一种基于巨磁阻效应的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器

摘要

本发明公开了一种基于巨磁阻效应的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，包括以下组成结构：传感器模块：实现对润滑油液中微小金属磨损颗粒进行检测；信号激励及采集模块：实现为传感器模块输出高频激励源并进行微小磨损颗粒信号检测，本发明通过向传感器励磁线圈中通入高频激励电流，以在传感器内部空间形成高频交变磁场，当带有微小金属磨损颗粒的润滑油液流经检测单元管路时，传感器内局部磁场会产生扰动，此时检测单元中的磁敏感元件的交流电阻会发生明显变化，信号测量系统通过测量检测单元及参考单元中磁敏感元件的交流电阻的差异，可对润滑油液中的磨损颗粒粒度及数量分布进行估计，提高了评估与检测的精准度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种颗粒检测传感器，特别涉及一种基于巨磁阻效应的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，属于颗粒检测技术领域。

背景技术

机械设备运行过程中，运动副间的相互运动会产生大量的磨损颗粒。这些磨损颗粒作为磨损现象的产物包含了大量机械设备磨损状态信息；同时由于磨损颗粒会随润滑油液在机械系统中运动，因此其会进一步导致机械设备磨损现象的加剧。润滑油液通常被喻为机械设备的血液，因此对润滑油液中的磨损颗粒特征(包括：磨粒材料属性、磨粒形状、磨粒尺寸及磨粒数量分布等)进行在线监测，有助于实现机械设备磨损状态进行实时的评估与检测，并对机械设备早期故障诊断及预报具有重要意义。

目前国内外各研究机构针对磨损颗粒在线监测技术已开展了大量研究工作,总体而言，该类技术可整体分为两类：离线式磨损颗粒检测技术和在线式磨损颗粒检测技术。其中，离线式磨损颗粒检测技术主要采用光谱分析方法、铁谱分析方法以及颗粒计数方法等。该类技术已经发展成熟并逐步应用于多种工业场合。但由于该类技术需要对机械设备润滑油液进行长期的采样并后期进行实验室分析，因此所需的工作量较大，且检测结果通常滞后于设备实时运行状态；此外，由于该类设备操作一般较为复杂，需要专业的设备操作知识，因此检测结果的准确性严重依赖于设备操作人员的技术水平。而在线式磨损颗粒检测系统可直接安装于机械设备润滑系统中，并对润滑油液中的磨损颗粒信息进行实时检测，因此其正逐步取代传统的离线式磨损颗粒检测手段。该类传感器所采用的检测原理主要包括：光学原理、电学原理、声学原理及电磁学原理。而以加拿大GasTops公司开发研制的MetalScan磨损颗粒检测系统为代表的电磁式磨损颗粒检测系统在对复杂环境中大型机械装备磨损检测领域显示出了超强的应用前景。该类传感器通过检测微小金属磨损颗粒引起的传感器局部磁场扰动特征及程度来判别磨损颗粒材料属性(铁磁性磨损颗粒/非铁磁性磨损颗粒；铁磁性磨损颗粒会增强局部磁场，而非铁磁性磨损颗粒会减弱局部磁场)以及粒度大小(磨损颗粒引起的磁场磁能变化程度与磨损颗粒粒度呈正比)。但该类磁检测传感器检测原理主要基于电磁感应效应，而该物理效应对弱磁场变化的敏感程度较弱，因此其在本质上限制了电磁式磨损颗粒检测传感器灵敏度的大幅提高以及对微小金属磨损颗粒的检测能力。近年间，随着微/纳摩擦学，生态/环境摩擦学，人体摩擦学等前瞻性研究的逐渐深入，对更小尺度范围的磨损进行检测的需求也显著增加；此外，应用于太空、极地、海洋等特殊环境的精密机械及微机电系统的快速发展，也迅速显示出了我国对于特殊/极端环境中超高灵敏度的微磨损在线检测方法及系统的缺乏，其造成的技术壁垒严重阻碍了对精密元件摩擦界面磨损状态的评估与检测。

因此，研究基于新型弱磁场敏感效应的微小磨损颗粒检测传感器已成为目前一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于巨磁阻效应的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于巨磁阻效应的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，包括以下组成结构：

传感器模块：实现对润滑油液中微小金属磨损颗粒进行检测；

信号激励及采集模块：实现为传感器模块输出高频激励源并进行微小磨损颗粒信号检测；

上位机软件：实现对所采集的磨损颗粒信号进行粒度估计以及数量统计。

作为本发明的一种优选技术方案，所述传感器模块包括检测单元流道、参考单元流道、传感器上屏蔽壳、敏感元件座、参考单元GMR敏感元件、检测单元GMR敏感元件、励磁线圈和传感器下屏蔽壳；

所述检测单元流道以及检测单元GMR敏感元件共同构成传感器检测单元；所述参考单元流道以及参考单元GMR敏感元件共同构成传感器参考单元；且两单元结构完全相同并对称布置于传感器模块内；

