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        基于GMR磁傳感器的小尺寸鐵磁性磨粒監(jiān)測(cè)技術(shù)

        2019-10-14 06:15:06孫云嶺田洪祥
        儀表技術(shù)與傳感器 2019年9期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

        李 飛,孫云嶺,田洪祥,李 婧

        (1.海軍潛艇學(xué)院,山東青島 266041;2.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院,湖北武漢 430033)

        0 引言

        磨損失效[1]是機(jī)械設(shè)備典型的故障形式,通過(guò)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)在用潤(rùn)滑油中的磨損微粒,及時(shí)動(dòng)態(tài)地獲取摩擦學(xué)系統(tǒng)的潤(rùn)滑磨損等信息,可有效診斷預(yù)測(cè)設(shè)備異常磨損故障[2]?,F(xiàn)有的磨粒在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中,電磁學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用相對(duì)廣泛、效果較好,基于電磁感應(yīng)原理的三線圈式磨粒在線監(jiān)測(cè)儀可檢測(cè)出 100 μm以上的磨屑[3]并已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)該類傳感器進(jìn)行了深入研究和創(chuàng)新應(yīng)用[4-5];基于高強(qiáng)度和高梯度磁場(chǎng)沉積鐵磁質(zhì)的鐵譜技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了在線可視化應(yīng)用[6]。就目前應(yīng)用來(lái)看,現(xiàn)有的鐵磁性磨粒在線監(jiān)測(cè)方法還存在成本高、對(duì)小尺寸顆粒檢出能力不足等問(wèn)題,尚難以滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。

        文獻(xiàn)[7]基于巨磁電阻效應(yīng)利用巨磁電阻磁傳感器芯片離線監(jiān)測(cè)油液鐵磁性磨粒,測(cè)試結(jié)果可較好反映磨粒的濃度而基本不受其尺寸的影響。實(shí)驗(yàn)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(hào),可能會(huì)湮沒(méi)單個(gè)小尺寸磁化磨粒的微弱磁場(chǎng)信號(hào),造成對(duì)較小尺寸鐵磨粒的檢測(cè)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(xiàn)[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(duì)小尺寸磨粒的檢出能力。在上述研究基礎(chǔ)上,本研究嘗試將巨磁電阻效應(yīng)應(yīng)用于實(shí)際循環(huán)油路中鐵磁性磨粒的在線監(jiān)測(cè),并結(jié)合磨粒聚集的方法以提升巨磁電阻磁傳感器對(duì)小尺寸顆粒的檢出能力。

        1 裝置及檢測(cè)方法介紹

        1.1 在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

        結(jié)合巨磁電阻效應(yīng)和磨粒聚集法,設(shè)計(jì)并搭建了如圖1所示的在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

        (a)裝置原理圖

        (b)裝置實(shí)物圖圖1 在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

        1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)チV苽?/h3>

        用鐵譜顯微鏡分別選取直徑約為250、120、75 μm等的單個(gè)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(cè)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(shí)驗(yàn)用磨粒顯微觀測(cè)圖

        將待測(cè)磨粒通過(guò)顆粒添加裝置添加至循環(huán)油路中,實(shí)驗(yàn)?zāi)チkS油液流經(jīng)置于傳感器芯片前端油路外側(cè)底部的強(qiáng)磁鐵時(shí),被磁場(chǎng)吸附聚集并被磁化,一段時(shí)間后撤走外磁場(chǎng)釋放磨粒(實(shí)際操作中,可用電磁鐵通斷電實(shí)現(xiàn)磨粒的自動(dòng)聚集與釋放),磨粒隨油路以一定的速度通過(guò)巨磁電阻磁傳感器(同樣置于油路外側(cè)底部),傳感器芯片可輸出與磨粒剩磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)的電壓信號(hào),信號(hào)放大器將該電壓信號(hào)放大一定倍數(shù)后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)并進(jìn)行濾波等分析處理。由于實(shí)驗(yàn)用磁傳感器芯片僅適用于弱磁場(chǎng)的檢測(cè),強(qiáng)磁場(chǎng)極易導(dǎo)致工作中的芯片損毀,故實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需先撤走用來(lái)聚集磨粒的強(qiáng)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(chǎng)對(duì)傳感器芯片輸出信號(hào)的干擾。

