基于GMR磁傳感器的油液鐵磁性磨粒在線監測方法仿真分析

李飛 孫云嶺 劉丙杰

摘要：針對一種基于GMR（巨磁阻）磁傳感器的油液鐵磁性磨粒在線監測方法，應用Ansoft Maxwell和Matlab軟件對其檢測信號進行了仿真分析，發現仿真信號波形與實物實驗結果基本一致，且仿真信號的幅值與磨粒尺寸之間存在明顯的正相關關系，從而在理論層面驗證了該監測方法的可行性。

關鍵詞：GMR磁傳感器;油液分析;鐵磁性磨粒;在線監測

0 引言

潛艇等大型裝備的傳動裝置長期在高速、重載條件下工作，磨損失效是該類機械裝置常見的故障形式[1]。在線監測技術可以在設備正常運行不停機的情況下，通過相關傳感器實時、連續檢測在用潤滑油中的磨損微粒，及時準確地獲取設備摩擦學系統的潤滑及磨損狀態[2]。該在線監測技術主要基于金屬磨屑的磁性、電學、聲學、光學等物理效應，利用不同原理的傳感裝置進行監測，但由于受到精度、靈敏度、環境適應性等技術局限，鮮有真正投入工業應用的相關產品[3]。因此，有必要研究新的磨粒在線監測方法，以更好地滿足工程應用需求。

1 基于GMR磁傳感器的在線監測方法

文獻[4]利用GMR磁傳感器離線檢測鐵磁性磨粒，本研究嘗試將GMR磁傳感器芯片應用于油液鐵磁性磨粒的在線監測。鐵磁性磨粒會被外加磁場磁化而攜帶一定的微弱磁場，故考慮利用強磁鐵捕獲并磁化潤滑油路中的鐵磁性磨粒，用GMR磁傳感器芯片檢測磨粒攜帶的磁場，從檢測信號中判斷磨粒的有無、尺寸等信息，從而對油路中的鐵磁性磨粒實現在線監測。

2 實物實驗

為驗證上述在線監測方法的可行性，本文設計了如圖1所示的在線監測實驗系統并進行預實驗，以單個球形磨粒為對象進行檢測。

預實驗獲取了較為明顯的檢測信號，且檢測信號的波形主要呈現“正（余）弦”及“單峰”2種形態特征，如圖2所示。

3 仿真分析

為進一步研究上述2種不同形態特征的檢測信號，本文結合電磁場仿真軟件Ansoft Maxwell和數學計算軟件Matlab，以球形磨粒為研究對象，模擬輸出GMR磁傳感器芯片的感應信號并進行相關分析。

球形磨粒被磁化后，其自身相當于一個獨立的永磁體。為簡化研究模型，直接用球形永磁體來代替磁化后的球形磨粒進行仿真實驗，但永磁體的磁感應強度遠大于真實情況下磨粒磁化后的磁場，超出了傳感器的測量范圍，故需通過調整單位對磁場數據進行同比例縮小，進行不計量綱的定性半定量分析。

3.1 ? ?球形磁體磁場分布仿真

在Ansoft Maxwell軟件中，利用Maxwell 3D模塊建立球形永磁體（半徑設為1 000 μm）的三維模型，用靜磁場求解器獲取其磁場分布情況，結果如圖3所示。

由圖3可知，球形磁體的磁場分布情況類似于地球磁場，球體表面有2個對稱的磁極，球體外部磁力線由N極指向S極并與內部磁力線共同形成閉合的回路，且磁場強度分布具有明顯的對稱性。

假設實際檢測過程中，球形磨粒以平動的運動方式通過傳感器的檢測區域。首先分析傳感器與磨粒相對運動平面內的磁場變化情況。根據磁場分布的對稱性，選擇圖3所示的A、B兩個特殊平面分析其磁場分布情況，其中，A平面與兩磁極連線平行，B平面與兩磁極連線垂直，分析結果如圖4所示。

