高梯度靜磁場(chǎng)的多通道磨粒檢測(cè)傳感技術(shù)研究

王立勇 ，王文平 ，賈然 ?，陳濤 ，孫光新

（1.北京信息科技大學(xué) 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；2.北京機(jī)械設(shè)備研究所 總裝調(diào)試室，北京 100854）

隨著機(jī)械設(shè)備逐漸向大型化、復(fù)雜化、精密化方向發(fā)展，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行對(duì)可靠性的要求也逐漸提高.對(duì)大型機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)及早期故障進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估與預(yù)警，是保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要手段［1］.因此，發(fā)展先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)及完備的健康評(píng)估體系對(duì)提高設(shè)備健康管理及智能運(yùn)維的水平，促進(jìn)裝備現(xiàn)代化、信息化與智能化水平具有重要意義［2］.機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，關(guān)鍵零部件的異常磨損是引起機(jī)械設(shè)備性能劣化并導(dǎo)致早期故障的重要原因［3］.開展機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究是實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備早期異常檢測(cè)與健康狀態(tài)評(píng)估的重要手段［4］.機(jī)械設(shè)備發(fā)生異常磨損時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量磨粒，磨粒作為磨損現(xiàn)象的產(chǎn)物，其數(shù)量、大小、形狀均可反映機(jī)械設(shè)備的摩擦磨損狀態(tài)［5］.因此，對(duì)潤(rùn)滑油液中磨粒的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)與分析，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)表征與評(píng)估的重要方法.

磨粒在線檢測(cè)傳感器是實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油液中的磨粒特征檢測(cè)的重要途徑.根據(jù)檢測(cè)原理的不同，磨粒在線監(jiān)測(cè)傳感器可分為電磁式、電容式、光譜式和超聲檢測(cè)式等［6］.其中電磁式傳感器利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)磨粒數(shù)量、大小、材料等特征信息的識(shí)別與檢測(cè)［7］.該類傳感器具有抗振動(dòng)干擾能力強(qiáng)、溫度穩(wěn)定性好、允許流量較大、檢測(cè)結(jié)果不受潤(rùn)滑介質(zhì)潔凈程度的影響等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于坦克裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天裝備、船舶等重大機(jī)械裝備動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損檢測(cè)領(lǐng)域，故逐漸成為裝備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［8］.Du 等［9-10］、Zhu等［11］對(duì)單線圈結(jié)構(gòu)的磨粒檢測(cè)傳感器進(jìn)行了研究，并通過(guò)對(duì)傳感器內(nèi)部磁場(chǎng)分布和傳感器電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了單線圈式磨粒監(jiān)測(cè)傳感器的檢測(cè)靈敏度.文獻(xiàn)［12-17］對(duì)平行三線圈式磨粒檢測(cè)傳感器進(jìn)行了大量研究，該傳感器由兩反向繞制的激勵(lì)線圈和中間的感應(yīng)線圈共同構(gòu)成；目前，該結(jié)構(gòu)是電磁式磨粒在線檢測(cè)領(lǐng)域中采用最廣泛的傳感器結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)［18-20］對(duì)微流道型磨粒檢測(cè)傳感器開展了大量研究，該傳感器在微流芯片中嵌入兩個(gè)相同的層狀螺旋線圈，實(shí)現(xiàn)了鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒的高靈敏度檢測(cè)；同時(shí)，該裝置通過(guò)測(cè)量?jī)删€圈間電容變化可實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油液中水滴或者氣泡的檢測(cè)，且具備更高的檢測(cè)靈敏度；但由于油液通徑的限制，該傳感器允許的檢測(cè)流量較小，且容易被較大的磨粒堵塞，不適用于大型機(jī)械裝備的磨損檢測(cè).為了進(jìn)一步提高傳感器對(duì)磨粒的檢測(cè)效果，文獻(xiàn)［21-27］對(duì)基于靜態(tài)磁場(chǎng)的磨粒檢測(cè)傳感器進(jìn)行了相關(guān)研究，由于靜磁場(chǎng)作為背景磁場(chǎng)較強(qiáng)，該類傳感器一般具有較高的靈敏度.雖然電磁式磨粒在線檢測(cè)傳感器的相關(guān)研究已經(jīng)取得諸多理論成果，但實(shí)際應(yīng)用中還存在許多不足.典型的不足表現(xiàn)為：傳感器靈敏度與允許流量存在明顯矛盾，具體表現(xiàn)為大孔徑的磨粒檢測(cè)傳感器允許流量較大，但靈敏度較低；采用微流道結(jié)構(gòu)的磨粒檢測(cè)傳感器靈敏度較高，但較小的口徑極大地限制了傳感器的允許通過(guò)流量.

