本发明涉及机械装备状态监测领域，特别涉及一种基于轴向高梯度磁场在线金属颗粒监测传感器及监测方法。
背景技术：
磨损通常发生在摩擦副接触表面间微小的间隙内，难以在不改变摩擦副接触状态的条件下对磨损进行在线测量。声发射、温度和振动监测等间接方法都是侦测由摩擦副磨损导致的装备间接的物理变化实现磨损监测，对于早期异常磨损以及磨损过程的监测还存在不小的障碍。相对地，磨粒携带大量磨损烈度和磨损模式的直接信息，通过提取磨粒的浓度、粒度分布和形貌特征等信息，可以对一个完整的磨损过程进行描述。当前已有多种类型的磨粒分析技术。根据传感器在润滑油路中的安装位置不同，磨粒监测分为离线式(Off-line)、在线式(On-line)和嵌入式(In-line)。离线检测从润滑系统中取出油样送到实验室分析进行全面的分析，取样频繁时产生的润滑油损耗大，分析周期长，整个过程过分依赖于分析人员的经验。在线式分析润滑油路的旁路进行连续或间歇地取样分析，优点在于对润滑系统的流动状态的影响小，但是仅对部分循环油液进行取样分析，结果可能缺乏代表性。嵌入式分析对润滑系统循环油路中的全部油液进行连续取样，优点在于分析结果比较可靠，但是嵌入式的技术难度大，传感器的安装可能增加油路流阻，降低润滑系统的可靠性。在线式和嵌入式都不存在润滑油损耗，分析过程自动进行，无需人为介入，两种方式主要区别在于取样位置以及分析油液的多少不同，二者可统称为在线磨粒监测。
当前国内外已发展了多种在线磨粒监测技术，有代表性的加拿大GasTops公司基于电感检测原理开发的MetalSCAN传感器，可识别>100μm铁磁性和>250μm非铁磁性磨粒，能够实现不同粒度范围的磨粒计数。该传感器对在用润滑油进行全流量监测，不影响油液的流动，已成功地应用于美军各型号飞机的齿轮传动系统、风电齿轮箱等装备的磨损在线监测。英国Kittiwake公司的LinerSCAN，已应用与远洋船舶中，西班牙atten2公司的运用光学成像原理开发了Oilwear，已应用与风电齿轮箱的监测。西安交通大学的在线图像可视铁谱OLVF(CN200610041773.X)，运用高梯度磁场对润滑油中的铁磁性颗粒进行在线沉积，并运用图像传感器获得磨粒谱片，实现磨损在线监测。
在已有的在线磨粒监测技术中，只有基于电感检测原理的传感器能够可靠地检测非铁磁性颗粒，最具代表性的是MetalSCAN。国内多个单位根据该原理也推出了一些类似产品，但检测效果还不甚理想。MetalSCAN在西方国家主要用于军用飞机的磨损监测，出口受限，目前我国仍未能掌握相关的军品级产品。
技术实现要素：
为在线监测润滑油中的铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒，本发明提出了一种基于轴向高梯度磁场的金属颗粒监测传感器及监测方法，通过监测润滑油中金属颗粒的粒度分布、数量和铁磁特性，有效判断装备的健康状态，并进行故障诊断和剩余寿命预测。
本发明提供一种基于轴向高梯度磁场在线金属颗粒监测传感器，包括磁场回路组件和油管检测组件；所述磁场回路组件包括第一导磁块21、第二导磁块22、第一磁极61、第二磁极62、第一线圈51、第二线圈52和铜套8；所述第一磁极61和第二磁极62分别套设在第一线圈51和第二线圈52的内部，所述第一磁极61的一端通过铜套8与第二磁极62的一端连接，且第一磁极61与第二磁极62之间留有气隙(第一磁极和第二磁极之间相隔的空隙称为气隙)，第一磁极61的另一端与第一导磁块21连接，第二磁极62的另一端与第二导磁块22连接；所述油管检测组件包括油管9和检测线圈7，所述检测线圈7设置在油管9中部的外表面上，检测线圈7外表面套设所述第一导磁块21、第二导磁块22、第一磁极61、第二磁极62和铜套8。
优选的，还包括导磁壳体1，磁场回路组件置于导磁壳体1内，且油管9的两端置于导磁壳体1外部。
优选的，所述导磁壳体1两端均设置有连接头4，导磁壳体1两端的端面与连接头4之间均设置有橡胶垫3。
优选的，所述连接头4设置有内凹槽，内凹槽的大小与油管的大小匹配，内凹槽的形状与油管形状匹配。
优选的，所述内凹槽中设置有密封圈。
优选的，第一磁极61和第二磁极62之间气隙为0.5～2mm。
