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)代測控技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100192；2.北京機械設(shè)備研究所 總裝調(diào)試室，北京 100854）

隨著機械設(shè)備逐漸向大型化、復(fù)雜化、精密化方向發(fā)展，機械設(shè)備運行對可靠性的要求也逐漸提高.對大型機械設(shè)備的健康狀態(tài)及早期故障進行準(zhǔn)確的評估與預(yù)警，是保證設(shè)備安全可靠運行的重要手段［1］.因此，發(fā)展先進的機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)及完備的健康評估體系對提高設(shè)備健康管理及智能運維的水平，促進裝備現(xiàn)代化、信息化與智能化水平具有重要意義［2］.機械設(shè)備運行過程中，關(guān)鍵零部件的異常磨損是引起機械設(shè)備性能劣化并導(dǎo)致早期故障的重要原因［3］.開展機械設(shè)備磨損狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)研究是實現(xiàn)機械設(shè)備早期異常檢測與健康狀態(tài)評估的重要手段［4］.機械設(shè)備發(fā)生異常磨損時，會產(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、形狀均可反映機械設(shè)備的摩擦磨損狀態(tài)［5］.因此，對潤滑油液中磨粒的狀態(tài)進行檢測與分析，是實現(xiàn)機械設(shè)備磨損狀態(tài)表征與評估的重要方法.

磨粒在線檢測傳感器是實現(xiàn)潤滑油液中的磨粒特征檢測的重要途徑.根據(jù)檢測原理的不同，磨粒在線監(jiān)測傳感器可分為電磁式、電容式、光譜式和超聲檢測式等［6］.其中電磁式傳感器利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)磨粒數(shù)量、大小、材料等特征信息的識別與檢測［7］.該類傳感器具有抗振動干擾能力強、溫度穩(wěn)定性好、允許流量較大、檢測結(jié)果不受潤滑介質(zhì)潔凈程度的影響等特點，可廣泛應(yīng)用于坦克裝甲車輛發(fā)動機、航空航天裝備、船舶等重大機械裝備動力傳動系統(tǒng)的磨損檢測領(lǐng)域，故逐漸成為裝備健康狀態(tài)監(jiān)測與評估領(lǐng)域的研究熱點之一［8］.Du 等［9-10］、Zhu等［11］對單線圈結(jié)構(gòu)的磨粒檢測傳感器進行了研究，并通過對傳感器內(nèi)部磁場分布和傳感器電路結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高了單線圈式磨粒監(jiān)測傳感器的檢測靈敏度.文獻［12-17］對平行三線圈式磨粒檢測傳感器進行了大量研究，該傳感器由兩反向繞制的激勵線圈和中間的感應(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領(lǐng)域中采用最廣泛的傳感器結(jié)構(gòu).文獻［18-20］對微流道型磨粒檢測傳感器開展了大量研究，該傳感器在微流芯片中嵌入兩個相同的層狀螺旋線圈，實現(xiàn)了鐵磁性磨粒和非鐵磁性磨粒的高靈敏度檢測；同時，該裝置通過測量兩線圈間電容變化可實現(xiàn)潤滑油液中水滴或者氣泡的檢測，且具備更高的檢測靈敏度；但由于油液通徑的限制，該傳感器允許的檢測流量較小，且容易被較大的磨粒堵塞，不適用于大型機械裝備的磨損檢測.為了進一步提高傳感器對磨粒的檢測效果，文獻［21-27］對基于靜態(tài)磁場的磨粒檢測傳感器進行了相關(guān)研究，由于靜磁場作為背景磁場較強，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傳感器的相關(guān)研究已經(jīng)取得諸多理論成果，但實際應(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流量.