為解決上述問(wèn)題，本文提出一種基于高梯度靜磁場(chǎng)的多通道油液磨粒檢測(cè)傳感器.機(jī)械設(shè)備內(nèi)部元件的材料構(gòu)成主要為鐵磁性材料，因此，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的磨粒也主要為鐵磁性磨粒，故本文主要以鐵磁性磨粒對(duì)傳感器特征進(jìn)行研究分析.本研究所提出的傳感器采用兩個(gè)對(duì)向布置的環(huán)形靜磁鐵產(chǎn)生背景磁場(chǎng)，油液通道均勻布置于環(huán)形磁鐵的內(nèi)、外兩側(cè)；通過(guò)建立傳感器的磁物理模型，分析傳感器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其靈敏度的影響，并開展了實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證傳感器的有效性，實(shí)現(xiàn)80 μm 鐵磁性磨粒的有效檢測(cè).

1 傳感器建模

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

基于高梯度靜磁場(chǎng)的多通道油液磨粒檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示.該傳感器由環(huán)形靜磁鐵、磁惰性墊片、油液通道、感應(yīng)線圈和傳感器外殼共同組成.傳感器采用兩個(gè)相同的環(huán)形靜磁鐵對(duì)向布置，在兩磁鐵的間隙處產(chǎn)生高梯度變化的強(qiáng)靜態(tài)背景磁場(chǎng).兩磁鐵間設(shè)置有特定厚度的磁惰性材料墊片，通過(guò)改變墊片厚度調(diào)整兩磁鐵的軸向距離，優(yōu)化傳感器檢測(cè)靈敏度.通過(guò)在磁鐵內(nèi)、外兩側(cè)均勻布置多個(gè)磨粒檢測(cè)單元，增加傳感器最大允許流量，提高磨粒檢測(cè)效率.檢測(cè)單元由感應(yīng)線圈和油液通道共同組成，其數(shù)量可根據(jù)實(shí)際所需及磁鐵周圍空間大小進(jìn)行設(shè)置.

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sensor structure

傳感器工作時(shí)，金屬磨粒隨著潤(rùn)滑油液在油液通道中運(yùn)動(dòng).磨粒通過(guò)磁鐵產(chǎn)生的高梯度靜磁場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁化效應(yīng)，導(dǎo)致感應(yīng)線圈內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而引起感應(yīng)線圈輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（感應(yīng)電壓）.故通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電壓幅值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑油液中磨粒大小的識(shí)別.

1.2 傳感器數(shù)學(xué)模型的建立

為了求解傳感器內(nèi)部磁場(chǎng)分布，根據(jù)麥克斯韋第四方程組可知，靜磁場(chǎng)中磁場(chǎng)強(qiáng)度在無(wú)電流區(qū)域的旋度為0，即

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；?為哈密頓算符.

此時(shí)，引入標(biāo)量磁勢(shì)φm，則磁場(chǎng)強(qiáng)度可表示為標(biāo)量磁勢(shì)的負(fù)梯度，即

在均勻介質(zhì)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的散度為0，即：

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度.

在靜磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)之間的本構(gòu)關(guān)系為：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；Mn為磁性材料的磁化強(qiáng)度.

綜合式（2）～式（4）可得傳感器內(nèi)部磁場(chǎng)分布滿足：

對(duì)式（5）進(jìn)行求解，可獲得傳感器磁場(chǎng)分布特征.當(dāng)球體磨粒通過(guò)靜磁場(chǎng)時(shí)，磨粒內(nèi)部磁場(chǎng)分布滿足泊松方程，如式（6）所示.