由圖4可以直觀看出兩選定平面內磁場強弱和方向的變化情況。GMR磁傳感器探頭通常包括微硅懸臂梁、調制NiFe膜、磁力線聚集器、基底、巨磁阻等微結構和微器件，而磁敏電阻只是居于探頭中心位置的尺寸較小的元件[5]。假設球體磨粒從傳感器芯片的正上方（同時也是磁敏電阻的正上方）通過，現將磁敏電阻抽象為一個點，并假設球體磨粒靜止不動，則磁敏電阻分別在A、B平面內相對于球體磨粒的運動路徑如圖5中的直線a、b所示。

假設沿A、B平面的垂直方向是傳感器芯片的敏感方向，即磁場在垂直于A、B平面方向上的分量會影響傳感器的輸出值，而平行方向上的磁場分量對傳感器的輸出結果無影響。添加2條直線運動路徑模型（空間上直線到球體表面距離設為100 μm），利用Maxwell后處理場計算器輸出直線運動路徑上不同位置處的磁感應強度垂直分量大小，如圖6所示（僅做定性分析，不考慮量綱）。

圖6中2條不同直線運動路徑上的磁感應強度垂直分量變化曲線形態基本與圖4中的平面磁感應強度分布外輪廓線一致，說明計算結果正確，導出并保存該磁場變化數據，作為模擬傳感器的輸入數據。

3.2 ? ?GMR磁傳感器輸出檢測信號仿真分析

根據實物實驗中GMR磁傳感器芯片的輸出特性曲線，從曲線上采集17組數據點坐標，利用Matlab對數據點進行曲線擬合，擬合曲線及擬合方程如圖7所示（僅做定性分析，不考慮量綱）。

在Matlab中導入3.1中沿a、b運動路徑上待測顆粒的磁感應強度垂直分量仿真數據，根據傳感器輸出特性擬合方程模擬輸出檢測結果，如圖8所示（不考慮量綱;橫坐標表示在整條直線路徑上等間隔取1 000個點，路徑總長為7 500 μm）。

由圖8可以看出，待測顆粒在相對于球體的不同平面內運動時，檢測信號的形態呈現出類似正弦的曲線和單峰曲線，與圖2預實驗檢測信號波形一致，說明圖2的特征信號極有可能為磨損顆粒的檢測信號。

3.3 ? ?顆粒尺寸對傳感器輸出結果的影響仿真分析

為進一步研究顆粒尺寸對傳感器輸出結果的影響，保持其他參數不變，建立半徑分別為50 μm、100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500 μm、800 μm、1 000 μm的球形磁體模型，選擇A平面為芯片與球體的相對運動平面，建立相應的運動路徑直線模型，按照3.1、3.2的步驟模擬輸出相應的測試信號曲線，進行統一標準下的無量綱定性分析，取模擬測試信號峰峰值的1/2作為相應尺寸顆粒的檢測值，繪制檢測值隨顆粒尺寸的變化曲線，如圖9所示（僅做定性分析，不考慮量綱）。

由圖9可知，當顆粒尺寸增大時，檢測信號值也隨之逐漸增加，故檢測信號強度可以用于反映磨損顆粒的尺寸。

4 結語

本文針對一種基于GMR磁傳感器的潤滑油鐵磁性磨粒在線監測方法，利用Ansoft Maxwell和Matlab軟件對其檢測效果進行了模擬仿真，分析出了檢測信號形態及檢測信號強度與顆粒尺寸的關系，初步表明了該在線監測方法具備一定的可行性，為實物實驗的研究提供了理論支撐。

[參考文獻]

[1] 胡澤民，施洪生，亢凱，等.基于光學法的油液磨粒在線監測系統設計[J].電子技術應用，2018，44（8）：52-55.

[2] 陳學峰，李加唐.在線油液監測技術及其應用[J].機械工程與自動化，2014（6）：204-205.

[3] 王文瑾，馬靜.油液磨粒傳感器綜合測試平臺的設計研究[J].測控技術，2019，38（12）：83-87.

[4] 劉云濤，田洪祥，姜應戰，等.基于巨磁電阻傳感器的油液鐵磁性磨粒檢測研究[J].潤滑與密封，2014，39（2）：89-93.

[5] 胡靖華.GMR磁傳感器信號檢測技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2012.

收稿日期：2020-09-02

作者簡介：李飛（1992—），男，河南南陽人，碩士，助教，從事機械工程專業教學工作。