為解決上述問題，本文提出一種基于高梯度靜磁場的多通道油液磨粒檢測傳感器.機械設(shè)備內(nèi)部元件的材料構(gòu)成主要為鐵磁性材料，因此，機械設(shè)備運行過程中所產(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傳感器特征進行研究分析.本研究所提出的傳感器采用兩個對向布置的環(huán)形靜磁鐵產(chǎn)生背景磁場，油液通道均勻布置于環(huán)形磁鐵的內(nèi)、外兩側(cè)；通過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)對其靈敏度的影響，并開展了實驗研究，驗證傳感器的有效性，實現(xiàn)80 μm 鐵磁性磨粒的有效檢測.

1 傳感器建模

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

基于高梯度靜磁場的多通道油液磨粒檢測傳感器結(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.傳感器采用兩個相同的環(huán)形靜磁鐵對向布置，在兩磁鐵的間隙處產(chǎn)生高梯度變化的強靜態(tài)背景磁場.兩磁鐵間設(shè)置有特定厚度的磁惰性材料墊片，通過改變墊片厚度調(diào)整兩磁鐵的軸向距離，優(yōu)化傳感器檢測靈敏度.通過在磁鐵內(nèi)、外兩側(cè)均勻布置多個磨粒檢測單元，增加傳感器最大允許流量，提高磨粒檢測效率.檢測單元由感應(yīng)線圈和油液通道共同組成，其數(shù)量可根據(jù)實際所需及磁鐵周圍空間大小進行設(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，金屬磨粒隨著潤滑油液在油液通道中運動.磨粒通過磁鐵產(chǎn)生的高梯度靜磁場時會產(chǎn)生磁化效應(yīng)，導(dǎo)致感應(yīng)線圈內(nèi)部磁場強度發(fā)生變化，進而引起感應(yīng)線圈輸出感應(yīng)電動勢（感應(yīng)電壓）.故通過測量感應(yīng)電壓幅值即可實現(xiàn)對潤滑油液中磨粒大小的識別.

1.2 傳感器數(shù)學(xué)模型的建立

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

式中：H為磁場強度；?為哈密頓算符.

此時，引入標(biāo)量磁勢φm，則磁場強度可表示為標(biāo)量磁勢的負(fù)梯度，即

在均勻介質(zhì)中，磁感應(yīng)強度的散度為0，即：

式中：B為磁感應(yīng)強度.

在靜磁場中，磁感應(yīng)強度與磁場之間的本構(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度.

綜合式（2）～式（4）可得傳感器內(nèi)部磁場分布滿足：

對式（5）進行求解，可獲得傳感器磁場分布特征.當(dāng)球體磨粒通過靜磁場時，磨粒內(nèi)部磁場分布滿足泊松方程，如式（6）所示.

在球坐標(biāo)系中對式（6）進行求解可得靜磁場中半徑為ra的球體磨粒內(nèi)部及周圍空氣中標(biāo)量磁勢的通解為：

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強度H滿足連續(xù)性分布，結(jié)合式（2），標(biāo)量磁勢滿足邊界條件：

式（8）描述了標(biāo)量磁勢在磨粒表面的連續(xù)性，式（9）描述了標(biāo)量磁勢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）進行聯(lián)立求解，可得式（7）中各待定系數(shù)，分別為：

進一步將式（12）及式（13）代入式（7）中，可得鐵磁性球體磨粒在靜磁場中標(biāo)量磁勢分布為：

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

鐵磁性磨粒通過靜磁場時會產(chǎn)生磁化效應(yīng)，此時磨粒內(nèi)部磁化強度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)強度.

可進一步求得，靜磁場中鐵磁性球體磨粒內(nèi)的總磁場強度HP為：

式中：H0為鐵磁性球體的背景磁場強度.

由式（17）和式（18）可得，當(dāng)背景磁場磁感應(yīng)強度較弱且磨粒未達到磁飽和時，鐵磁性球體磨粒內(nèi)部磁感應(yīng)強度分布如式（19）所示.由于機械系統(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)強度一般大于1.5 T，以45 號鋼為例，其飽和磁感應(yīng)強度約為1.867 T.本研究所采用的傳感器背景磁場最大磁感應(yīng)強度約為0.057 T，此時磨粒內(nèi)部磁感應(yīng)強度約為3×0.057 T≈0.171 T?1.5 T，可知磨粒通過傳感器時未達到磁飽和狀態(tài).