        2 磨粒檢出能力

        將制備的不同尺寸單個(gè)鐵磨粒添加至油路,研究實(shí)際循環(huán)油路條件下傳感器對(duì)單個(gè)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(hào)中的高頻噪聲和低頻緩變信號(hào),結(jié)果如圖3所示(采樣頻率為1 000 Hz)。

        圖3中明顯觀測(cè)到了120 μm左右磨粒的特征波形,但尺寸為75 μm的磨粒檢測(cè)信號(hào)不夠明顯,說(shuō)明裝置對(duì)75 μm以下的單個(gè)鐵磨粒檢測(cè)能力不足,同時(shí)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn),經(jīng)濾波處理后的檢測(cè)信號(hào)曲線如圖4所示(采樣頻率為1 000 Hz)。

        (a)120 μm單磨粒檢測(cè)曲線

        (b)75 μm單磨粒檢測(cè)曲線圖3 不同尺寸單顆粒的檢測(cè)曲線

        (a)10~50 μm鐵粉檢測(cè)曲線

        (b)<25 μm鐵粉檢測(cè)曲線圖4 不同尺寸多顆粒的檢測(cè)曲線

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

        3 多顆粒檢測(cè)信號(hào)特征指標(biāo)的提取

        對(duì)比圖3和圖4可知,單磨粒與多磨粒的檢測(cè)信號(hào)波形差別較大,多磨粒的檢測(cè)信號(hào)特征更為復(fù)雜,為進(jìn)一步實(shí)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(biāo),該特征指標(biāo)需要滿足2個(gè)條件:一是能明顯區(qū)分磨粒信號(hào)與非磨粒信號(hào);二是該指標(biāo)一致性良好。

        均值、平均差、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、協(xié)方差、均方根等統(tǒng)計(jì)量常用來(lái)反映信號(hào)的特征[11]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識(shí)[12],分別提取一階統(tǒng)計(jì)量極差,二階統(tǒng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)差,三階統(tǒng)計(jì)量偏度,四階統(tǒng)計(jì)量峰度對(duì)檢測(cè)曲線進(jìn)行分析。

        選取同一實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)檢測(cè)得到的5組檢測(cè)信號(hào),分別計(jì)算其非磨粒信號(hào)區(qū)間、磨粒信號(hào)區(qū)間的極差、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度系數(shù)、峰度系數(shù)4個(gè)指標(biāo)值,再求出磨粒信號(hào)區(qū)間各指標(biāo)的離散系數(shù)(用V表示)及磨粒信號(hào)區(qū)間相對(duì)非磨粒信號(hào)區(qū)間各指標(biāo)的增長(zhǎng)率(用Gr表示)。

        (1)

        (2)

        結(jié)果如表1所示。

        表1 特征指標(biāo)分析

        由表1對(duì)各特征指標(biāo)的分析可知,磨粒信號(hào)區(qū)間的極差、標(biāo)準(zhǔn)差、峰度系數(shù)3個(gè)指標(biāo)的離散系數(shù)均在10%以內(nèi),說(shuō)明這3個(gè)指標(biāo)一致性較好,可以用來(lái)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(biāo)一致性較差,不宜用來(lái)反映磨粒水平;從增長(zhǎng)率來(lái)看,極差、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度系數(shù)的增長(zhǎng)率又明顯大于峰度系數(shù),能夠有效區(qū)分磨粒信號(hào)和非磨粒信號(hào);故選用極差、標(biāo)準(zhǔn)差2個(gè)指標(biāo)來(lái)分析檢測(cè)曲線。

        4 相關(guān)變量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

        巨磁電阻磁傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)度與待測(cè)磁場(chǎng)的大小有關(guān)[13],而多個(gè)磁化磨粒作用于傳感器芯片的復(fù)合剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度可能取決于磨粒濃度、含量、尺寸等因素;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,磨粒在外磁場(chǎng)中聚集成一團(tuán),撤走外磁場(chǎng)后,磨粒團(tuán)在多種流體力作用下逐漸分散,分散程度可能與運(yùn)動(dòng)的距離有關(guān)。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(zhì)量、磨粒尺寸對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響程度。

