針對一種基于GMR磁傳感器的潤滑油鐵磁性磨粒在線監(jiān)測方法，利用Ansoft Maxwell和Matlab軟件對其檢測效果進(jìn)行了模擬仿真，分析出了檢測信號形態(tài)及檢測信號強(qiáng)度與顆粒尺寸的關(guān)系，初步表明了該在線監(jiān)測方法具備一定的可行性，為實(shí)物實(shí)驗(yàn)的研究提供了理論支撐。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 胡澤民，施洪生，亢凱，等.基于光學(xué)法的油液磨粒在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（8）：52-55.

[2] 陳學(xué)峰，李加唐.在線油液監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化，2014（6）：204-205.

[3] 王文瑾，馬靜.油液磨粒傳感器綜合測試平臺的設(shè)計(jì)研究[J].測控技術(shù)，2019，38（12）：83-87.

[4] 劉云濤，田洪祥，姜應(yīng)戰(zhàn)，等.基于巨磁電阻傳感器的油液鐵磁性磨粒檢測研究[J].潤滑與密封，2014，39（2）：89-93.

[5] 胡靖華.GMR磁傳感器信號檢測技術(shù)研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

收稿日期：2020-09-02

作者簡介：李飛（1992—），男，河南南陽人，碩士，助教，從事機(jī)械工程專業(yè)教學(xué)工作。