优选的，所述第一磁极61和第二磁极62为中通的柱体；所述第一磁极61和第二磁极62为圆柱体或者正N棱柱，N≥3。
优选的，所述第一磁极61和第二磁极62靠近气隙的一端设有倒角。
利用上述监测传感器进行基于轴向高梯度磁场在线金属颗粒监测方法包括：
S1、监测传感器沿油管轴向施加高梯度磁场，作为激励源；
S2、当油管内有金属颗粒通过高梯度磁场时，监测传感器通过检测线圈的磁通量变化量计算感应电压；
S3、在磨粒通过气隙的过程中，判断感应电压变化过程曲线，若感应电压从零开始负向降低、再上升为正电压时为铁磁性颗粒，则感应电压从零开始正向增大、再下降为负电压时，必定为非铁磁性颗粒；
若感应电压从零开始负向降低、再上升为正电压时为非铁磁性颗粒，则感应电压从零开始正向增大、再下降为负电压时，必定为铁磁性颗粒。
本发明传感器内的油管从两个磁极的内部穿过，整体结构紧凑，能够适应各类监测环境，且只在传感器内部气隙的局部区域产生磁场，导磁壳体一方面可以屏蔽内部的高梯度磁场对外部环境的影响，另一方面可以屏蔽外部电磁场对检测线圈的干扰，提高检测精度；并且本发明采用轴向高梯度静磁场，作为激励源，可实现直流驱动，抗干扰能力强，而传统的电感型传感采用高频激励，驱动电路复杂，激励线圈的微小参数变化也可引起传感器输出的可观变化，产生测量误差，对传感器的制造精度要求较高；最重要的是本发明不仅可以发现油管中的金属颗粒，还可以通过感应电压的变化判断金属颗粒是铁磁性颗粒还是非铁磁性颗粒。
附图说明
图1为本发明基于轴向高梯度磁场在线金属颗粒监测传感器的剖视图；
图2为本发明基于轴向高梯度磁场在线金属颗粒监测传感器的分解示意图；
图3为本发明基于轴向高梯度磁场在线金属颗粒监测传感器的磁场回路组件分解示意图；
图4为本发明传感器气隙中心位置截面的磁场分布示意图；
图5为本发明传感器过油管轴线的截面的磁场分布示意图；
图6本发明油管中心沿轴向的磁场分布；
图7本发明实施例中材料为铁的颗粒通过油管时，感应电压的变化；
图8本发明实施例中材料为铜的颗粒通过油管时，感应电压的变化；
其中，1、导磁壳体，3、橡胶垫，4、连接头，7、检测线圈，8、铜套，9、油管，21、第一导磁块，22、第二导磁块，41、第一密封圈，42、第二密封圈，43、第三密封圈，51、第一线圈，52、第二线圈，61、第一磁极，62、第二磁极。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，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不付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。
本发明提供一种基于轴向高梯度磁场的金属颗粒监测传感器，如图1-3，包括磁场回路组件和油管检测组件；所述磁场回路组件包括第一导磁块21、第二导磁块22、第一磁极61、第二磁极62、第一线圈51、第二线圈52和铜套8；所述第一磁极61和第二磁极62分别套设在第一线圈51和第二线圈52的内部，所述第一磁极61的一端通过铜套8与第二磁极62的一端连接，且第一磁极61与第二磁极62之间留有气隙(第一磁极和第二磁极之间相隔的空隙称为气隙)，第一磁极61的另一端与第一导磁块21连接，第二磁极62的另一端与第二导磁块22连接；所述油管检测组件包括油管9和检测线圈7，所述检测线圈7设置在油管9中部的外表面上，检测线圈外表面套设所述第一导磁块21、第二导磁块22、第一磁极61、第二磁极62和铜套8。
优选的，铜套8侧表面有两个轴对称的孔，方便为检测线圈7提供驱动电流。
优选的，还包括导磁壳体1，磁场回路组件置于导磁壳体1内，且油管9的两端置于导磁壳体1外部；所述的导磁壳体1与所述的第一导磁块21、第一磁极61、第二磁极62和第二导磁块22形成一个磁场回路；采用这种结构可以运用恒流源作为传感器的驱动源，与电感式传感器相比，可以简化电路。
优选的，所述导磁壳体1两端均设置有连接头4，导磁壳体4两端的端面与连接头4之间均设置有橡胶垫3。
优选的，所述连接头4设置有内凹槽，内凹槽的大小与油管的大小匹配，内凹槽的形状与油管形状匹配。