所述检测单元GMR敏感元件及参考单元GMR敏感元件分别对称放置于敏感元件座的上方，所述检测单元流道以及及参考单元流道分别置于检测单元GMR敏感元件和参考单元GMR敏感元件的上方，所述励磁线圈设置在敏感元件座下方，所述传感器上屏蔽壳的底端与传感器下屏蔽壳的顶端固定连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述信号激励及采集模块包括高频电流源、两个交流阻抗测试和信号采集，两个所述交流阻抗测试分别与参考单元GMR敏感元件和检测单元GMR敏感元件电连接，两个所述交流阻抗测试通过信号采集与上位机软件传输连接，所述高频电流源通过励磁线圈与参考单元GMR敏感元件和检测单元GMR敏感元件电连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述检测单元流道、参考单元流道及敏感元件座均由磁惰性材料加工制成。

作为本发明的一种优选技术方案，所述传感器上屏蔽壳与传感器下屏蔽壳均采用高磁导率的铁磁性材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明一种基于巨磁阻效应的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器，通过向传感器励磁线圈中通入高频激励电流，以在传感器内部空间形成高频交变磁场，当带有微小金属磨损颗粒的润滑油液流经检测单元管路时，传感器内局部磁场会产生扰动，此时检测单元中的磁敏感元件的交流电阻会发生明显变化。信号测量系统通过测量检测单元及参考单元中磁敏感元件的交流电阻的差异，可对润滑油液中的磨损颗粒粒度及数量分布进行估计，提高了评估与检测的精准度，实现了对微小金属磨损颗粒的有效检测，实用性强。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的传感器模块结构简图；

图3是本发明的传感器信号采集模块原理框图。

图中：1、检测单元流道；2、参考单元流道；3、传感器上屏蔽壳；4、敏感元件座；5、参考单元GMR敏感元件；6、检测单元GMR敏感元件；7、励磁线圈；8、传感器下屏蔽壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供了一种基于巨磁阻效应的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器的技术方案：

根据图1-3所示，包括以下组成结构：

传感器模块：实现对润滑油液中微小金属磨损颗粒进行检测；

信号激励及采集模块：实现为传感器模块输出高频激励源并进行微小磨损颗粒信号检测；

上位机软件：实现对所采集的磨损颗粒信号进行粒度估计以及数量统计。

根据图1和图2所示，传感器模块包括检测单元流道1、参考单元流道2、传感器上屏蔽壳3、敏感元件座4、参考单元GMR敏感元件5、检测单元GMR敏感元件6、励磁线圈7和传感器下屏蔽壳8；

检测单元流道1以及检测单元GMR敏感元件6共同构成传感器检测单元；参考单元流道2以及参考单元GMR敏感元件5共同构成传感器参考单元；且两单元结构完全相同并对称布置于传感器模块内；

检测单元GMR敏感元件6及参考单元GMR敏感元件5分别对称放置于敏感元件座4的上方，检测单元流道1以及及参考单元流道2分别置于检测单元GMR敏感元件6和参考单元GMR敏感元件5的上方，励磁线圈7设置在敏感元件座4下方，传感器上屏蔽壳3的底端与传感器下屏蔽壳8的顶端固定连接。

信号激励及采集模块包括高频电流源、两个交流阻抗测试和信号采集，两个交流阻抗测试分别与参考单元GMR敏感元件5和检测单元GMR敏感元件6电连接，两个交流阻抗测试通过信号采集与上位机软件传输连接，高频电流源通过励磁线圈7与参考单元GMR敏感元件5和检测单元GMR敏感元件6电连接，实现为传感器模块输出高频激励源并进行微小磨损颗粒信号检测，检测单元流道1、参考单元流道2及敏感元件座3均由磁惰性材料加工制成，消除油液流道材料对传感器输出特性的影响，传感器上屏蔽壳3与传感器下屏蔽壳8均采用高磁导率的铁磁性材料制成，实现对外部磁场的磁屏蔽，减小环境磁场扰动对传感器内部磁敏感元件的影响。

实施例一：工作时，信号激励及采集模块向励磁线圈7中输出高频交变电流，此时传感器模块内部产生高频交变磁场，由于传感器检测单元与参考单元在传感器模块内部呈对称布置，因此，各单元所处磁场分布情况完全相同。当带有金属磨损颗粒的润滑油液流经检测单元流道1时，该部分局部磁场会发生磁扰动，此时检测单元GMR磁敏感元件6交流电阻会产生明显变化。由于GMR磁敏感元件对弱磁变化有较高的灵敏度，故为了消除环境磁场的微弱变化(如：传感器位置变化导致的地磁场差异)对传感器输出特性的影响，传感器参考单元始终处于空状态，因此参考单元GMR敏感元件5主要用于产生环境磁场变化的参考信号；

上述实施例中，传感器激励及检测单元中传感器信号检测原理框图如图3所示，其中检测单元GMR敏感元件6及参考单元GMR敏感元件5均作为惠斯通电桥的可变电阻部分。金属磨损颗粒引起的检测单元GMR敏感元件6的交流电阻变化可通过锁相放大技术进行有效提取，并通过信号滤波部分实现残余干扰的二次滤除，以提高磨损颗粒信号的信噪比，信号采集部分通过测量检测单元GMR磁敏感元件6及参考单元GMR磁敏感元件5间的交流电阻变化的差分信号，即可反应润滑油液中金属磨损颗粒的粒度及数量。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。