基于GMR磁傳感器的小尺寸鐵磁性磨粒監(jiān)測技術

李 飛，孫云嶺，田洪祥，李 婧

(1.海軍潛艇學院，山東青島 266041；2.海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢 430033)

0 引言

磨損失效[1]是機械設備典型的故障形式，通過在線監(jiān)測技術實時、連續(xù)監(jiān)測在用潤滑油中的磨損微粒，及時動態(tài)地獲取摩擦學系統(tǒng)的潤滑磨損等信息，可有效診斷預測設備異常磨損故障[2]?，F(xiàn)有的磨粒在線監(jiān)測技術中，電磁學效應的應用相對廣泛、效果較好，基于電磁感應原理的三線圈式磨粒在線監(jiān)測儀可檢測出 100 μm以上的磨屑[3]并已實現(xiàn)商業(yè)化應用,國內(nèi)相關學者對該類傳感器進行了深入研究和創(chuàng)新應用[4-5]；基于高強度和高梯度磁場沉積鐵磁質的鐵譜技術已實現(xiàn)了在線可視化應用[6]。就目前應用來看，現(xiàn)有的鐵磁性磨粒在線監(jiān)測方法還存在成本高、對小尺寸顆粒檢出能力不足等問題，尚難以滿足實際工程應用的需求。

文獻[7]基于巨磁電阻效應利用巨磁電阻磁傳感器芯片離線監(jiān)測油液鐵磁性磨粒，測試結果可較好反映磨粒的濃度而基本不受其尺寸的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，巨磁電阻磁傳感器易受外界空間電磁波等的干擾而產(chǎn)生一定的噪音信號，可能會湮沒單個小尺寸磁化磨粒的微弱磁場信號，造成對較小尺寸鐵磨粒的檢測能力不足，而小尺寸鐵磁性磨粒正是異常磨損的早期征兆[8]；文獻[9-10]在螺線管式傳感器的上端油路用磁鐵聚集一定量的磨粒后釋放，顯著提高了傳感器對小尺寸磨粒的檢出能力。在上述研究基礎上，本研究嘗試將巨磁電阻效應應用于實際循環(huán)油路中鐵磁性磨粒的在線監(jiān)測，并結合磨粒聚集的方法以提升巨磁電阻磁傳感器對小尺寸顆粒的檢出能力。

1 裝置及檢測方法介紹

1.1 在線監(jiān)測實驗平臺

結合巨磁電阻效應和磨粒聚集法，設計并搭建了如圖1所示的在線監(jiān)測實驗平臺。

(a)裝置原理圖

(b)裝置實物圖圖1 在線監(jiān)測實驗平臺

1.2 實驗磨粒制備

用鐵譜顯微鏡分別選取直徑約為250、120、75 μm等的單個近似球形鐵磨粒，用精密篩網(wǎng)分別篩選<25 μm、10～50 μm、20～70 μm、50～120 μm等不同尺寸范圍的鐵粉顆粒，如圖2所示。

1.3 檢測方法及原理

(a)120 μm單磨粒

(b)75 μm單磨粒

(c)<25 μm鐵粉圖2 部分實驗用磨粒顯微觀測圖

將待測磨粒通過顆粒添加裝置添加至循環(huán)油路中，實驗磨粒隨油液流經(jīng)置于傳感器芯片前端油路外側底部的強磁鐵時，被磁場吸附聚集并被磁化，一段時間后撤走外磁場釋放磨粒(實際操作中，可用電磁鐵通斷電實現(xiàn)磨粒的自動聚集與釋放)，磨粒隨油路以一定的速度通過巨磁電阻磁傳感器(同樣置于油路外側底部)，傳感器芯片可輸出與磨粒剩磁場強度相關的電壓信號，信號放大器將該電壓信號放大一定倍數(shù)后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳輸至計算機并進行濾波等分析處理。由于實驗用磁傳感器芯片僅適用于弱磁場的檢測，強磁場極易導致工作中的芯片損毀，故實驗過程中需先撤走用來聚集磨粒的強磁鐵，再接通傳感器芯片電源，此外，用干電池作為傳感器芯片和放大電路的電源，也可有效降低交流電磁場對傳感器芯片輸出信號的干擾。

2 磨粒檢出能力

將制備的不同尺寸單個鐵磨粒添加至油路，研究實際循環(huán)油路條件下傳感器對單個磨粒的檢出能力。先后利用巴特沃斯低通濾波器和高通濾波器濾去系統(tǒng)原始輸出信號中的高頻噪聲和低頻緩變信號，結果如圖3所示(采樣頻率為1 000 Hz)。