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

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

式中：ex和ez分別表示x和z方向的單位向量.

當(dāng)鐵磁性磨粒通過感應(yīng)線圈時，感應(yīng)線圈處磁感應(yīng)強度相對變化量為：

相對磁通量變化Δφ為感應(yīng)線圈的面積S與相對磁感應(yīng)強度變化量的乘積，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)電動勢U=ΔφΔt，由此可求解出傳感器的感應(yīng)電壓.

2 仿真研究

2.1 傳感器磁場分析

為研究傳感器背景磁場的分布特征，對兩環(huán)形磁鐵對向布置所產(chǎn)生的磁場進行仿真分析.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)域磁場強度較大，呈高梯度過渡至圖中外圍磁場強度較小的部分.

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

為詳細(xì)表征傳感器內(nèi)背景磁場的分布情況，提取圖2中X軸線上的磁感應(yīng)強度分布數(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)強度呈對稱分布特征，且磁場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)強度（0.057 T）略大于內(nèi)邊緣處磁感應(yīng)強度（0.048 T），兩側(cè)磁感應(yīng)強度相差約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)強度，提高傳感器檢測靈敏度.

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

2.2 傳感器物理參數(shù)對其性能的影響

傳感器的檢測靈敏度是評估傳感器性能的關(guān)鍵參數(shù).為了優(yōu)化傳感器的檢測性能，本節(jié)針對感應(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傳感器靈敏度的影響分別進行研究.

2.2.1 感應(yīng)線圈位置對傳感器檢測性能的影響

由圖2 可知，傳感器環(huán)形磁鐵的內(nèi)、外邊緣處磁感應(yīng)強度存在一定差異，會影響傳感器對磨粒檢測結(jié)果的一致性.因此，本節(jié)對感應(yīng)線圈軸線分別單獨位于磁鐵內(nèi)、外邊緣時，磨粒引起傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電壓進行仿真研究.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，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，磨粒引起的感應(yīng)電壓峰峰值為2.50 mV.可見環(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)線圈單獨布置在磁鐵內(nèi)側(cè)和外側(cè)的感應(yīng)電壓對比圖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效率，需要在環(huán)形磁鐵內(nèi)、外側(cè)同時布置檢測單元.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)同時布置感應(yīng)線圈進行仿真分析.仿真結(jié)果如圖5 所示，可見，鐵磁性磨粒通過傳感器時，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，環(huán)形磁鐵內(nèi)、外側(cè)同時布置感應(yīng)線圈時，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%.在實際應(yīng)用過程中，可考慮線圈間增加磁屏蔽裝置，避免線圈間磁場相互干擾.

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

由于磨粒在通過傳感器時，會經(jīng)過由接近感應(yīng)線圈到遠離感應(yīng)線圈的過程.當(dāng)磨粒接近感應(yīng)線圈時，引起感應(yīng)線圈內(nèi)的磁通量逐漸增強，使感應(yīng)線圈產(chǎn)生正感應(yīng)電動勢.當(dāng)磨粒遠離感應(yīng)線圈時，其內(nèi)部磁通量隨著磨粒的遠離而變小，使感應(yīng)線圈產(chǎn)生負(fù)感應(yīng)電動勢.因此，感應(yīng)電壓信號呈現(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)對傳感器檢測性能的影響

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)強度有所不同，可能對傳感器檢測金屬磨粒的性能產(chǎn)生影響.因此，本節(jié)針對環(huán)形磁鐵不同厚度和不同外半徑對傳感器檢測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)徑不可無限縮小，本節(jié)僅探究磁鐵的外半徑對傳感器檢測靈敏度的影響.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 的速度通過傳感器時，磁鐵外半徑對傳感器感應(yīng)電壓的影響曲線如圖6 所示.由圖6 可見，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，并在磁鐵外半徑為35 mm 時，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)形磁鐵厚度對傳感器性能的影響，對磁鐵厚度為2.0～6.0 mm 的傳感器進行仿真分析.當(dāng)直徑為60 μm 的鐵磁性磨粒以0.5 m/s 的速度通過傳感器時，磁鐵厚度對傳感器感應(yīng)電壓的影響曲線如圖7 所示.由圖7 可見，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傳感器檢測性能的影響