        4.1 磨粒聚集位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

        取定量尺寸為20~70 μm的鐵粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn),先后在傳感器上游2、4、6、8、10 cm位置處聚集磁化實(shí)驗(yàn)?zāi)チ?,同一位置條件下均進(jìn)行5次檢測(cè),求5組檢測(cè)數(shù)據(jù)磨粒信號(hào)區(qū)間的特征指標(biāo)后取平均值,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 磨粒聚集位置對(duì)檢測(cè)結(jié)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(hào)區(qū)間的極差和標(biāo)準(zhǔn)差均明顯減小,即檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?,可知?dāng)這一距離進(jìn)一步增大時(shí),裝置可能難以有效檢測(cè)出磨粒信號(hào)。為確保裝置的檢測(cè)性能,最佳的磨粒聚集位置應(yīng)盡量靠近傳感器芯片,同時(shí),為避免用來(lái)聚集磨粒的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)巨磁電阻磁傳感器芯片的干擾性及破壞性,在實(shí)際操作中,需要增設(shè)嚴(yán)密的磁屏蔽裝置,或者用電磁鐵代替永磁鐵,通過(guò)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(shí)工作。

        4.2 磨粒含量對(duì)檢測(cè)結(jié)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(jìn)行實(shí)驗(yàn),每種磨粒質(zhì)量條件下均進(jìn)行5次測(cè)試,求5組檢測(cè)數(shù)據(jù)磨粒信號(hào)區(qū)間的特征指標(biāo)后取平均值,結(jié)果如圖6所示。

        圖6 磨粒質(zhì)量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

        由圖6可知,檢測(cè)信號(hào)的極差和標(biāo)準(zhǔn)差均隨磨粒的量基本呈線性增加,即檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度逐漸變強(qiáng),說(shuō)明檢測(cè)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(shí)間,s;c為油液中磨粒濃度,g/mL。

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

        實(shí)驗(yàn)過(guò)程中油液流量約為2.3 mL/s,明顯檢測(cè)到了含量為1 mg的磨粒。在實(shí)際潤(rùn)滑系統(tǒng)中,如果磨粒濃度的警報(bào)值為50 mg/L,由式(3)換算可得,在實(shí)驗(yàn)條件下,為使監(jiān)測(cè)裝置在磨粒濃度達(dá)到警報(bào)值時(shí)及時(shí)報(bào)警,需要的磨粒聚集時(shí)間約為9 s,表明該裝置監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。

        4.3 磨粒尺寸對(duì)檢測(cè)結(jié)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(jìn)行試驗(yàn),每種磨粒尺寸條件下均測(cè)試5次,求5組檢測(cè)信號(hào)磨粒信號(hào)區(qū)間的極差與標(biāo)準(zhǔn)差后取平均值,結(jié)果如圖7所示。

        圖7 鐵粉尺寸對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

        由圖7可知,當(dāng)待測(cè)磨粒的量一定時(shí),即循環(huán)油路流量、磨粒濃度及聚集時(shí)間一定時(shí),隨著鐵粉尺寸的增加,磨粒信號(hào)區(qū)間的極差和標(biāo)準(zhǔn)差均逐漸增加,即檢測(cè)信號(hào)逐漸變強(qiáng),表明檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度還可用于粗略判斷磨粒尺寸的大小,檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)可反映磨粒尺寸的變化趨勢(shì)。

        綜合上述分析,鐵磁性磨粒在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度可以粗略反映潤(rùn)滑系統(tǒng)中磨粒濃度與尺寸的水平。摩擦學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(kāi)始嚴(yán)重磨損、磨損故障繼續(xù)發(fā)展、災(zāi)難性故障4個(gè)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(cè)信號(hào)強(qiáng)度又可進(jìn)一步反映設(shè)備磨損階段及其發(fā)展趨勢(shì)。

        5 結(jié)論

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

        (2)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度與鐵磨粒含量基本成線性關(guān)系,與磨粒尺寸也存在明顯相關(guān)性,可望用于粗略判斷設(shè)備磨損階段及發(fā)展趨勢(shì)。

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