圖3中明顯觀測到了120 μm左右磨粒的特征波形，但尺寸為75 μm的磨粒檢測信號不夠明顯，說明裝置對75 μm以下的單個鐵磨粒檢測能力不足，同時考慮到在循環(huán)油路中難以有效掌控該尺寸范圍內(nèi)小磨粒的運動狀態(tài)，故將一定量篩選的小尺寸鐵粉添加至循環(huán)油路用磁鐵聚集法進行實驗，經(jīng)濾波處理后的檢測信號曲線如圖4所示(采樣頻率為1 000 Hz)。

(a)120 μm單磨粒檢測曲線

(b)75 μm單磨粒檢測曲線圖3 不同尺寸單顆粒的檢測曲線

(a)10～50 μm鐵粉檢測曲線

(b)<25 μm鐵粉檢測曲線圖4 不同尺寸多顆粒的檢測曲線

由圖4檢測曲線可知，在線監(jiān)測裝置通過磨粒聚集的方法檢測到了較小尺寸的磨粒，其中，檢測曲線中間出現(xiàn)較明顯波動的部分為磨粒信號區(qū)間，兩端較平緩的部分為非磨粒信號區(qū)間。實驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)外磁場的聚集作用后，磨粒以較高的局部濃度通過傳感器監(jiān)測區(qū)域；此外，磨粒經(jīng)磁化后具備一定磁性，部分單個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團，因而顯著提高了該裝置的檢出能力。

3 多顆粒檢測信號特征指標的提取

對比圖3和圖4可知，單磨粒與多磨粒的檢測信號波形差別較大，多磨粒的檢測信號特征更為復雜，為進一步實現(xiàn)定量分析，需選取能較好反映磨粒平均水平的特征指標，該特征指標需要滿足2個條件：一是能明顯區(qū)分磨粒信號與非磨粒信號；二是該指標一致性良好。

均值、平均差、方差、標準差、協(xié)方差、均方根等統(tǒng)計量常用來反映信號的特征[11]。根據(jù)統(tǒng)計學相關知識[12]，分別提取一階統(tǒng)計量極差，二階統(tǒng)計量標準差，三階統(tǒng)計量偏度，四階統(tǒng)計量峰度對檢測曲線進行分析。

選取同一實驗條件下重復檢測得到的5組檢測信號，分別計算其非磨粒信號區(qū)間、磨粒信號區(qū)間的極差、標準差、偏度系數(shù)、峰度系數(shù)4個指標值，再求出磨粒信號區(qū)間各指標的離散系數(shù)(用V表示)及磨粒信號區(qū)間相對非磨粒信號區(qū)間各指標的增長率(用Gr表示)。

(1)

(2)

結果如表1所示。

表1 特征指標分析

由表1對各特征指標的分析可知，磨粒信號區(qū)間的極差、標準差、峰度系數(shù)3個指標的離散系數(shù)均在10%以內(nèi)，說明這3個指標一致性較好，可以用來穩(wěn)定地反映磨粒水平，而偏度系數(shù)的離散系數(shù)較大，該指標一致性較差，不宜用來反映磨粒水平；從增長率來看，極差、標準差、偏度系數(shù)的增長率又明顯大于峰度系數(shù)，能夠有效區(qū)分磨粒信號和非磨粒信號；故選用極差、標準差2個指標來分析檢測曲線。

4 相關變量對檢測結果的影響

巨磁電阻磁傳感器的輸出信號強度與待測磁場的大小有關[13]，而多個磁化磨粒作用于傳感器芯片的復合剩余磁場強度可能取決于磨粒濃度、含量、尺寸等因素；實驗過程中，磨粒在外磁場中聚集成一團，撤走外磁場后，磨粒團在多種流體力作用下逐漸分散，分散程度可能與運動的距離有關。綜上，采用控制變量法，研究磨粒聚集區(qū)與芯片的距離、磨粒質量、磨粒尺寸對檢測結果的影響程度。

4.1 磨粒聚集位置對檢測結果的影響

取定量尺寸為20～70 μm的鐵粉進行實驗，先后在傳感器上游2、4、6、8、10 cm位置處聚集磁化實驗磨粒，同一位置條件下均進行5次檢測，求5組檢測數(shù)據(jù)磨粒信號區(qū)間的特征指標后取平均值，結果如圖5所示。