由于兩磁鐵間的軸向間距會影響兩磁鐵間隙處磁感應(yīng)強度，并導(dǎo)致傳感器檢測靈敏度發(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 的速度通過傳感器.對兩磁鐵軸向間距為3～7 mm的傳感器進行仿真分析.兩磁鐵軸向間距對傳感器感應(yīng)電壓的影響曲線如圖8 所示.由圖8 可見，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 時達到峰值，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，此時傳感器的靈敏度最高.

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

3 實驗驗證

3.1 實驗系統(tǒng)構(gòu)建

為了驗證基于高梯度靜磁場的多通道油液磨粒檢測傳感器的實際檢測性能，搭建了如圖9 所示的傳感器實驗測試系統(tǒng).該測試系統(tǒng)主要由信號檢測儀、傳感器和上位機軟件共同組成.信號檢測儀包括放大模塊、工頻濾波模塊、抗混濾波模塊和AD 轉(zhuǎn)換模塊，可對傳感器信號進行采集、調(diào)理，并將處理好的電壓信號傳輸至PC端的上位機軟件.上位機軟件用于統(tǒng)計和顯示傳感器的輸出信號.

圖9 傳感器實驗測試系統(tǒng)圖Fig.9 The diagram of experimental system for sensor test

傳感器信號傳輸過程示意圖如圖10 所示.實驗過程中，首先將磨粒以一定的速度直線通過傳感器，使傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓信號，信號檢測儀先將接收到的電壓信號進行放大、工頻濾波和抗混濾波處理，最后將處理好的信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后傳輸至上位機軟件，上位機軟件將處理好的信號實時顯示、記錄并保存.

圖10 傳感器信號傳輸過程示意圖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效果.實際測試過程中發(fā)現(xiàn)，隨著磁鐵幾何參數(shù)的增加，所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度迅速增加，導(dǎo)致鐵磁性磨粒無法順利通過傳感器，而被大量吸附在傳感器通道內(nèi)壁，造成磨粒檢測失效同時引起油路堵塞.綜合考慮傳感器實際應(yīng)用過程中體積、檢測靈敏度及磨粒通過性的要求，實驗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)強度，保證磨粒順利通過傳感器.實驗用傳感器主要參數(shù)如表1所示.

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

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

圖11 實驗采用鐵磁性磨粒的形貌圖Fig.11 The shape diagram of ferromagnetic wear particle for test

3.2 實驗結(jié)果討論

為了探究傳感器的檢測性能，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)時的傳感器實驗.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，以相同速度通過傳感器，得到實驗結(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，以相同速度通過傳感器，得到實驗結(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)時磨粒信號對比圖如圖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)時傳感器輸出的磨粒信號圖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)時傳感器輸出的磨粒信號圖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)時磨粒信號對比圖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的多通道油液磨粒在線檢測傳感器.采用兩個環(huán)形靜磁鐵對向布置產(chǎn)生的高梯度靜磁場，并在圓環(huán)磁鐵內(nèi)、外兩側(cè)均勻布置多個油液通道的方法，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)對檢測靈敏度的影響，實驗驗證了傳感器的實際檢測性能.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)時的傳感器靈敏度較強，感應(yīng)電壓約提高10.1%；內(nèi)、外側(cè)同時布置感應(yīng)線圈時，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；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，并在磁鐵間距為5.0 mm 時達到最大值.

3）實驗結(jié)果表明，隨著磨粒直徑的增加，傳感器信號也逐步增加，且感應(yīng)線圈布置在磁鐵外側(cè)時磨粒信號較強；該傳感器最終可實現(xiàn)直徑80 μm 鐵磁性磨粒的有效檢測.