在球坐標(biāo)系中對(duì)式（6）進(jìn)行求解可得靜磁場(chǎng)中半徑為ra的球體磨粒內(nèi)部及周圍空氣中標(biāo)量磁勢(shì)的通解為：

式中：Al、Bl均為待定系數(shù)；r為距球心的距離；pl為勒讓德函數(shù).

由于球體磨粒表面磁場(chǎng)強(qiáng)度H滿足連續(xù)性分布，結(jié)合式（2），標(biāo)量磁勢(shì)滿足邊界條件：

式（8）描述了標(biāo)量磁勢(shì)在磨粒表面的連續(xù)性，式（9）描述了標(biāo)量磁勢(shì)沿磨粒徑向方向的衰減.將式（7）分別代入式（8）和式（9）中，可求解得到：

由勒讓德函數(shù)特性可知，Pl(cos(θ))=cos(θ)，將其與式（10）、式（11）進(jìn)行聯(lián)立求解，可得式（7）中各待定系數(shù)，分別為：

進(jìn)一步將式（12）及式（13）代入式（7）中，可得鐵磁性球體磨粒在靜磁場(chǎng)中標(biāo)量磁勢(shì)分布為：

結(jié)合式（2）和式（4），鐵磁性球體磨粒內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁感應(yīng)強(qiáng)度可分別表示為：

鐵磁性磨粒通過(guò)靜磁場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁化效應(yīng)，此時(shí)磨粒內(nèi)部磁化強(qiáng)度Mn可表示為［28］：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為鐵磁性磨粒材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；μ=μrμ0為鐵磁性磨粒材料的磁導(dǎo)率；B0為背景磁感應(yīng)強(qiáng)度.

可進(jìn)一步求得，靜磁場(chǎng)中鐵磁性球體磨粒內(nèi)的總磁場(chǎng)強(qiáng)度HP為：

式中：H0為鐵磁性球體的背景磁場(chǎng)強(qiáng)度.

由式（17）和式（18）可得，當(dāng)背景磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱且磨粒未達(dá)到磁飽和時(shí)，鐵磁性球體磨粒內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如式（19）所示.由于機(jī)械系統(tǒng)中所廣泛采用的鐵磁性材料主要為鑄鐵、鑄鋼及鍛鋼等，此類材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般大于1.5 T，以45 號(hào)鋼為例，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.867 T.本研究所采用的傳感器背景磁場(chǎng)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.057 T，此時(shí)磨粒內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度約為3×0.057 T≈0.171 T?1.5 T，可知磨粒通過(guò)傳感器時(shí)未達(dá)到磁飽和狀態(tài).

式中：BP為鐵磁性球體磨粒內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度.由此可得，當(dāng)磨粒在靜磁場(chǎng)中時(shí)，其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度約為背景磁感應(yīng)強(qiáng)度的3倍.

在鐵磁性材料中有H=-?φm，考慮背景磁場(chǎng)的影響，結(jié)合式（14）可得，磨粒周圍空氣中磁感應(yīng)強(qiáng)度分布為：

式中：ex和ez分別表示x和z方向的單位向量.

當(dāng)鐵磁性磨粒通過(guò)感應(yīng)線圈時(shí)，感應(yīng)線圈處磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)變化量為：

相對(duì)磁通量變化Δφ為感應(yīng)線圈的面積S與相對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量的乘積，即Δφ=S· ΔB.再根據(jù)電磁感應(yīng)定律，即可得感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U=ΔφΔt，由此可求解出傳感器的感應(yīng)電壓.

2 仿真研究

2.1 傳感器磁場(chǎng)分析

為研究傳感器背景磁場(chǎng)的分布特征，對(duì)兩環(huán)形磁鐵對(duì)向布置所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析.初步設(shè)置環(huán)形磁鐵內(nèi)半徑為10 mm、外半徑為20 mm、厚度為5 mm，兩磁鐵軸向間隔5 mm，傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖2 所示.由圖2 可知，在磁鐵內(nèi)部及磁鐵周圍的區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，呈高梯度過(guò)渡至圖中外圍磁場(chǎng)強(qiáng)度較小的部分.