圖5 磨粒聚集位置對檢測結果的影響

由圖5可知，隨著聚集位置與傳感器芯片之間距離的增加，磨粒信號區(qū)間的極差和標準差均明顯減小，即檢測信號強度變?nèi)?，可知當這一距離進一步增大時，裝置可能難以有效檢測出磨粒信號。為確保裝置的檢測性能，最佳的磨粒聚集位置應盡量靠近傳感器芯片，同時，為避免用來聚集磨粒的強磁場對巨磁電阻磁傳感器芯片的干擾性及破壞性，在實際操作中，需要增設嚴密的磁屏蔽裝置，或者用電磁鐵代替永磁鐵，通過控制電磁鐵與傳感器芯片的通斷電先后順序避免二者同時工作。

4.2 磨粒含量對檢測結果的影響

用精密電子天平分別量取1、3、5、7、9 mg尺寸范圍為20～70 μm的鐵粉進行實驗，每種磨粒質量條件下均進行5次測試，求5組檢測數(shù)據(jù)磨粒信號區(qū)間的特征指標后取平均值，結果如圖6所示。

圖6 磨粒質量對檢測結果的影響

由圖6可知，檢測信號的極差和標準差均隨磨粒的量基本呈線性增加，即檢測信號強度逐漸變強，說明檢測值可粗略反映磨粒的量。循環(huán)油路中，不考慮磁鐵吸附磨粒的效率，聚集磨粒的量m可由式(3)確定[10]：

m=Qtc

(3)

式中：Q為油液流量，mL/s；t為磨粒聚集時間，s；c為油液中磨粒濃度，g/mL。

根據(jù)式(3)，當油液流量、磨粒聚集時間一定時，磨粒的量與其在油液中的濃度線性相關，故裝置檢測值又可粗略反映磨粒濃度大小。

實驗過程中油液流量約為2.3 mL/s，明顯檢測到了含量為1 mg的磨粒。在實際潤滑系統(tǒng)中，如果磨粒濃度的警報值為50 mg/L，由式(3)換算可得，在實驗條件下，為使監(jiān)測裝置在磨粒濃度達到警報值時及時報警，需要的磨粒聚集時間約為9 s，表明該裝置監(jiān)測實時性較強。

4.3 磨粒尺寸對檢測結果的影響

取等量尺寸范圍為<25 μm、10～50 μm、20～70 μm、50～120 μm、100～250 μm的鐵粉進行試驗，每種磨粒尺寸條件下均測試5次，求5組檢測信號磨粒信號區(qū)間的極差與標準差后取平均值，結果如圖7所示。

圖7 鐵粉尺寸對檢測結果的影響

由圖7可知，當待測磨粒的量一定時，即循環(huán)油路流量、磨粒濃度及聚集時間一定時，隨著鐵粉尺寸的增加，磨粒信號區(qū)間的極差和標準差均逐漸增加，即檢測信號逐漸變強，表明檢測信號的強度還可用于粗略判斷磨粒尺寸的大小，檢測信號強度的變化趨勢可反映磨粒尺寸的變化趨勢。

綜合上述分析，鐵磁性磨粒在線監(jiān)測裝置的檢測信號強度可以粗略反映潤滑系統(tǒng)中磨粒濃度與尺寸的水平。摩擦學系統(tǒng)運行過程中磨損顆粒的濃度與尺寸分布變化規(guī)律如圖8所示，a～d分別代表了正常磨損、開始嚴重磨損、磨損故障繼續(xù)發(fā)展、災難性故障4個磨損階段。

圖8 不同磨損階段磨粒濃度與尺寸分布變化

由圖8可知，在不同磨損階段，隨著磨損程度的加深，磨損顆粒的尺寸與濃度均同步增加，故裝置的檢測信號強度又可進一步反映設備磨損階段及其發(fā)展趨勢。

5 結論

(1)基于巨磁電阻效應的鐵磁性磨粒在線監(jiān)測裝置可有效檢測出尺寸大于75 μm的單個鐵磨粒，而利用磨粒聚集法則可以檢測到25 μm以下的小尺寸顆粒，從而顯著提高了裝置的檢測性能，可望用于設備早期異常磨損的報警。

(2)檢測信號強度與鐵磨粒含量基本成線性關系，與磨粒尺寸也存在明顯相關性，可望用于粗略判斷設備磨損階段及發(fā)展趨勢。