基于GMR磁傳感器的油液鐵磁性磨粒在線監測實驗研究*

李 飛1 孫云嶺1 田洪祥1 何 偉 馮 偉

(1.海軍工程大學動力工程學院 湖北武漢 430033; 2.廣州機械科學研究院設備狀態檢測研究所 廣東廣州 510700)

油液磨粒在線監測技術通過對設備摩擦學系統進行實時、連續的監測，可及時動態地獲取被監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測方法的不足[1]。該技術主要利用基于磁性、電學、聲學、光學等物理效應的傳感裝置實現在線監測，其中，基于磁性效應的監測方法效果較好，應用廣泛[2]。如三線圈式的油液磨粒在線監測儀MetalSCAN已多次成功實現了航空發動機的故障預警，可檢測出100 μm 以上的磨屑[3]，并可區分鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒。文獻[4]在傳統三螺線管式結構的基礎上，采用平面檢測線圈結構以縮短檢測螺線管長度，采用微通道結構以減小螺線管半徑，檢測到了尺寸小于100 μm的鐵磁性磨粒，提升了靈敏度。文獻[5]設計了一種基于磁場力的磨粒在線監測新方法，能有效捕獲10 μm以上的鐵磁性磨粒，實現對設備早期故障的預報。就目前的應用來看，現有的鐵磁性磨粒在線監測方法尚存在一些缺點，例如：成本高，監測方法有限，精度及可靠性有待提高，實現工程化應用的產品很少等。因此，有必要研究新的在線監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，實現鐵磁性磨粒在線監測的方法[6]。傳統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[7]利用該類傳感器實現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測。

1 檢測原理

根據技術磁化曲線，鐵磁物質在外加磁場作用下被磁化，撤去外加磁場后，鐵磁物質不能自發地完全退磁，而是存在一定的剩余磁場[8]。基于巨磁電阻效應的GMR磁傳感器芯片靈敏度高、線性度好、成本低、溫度特性好，被廣泛應用于微弱磁場的檢測[9]。

據此，可利用強磁鐵產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，從而實現對油路中鐵磁性磨粒的在線監測。由于磨粒尺寸一般為微米級，攜帶的剩余磁場較弱，使得傳感器芯片產生的感應信號較小，因此需要后續放大電路將感應信號放大一定倍數，便于后續的信號采集與分析處理。

綜上，設計了如圖1所示的油液在線監測系統。油液中的鐵磁性磨粒被置于油路外側的強磁鐵吸附積聚并被磁化，移走磁鐵后，磨粒隨油液經過GMR磁傳感器時，芯片在磨粒剩余磁場的作用下輸出感應信號，該信號經放大后被數據采集裝置采集。

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，感應信號也就越強，而剩余磁場強度又與磨粒尺寸有關，故可通過該信號確定磨粒的存在并粗略判斷其尺寸。

圖1 磨粒在線監測系統

2 試驗裝置及方法

2.1 試驗平臺及試驗方法

為檢驗上述在線監測系統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數據采集卡，直流電源(干電池)，信號處理裝置(計算機)，環形永磁鐵，塑料軟管及鑷子、秒表、高斯計等輔助器材。

圖2 實驗平臺

因在循環油路中難以有效掌控微小磨粒的運動狀態及位置，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參數加以優化，以滿足最佳的檢驗效果；然后對輸出信號與速度、溫度的關系，優化裝置的檢出能力、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顆粒為定制的標準球形磨粒，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 試驗優化設計及結果分析

3.1 裝置相關參數優化設計

為增強傳感器對某一磨粒的感應信號強度，優化檢出性能，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系。由磁化曲線知，當外磁場強度超過一定值時，磨粒會得到充分的磁化而達到飽和磁化狀態[10]，用高斯計測得環形永磁鐵表面最大磁場約為0.26 T，經試驗發現可以滿足使磨粒飽和磁化的要求。控制其他參數不變，在0～6 min內取不同的磁化作用時間，發現在磁化時間超過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到飽和磁化狀態。在撤去外加磁場后的不同時刻進行試驗，結果表明，磨粒剩余磁場在外磁場消失后的至少24 h內無明顯衰減。

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，輸出的感應信號越強。因此，從實驗室現有的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，優化裝置檢測性能。

為進一步提升裝置的檢測性能，對磨粒經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 個方向經過傳感器，采集并記錄系統輸出的信號值，每個方向測3 組數據，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，在后續試驗中用上述環形磁鐵磁化磨粒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又不宜過大，取芯片供電電壓為DC6 V，放大電路放大倍數為350倍，以取得最佳的檢測效果。

3.2 裝置檢測性能研究

根據3.1節分析結果，改進了試驗裝置及試驗相關參數，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、檢出結果一致性等性質。

3.2.1 溫度對檢測結果的影響

根據鐵磁學相關知識，溫度對鐵磁質的磁性影響較大，當溫度達到居里溫度之后，帶磁物質的磁性會自發消失[9]。潤滑油的實際工作環境溫度常常高達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律

由圖7可知，隨著溫度的增加，系統的檢測信號值幾乎無變化，說明在油液實際工作的高溫環境中，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果的影響

潤滑油在實際工作環境中的流速往往較快，當增益較大時，由于放大電路頻響特性的限制，系統響應速度會有所減慢，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范圍有限，過快的磨粒運動速度也可能對其檢測能力產生影響。

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

圖8 輸出信號隨磨粒速度變化規律

由圖8可知，隨著磨粒運動速度的增加，2種增益下檢測系統輸出信號值均在一定范圍內波動并略有減小，說明檢測裝置的頻響特性良好，響應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。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，在控制試驗參數和條件相同的前提下各記錄10組數據，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組測試數據的平均值作為該尺寸磨粒的標準檢測信號值，分別計算各組數據的相對誤差δ，再以10組數據的標準差和均值的比值來計算離散系數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均在10%以內，說明該裝置輸出一致性良好。

4 結論

(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測，可有效檢測出尺寸在75 μm以上的鐵磨粒。

(2)在95 ℃以內的工作溫度和5 cm/s以內的運動速度條件下，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均在10%之內，輸出結果一致性良好。

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