圖2 傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.2 The distribution of the magnetic flux density of the sensor

為詳細(xì)表征傳感器內(nèi)背景磁場(chǎng)的分布情況，提取圖2中X軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示，空氣與磁鐵所處的區(qū)域如圖3中標(biāo)示.由圖3可知，X軸線方向上傳感器內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度呈對(duì)稱分布特征，且磁場(chǎng)局部峰值分別位于環(huán)形磁鐵的內(nèi)、外邊緣處，其中磁鐵外邊緣處磁感應(yīng)強(qiáng)度（0.057 T）略大于內(nèi)邊緣處磁感應(yīng)強(qiáng)度（0.048 T），兩側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度相差約15.79%.結(jié)合傳感器高靈敏度的特性需求，將感應(yīng)線圈布置于兩磁鐵間隙處，且在幾何位置允許的條件下，感應(yīng)線圈軸線須盡量接近磁鐵內(nèi)、外邊緣，以增大感應(yīng)線圈位置處的背景磁感應(yīng)強(qiáng)度，提高傳感器檢測(cè)靈敏度.

圖3 X軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖Fig.3 Magnetic flux density along the X-axis

2.2 傳感器物理參數(shù)對(duì)其性能的影響

傳感器的檢測(cè)靈敏度是評(píng)估傳感器性能的關(guān)鍵參數(shù).為了優(yōu)化傳感器的檢測(cè)性能，本節(jié)針對(duì)感應(yīng)線圈位置、環(huán)形磁鐵的幾何參數(shù)和兩磁鐵間的軸向間距等因素對(duì)傳感器靈敏度的影響分別進(jìn)行研究.

2.2.1 感應(yīng)線圈位置對(duì)傳感器檢測(cè)性能的影響

由圖2 可知，傳感器環(huán)形磁鐵的內(nèi)、外邊緣處磁感應(yīng)強(qiáng)度存在一定差異，會(huì)影響傳感器對(duì)磨粒檢測(cè)結(jié)果的一致性.因此，本節(jié)對(duì)感應(yīng)線圈軸線分別單獨(dú)位于磁鐵內(nèi)、外邊緣時(shí)，磨粒引起傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電壓進(jìn)行仿真研究.設(shè)置直徑為60 μm 的鐵磁性磨粒以0.5 m/s 的速度通過(guò)傳感器，所得結(jié)果如圖4 所示.當(dāng)感應(yīng)線圈布置在環(huán)形磁鐵外側(cè)時(shí)，磨粒引起的感應(yīng)電壓峰峰值為2.78 mV.當(dāng)感應(yīng)線圈布置于環(huán)形磁鐵內(nèi)側(cè)時(shí)，磨粒引起的感應(yīng)電壓峰峰值為2.50 mV.可見(jiàn)環(huán)形磁鐵外側(cè)感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓相比于內(nèi)側(cè)感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓峰峰值略大，兩側(cè)感應(yīng)電壓差值約為10.1%.

圖4 感應(yīng)線圈單獨(dú)布置在磁鐵內(nèi)側(cè)和外側(cè)的感應(yīng)電壓對(duì)比圖Fig.4 Comparison of induced voltages when an induction coil is independently arranged inside and outside the magnet

為提高傳感器的檢測(cè)效率，需要在環(huán)形磁鐵內(nèi)、外側(cè)同時(shí)布置檢測(cè)單元.為探究磁鐵內(nèi)、外側(cè)感應(yīng)線圈是否存在相互干擾，在環(huán)形磁鐵內(nèi)側(cè)和外側(cè)同時(shí)布置感應(yīng)線圈進(jìn)行仿真分析.仿真結(jié)果如圖5 所示，可見(jiàn)，鐵磁性磨粒通過(guò)傳感器時(shí)，外側(cè)感應(yīng)線圈輸出感應(yīng)電壓峰峰值為2.42 mV，內(nèi)側(cè)線圈輸出感應(yīng)電壓峰峰值為2.24 mV.由此可見(jiàn)，環(huán)形磁鐵內(nèi)、外側(cè)同時(shí)布置感應(yīng)線圈時(shí)，線圈間存在較小干擾.與單側(cè)布置感應(yīng)線圈相比，外側(cè)感應(yīng)電壓相差約12.9%，內(nèi)側(cè)感應(yīng)電壓相差約10.4%.在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可考慮線圈間增加磁屏蔽裝置，避免線圈間磁場(chǎng)相互干擾.

圖5 感應(yīng)線圈同時(shí)布置在磁鐵內(nèi)、外側(cè)的感應(yīng)電壓對(duì)比圖Fig.5 Comparison of induced voltages when induction coils are arranged inside and outside the magnet simultaneously

由于磨粒在通過(guò)傳感器時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)由接近感應(yīng)線圈到遠(yuǎn)離感應(yīng)線圈的過(guò)程.當(dāng)磨粒接近感應(yīng)線圈時(shí)，引起感應(yīng)線圈內(nèi)的磁通量逐漸增強(qiáng)，使感應(yīng)線圈產(chǎn)生正感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).當(dāng)磨粒遠(yuǎn)離感應(yīng)線圈時(shí)，其內(nèi)部磁通量隨著磨粒的遠(yuǎn)離而變小，使感應(yīng)線圈產(chǎn)生負(fù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).因此，感應(yīng)電壓信號(hào)呈現(xiàn)如圖4 和圖5所示的正弦形狀.

2.2.2 環(huán)形磁鐵的幾何參數(shù)對(duì)傳感器檢測(cè)性能的影響

由同一材質(zhì)、不同幾何參數(shù)的磁鐵所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度有所不同，可能對(duì)傳感器檢測(cè)金屬磨粒的性能產(chǎn)生影響.因此，本節(jié)針對(duì)環(huán)形磁鐵不同厚度和不同外半徑對(duì)傳感器檢測(cè)性能的影響開展仿真研究.

由于在環(huán)形磁鐵內(nèi)側(cè)設(shè)置了檢測(cè)單元，需要磁鐵內(nèi)側(cè)存在足夠的幾何空間，允許感應(yīng)線圈和油液通道的布置，磁鐵內(nèi)徑不可無(wú)限縮小，本節(jié)僅探究磁鐵的外半徑對(duì)傳感器檢測(cè)靈敏度的影響.設(shè)置磁鐵的厚度為5 mm，內(nèi)半徑為10 mm，兩磁鐵之間的軸向間距為5 mm，磁鐵外半徑為15～50 mm，進(jìn)行仿真分析.當(dāng)直徑為60 μm 的鐵磁性磨粒以0.5 m/s 的速度通過(guò)傳感器時(shí)，磁鐵外半徑對(duì)傳感器感應(yīng)電壓的影響曲線如圖6 所示.由圖6 可見(jiàn)，隨著磁鐵外半徑的增加，傳感器輸出的感應(yīng)電壓呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并在磁鐵外半徑為35 mm 時(shí)，傳感器輸出感應(yīng)電壓最大，幅值為2.72 mV.

圖6 磁鐵外半徑對(duì)傳感器感應(yīng)電壓的影響曲線Fig.6 The influence curve of the outer radius of magnet on sensor induced voltage

為了深入分析環(huán)形磁鐵厚度對(duì)傳感器性能的影響，對(duì)磁鐵厚度為2.0～6.0 mm 的傳感器進(jìn)行仿真分析.當(dāng)直徑為60 μm 的鐵磁性磨粒以0.5 m/s 的速度通過(guò)傳感器時(shí)，磁鐵厚度對(duì)傳感器感應(yīng)電壓的影響曲線如圖7 所示.由圖7 可見(jiàn)，隨著環(huán)形磁鐵厚度的增加，傳感器輸出的感應(yīng)電壓也逐步增加，在磁鐵厚度大于5.0 mm之后增加幅度趨于平穩(wěn).

圖7 磁鐵厚度對(duì)傳感器感應(yīng)電壓的影響曲線Fig.7 The influence curve of the magnet thickness on sensor induced voltage

2.2.3 兩磁鐵間的軸向間距對(duì)傳感器檢測(cè)性能的影響

由于兩磁鐵間的軸向間距會(huì)影響兩磁鐵間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度，并導(dǎo)致傳感器檢測(cè)靈敏度發(fā)生變化.設(shè)置磁鐵內(nèi)半徑為10 mm、外半徑為20 mm、厚度為5 mm，直徑為60 μm 的鐵磁性磨粒以0.5 m/s 的速度通過(guò)傳感器.對(duì)兩磁鐵軸向間距為3～7 mm的傳感器進(jìn)行仿真分析.兩磁鐵軸向間距對(duì)傳感器感應(yīng)電壓的影響曲線如圖8 所示.由圖8 可見(jiàn)，隨著兩磁鐵軸向間距的增加，傳感器的感應(yīng)電壓表現(xiàn)為先升后降，并在兩磁鐵間距為5.0 mm 時(shí)達(dá)到峰值，峰值電壓為2.47 mV.因此，傳感器兩磁鐵軸向間隔最佳距離為5.0 mm，此時(shí)傳感器的靈敏度最高.

圖8 兩磁鐵軸向間距對(duì)傳感器感應(yīng)電壓的影響曲線Fig.8 The influence curve of the distance between two magnets on sensor induced voltage

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

為了驗(yàn)證基于高梯度靜磁場(chǎng)的多通道油液磨粒檢測(cè)傳感器的實(shí)際檢測(cè)性能，搭建了如圖9 所示的傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng).該測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)檢測(cè)儀、傳感器和上位機(jī)軟件共同組成.信號(hào)檢測(cè)儀包括放大模塊、工頻濾波模塊、抗混濾波模塊和AD 轉(zhuǎn)換模塊，可對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、調(diào)理，并將處理好的電壓信號(hào)傳輸至PC端的上位機(jī)軟件.上位機(jī)軟件用于統(tǒng)計(jì)和顯示傳感器的輸出信號(hào).

圖9 傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.9 The diagram of experimental system for sensor test

傳感器信號(hào)傳輸過(guò)程示意圖如圖10 所示.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先將磨粒以一定的速度直線通過(guò)傳感器，使傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓信號(hào)，信號(hào)檢測(cè)儀先將接收到的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、工頻濾波和抗混濾波處理，最后將處理好的信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后傳輸至上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件將處理好的信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、記錄并保存.

圖10 傳感器信號(hào)傳輸過(guò)程示意圖Fig.10 Schematic diagram of the sensor signal transmission

依據(jù)仿真結(jié)果，一定程度地增加磁鐵幾何尺寸可以有效改善鐵磁性磨粒的檢測(cè)效果.實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著磁鐵幾何參數(shù)的增加，所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度迅速增加，導(dǎo)致鐵磁性磨粒無(wú)法順利通過(guò)傳感器，而被大量吸附在傳感器通道內(nèi)壁，造成磨粒檢測(cè)失效同時(shí)引起油路堵塞.綜合考慮傳感器實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中體積、檢測(cè)靈敏度及磨粒通過(guò)性的要求，實(shí)驗(yàn)采用磁鐵厚度及磁鐵間距等于最優(yōu)尺寸，但磁鐵外半徑減小的傳感器結(jié)構(gòu)方案，以降低傳感器背景磁感應(yīng)強(qiáng)度，保證磨粒順利通過(guò)傳感器.實(shí)驗(yàn)用傳感器主要參數(shù)如表1所示.

表1 傳感器主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the sensor

由于在實(shí)際運(yùn)行工況中，磨粒呈現(xiàn)各種不同的形貌，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，選擇近似于球體的鐵磁性磨粒開展實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中采用掃描電子顯微鏡對(duì)磨粒進(jìn)行測(cè)量與篩選，各磨粒直徑分別為80 μm、100 μm、150 μm 和300 μm.實(shí)驗(yàn)采用鐵磁性磨粒的形貌圖如圖11所示.

圖11 實(shí)驗(yàn)采用鐵磁性磨粒的形貌圖Fig.11 The shape diagram of ferromagnetic wear particle for test

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

為了探究傳感器的檢測(cè)性能，以及不同直徑的磨粒引起傳感器的輸出感應(yīng)電壓規(guī)律，開展感應(yīng)線圈分別布置在磁鐵外側(cè)和內(nèi)側(cè)時(shí)的傳感器實(shí)驗(yàn).將感應(yīng)線圈布置在磁鐵外側(cè)，磨粒直徑分別為80 μm、100 μm、150 μm和300 μm，以相同速度通過(guò)傳感器，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12 所示.由圖12 可知，磨粒直徑分別為80 μm、100 μm、150 μm 和300μm 的磨粒引起傳感器的輸出感應(yīng)電壓峰峰值分別為3.31 mV、4.05 mV、7.38 mV 和21.69 mV.傳感器可檢測(cè)到鐵磁性磨粒的最小直徑為80 μm.將感應(yīng)線圈布置在磁鐵內(nèi)側(cè)，磨粒直徑分別為80 μm、100 μm、150 μm和300 μm，以相同速度通過(guò)傳感器，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示.由圖13 可知，磨粒直徑分別為80 μm、100 μm、150 μm 和300 μm 的磨粒引起傳感器的輸出感應(yīng)電壓峰峰值分別為3.02 mV、3.62 mV、6.36 mV和19.41 mV.感應(yīng)線圈布置在磁鐵外側(cè)及內(nèi)側(cè)時(shí)磨粒信號(hào)對(duì)比圖如圖14 所示.由圖14 可知，隨著磨粒直徑的增大，兩側(cè)感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓都明顯增大，感應(yīng)線圈布置在磁鐵外側(cè)的傳感器靈敏度明顯強(qiáng)于感應(yīng)線圈布置在磁鐵內(nèi)側(cè).

圖12 感應(yīng)線圈布置在磁鐵外側(cè)時(shí)傳感器輸出的磨粒信號(hào)圖Fig.12 The particle signal output by the sensor when the induction coil is arranged on the outside of the magnet

圖13 感應(yīng)線圈布置在磁鐵內(nèi)側(cè)時(shí)傳感器輸出的磨粒信號(hào)圖Fig.13 The particle signal output by the sensor when the induction coil is arranged on the inside of the magnet

圖14 感應(yīng)線圈布置于磁鐵外側(cè)及內(nèi)側(cè)時(shí)磨粒信號(hào)對(duì)比圖Fig.14 Comparison of particle signals when the induction coil is arranged inside and outside the magnet

4 結(jié)論

本文提出了一種基于高梯度靜磁場(chǎng)的多通道油液磨粒在線檢測(cè)傳感器.采用兩個(gè)環(huán)形靜磁鐵對(duì)向布置產(chǎn)生的高梯度靜磁場(chǎng)，并在圓環(huán)磁鐵內(nèi)、外兩側(cè)均勻布置多個(gè)油液通道的方法，提高傳感器的最大允許流量，系統(tǒng)地仿真了傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的實(shí)際檢測(cè)性能.主要結(jié)論如下：

1）相比于感應(yīng)線圈布置在磁鐵內(nèi)側(cè)，感應(yīng)線圈布置在磁鐵外側(cè)時(shí)的傳感器靈敏度較強(qiáng)，感應(yīng)電壓約提高10.1%；內(nèi)、外側(cè)同時(shí)布置感應(yīng)線圈時(shí)，兩線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓存在一定的串?dāng)_，與單側(cè)布置感應(yīng)線圈相比，外側(cè)感應(yīng)電壓減小約12.9%，內(nèi)側(cè)感應(yīng)電壓減小約10.4%.

2）環(huán)形磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器輸出感應(yīng)電壓的影響顯著，具體表現(xiàn)為：傳感器輸出的感應(yīng)電壓隨磁鐵外半徑增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；感應(yīng)電壓隨磁鐵厚度增加而增加，并當(dāng)磁鐵厚度大于5.0 mm后逐漸趨于平穩(wěn)；感應(yīng)電壓隨磁鐵間距增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并在磁鐵間距為5.0 mm 時(shí)達(dá)到最大值.

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著磨粒直徑的增加，傳感器信號(hào)也逐步增加，且感應(yīng)線圈布置在磁鐵外側(cè)時(shí)磨粒信號(hào)較強(qiáng)；該傳感器最終可實(shí)現(xiàn)直徑80 μm 鐵磁性磨粒的有效檢測(cè).