优选的，所述内凹槽中设置有密封圈；本实施例中，设有三个密封圈，分别是第一密封圈41、第二密封圈42和第三密封圈43，其中第一密封圈41设置于内凹槽与油管9端面的接触位置，第三密封圈43设置于油管9与连接头4端面的接触位置，第二密封圈42设置于第一密封圈41和第三密封圈43之间；设置密封圈的数量可以根据实际环境适量增加或者减少，此设计可以有效的防止漏油。
优选的，第一磁极61和第二磁极62之间设有0.5～2mm的气隙；在气隙处产生漏磁，并在油管内产生磁场。
优选的，所述第一磁极61和第二磁极62为中通的圆柱体或者正N棱柱，N≥3；采用这种结构使得传感器结构紧凑。
优选的，所述第一磁极61和所述第二磁极62靠近气隙的一端有倒角，从而改善油管内磁场的分布，提高轴向磁场的梯度。
本发明提供一种基于轴向高梯度磁场在线金属颗粒监测方法，包括任一上述的监测传感器，包括：
S1、监测传感器沿机械设备的油管轴向施加高梯度磁场，作为激励源；
S2、当油管内有金属颗粒通过高梯度磁场时，根据监测传感器的检测线圈的磁通量变化量计算感应电压，感应电压表示为：
S3、在磨粒通过气隙的过程中，判断感应电压变化过程曲线，若感应电压从零开始负向降低、再上升为正电压时为铁磁性颗粒，则感应电压从零开始正向增大、再下降为负电压时，必定为非铁磁性颗粒；
若感应电压从零开始负向降低、再上升为正电压时为非铁磁性颗粒，则感应电压从零开始正向增大、再下降为负电压时，必定为铁磁性颗粒；
其中，N为检测线圈的匝数，Δφ为轴向高梯度磁场回路的磁通量变化，Δt为磨粒的运动时间。
在利用本传感器检测金属颗粒的过程中，铁磁性颗粒通过气隙时的感应电压变化过程必定与非铁磁性颗粒通过气隙时的感应电压变化过程相反。
当磨粒通过气隙时，磨粒会影响磁通量变化，进而影响感应电压的变化，线圈绕制方向和电流方决定磁场方向，即感应电压的变化与线圈绕制方向和电流方向有关，可以用右手螺旋定则和楞次定理判别，此处不再赘述。
为了说明传感器内部的磁场分布情况，以及磨粒流过传感器时检测线圈内产生的感应电压情况，运用电磁分析软件Ansoft Maxwell对传感器进行了有限元分析。对传感器的第一线圈和第二线圈施加300AN的电磁力，在直径为6mm的油管内气隙中心位置截面的磁场分布如图4所示，中心位置处油管磁感应强度B从轴心处的9.3278×10-2tesla向外逐渐增强至1.4037×10-1tesla，油管内部能够获得较高的磁感应强度；图5为过油管轴线的一个平面内，油管内部磁场从磁感应强度为1.9173×10-4tesla两端向靠近气隙的区域增强，最靠近气隙的磁感应强度可达1.3848×10-1tesla；图6是以气隙的中心位置为0刻度，油管中心轴的磁场强度沿轴向的变化情况，可以看到磁场沿轴向呈高梯度变化，特别在气隙区磁场强度变化剧烈，而远离气隙的地方磁场强度约为0；所以，磨粒只有进入气隙附近的局部区域时，才会引起检测线圈的磁通量变化，这有助于提高磨粒分辨率。
在本实施例中，第一线圈、第二线圈和检测线圈的绕向相同，磨粒在本实施例中的运动方向与气隙处的磁感线方向相反，若一个500μm×500μm×500μm的磨粒以0.06m/s的速度匀速流过传感器时，对检测线圈的感应电压进行动态模拟；图7-8以磨粒运动的时间作为横坐标、以磨粒运动过程中产生的感应电压作为纵坐标建立磨粒随着运动时间感应电压的变化曲线；当磨粒的材料为铁时，如图7，当磨粒靠近气隙区域时，感应电压先负向降低，当磨粒通过气隙中心位置后，感应电压迅速上升变为正电压，当磨粒远离气隙时，电压又变为0，此材料的磨粒运动过程中产生的感应电压的峰值约为125uV、谷值约为-113uV；当磨粒的材质为铜时，如图8，感应电压的变化过程正好相反，即当磨粒靠近气隙区域时，感应电压先正向上升，当磨粒通过气隙中心位置后，感应电压迅速下降变为负电压，当磨粒远离气隙时，电压又变为0，且此时磨粒运动过程中产生的感应电压峰值约为18uV、谷值约为-25uV；对比不同材质的磨粒的计算结果，可以发现本发明的传感器能够分辨出铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒；结合图7-8可以看出，相同尺寸条件下，铁磁性颗粒产生的最大感应电压要远大于非铁磁型颗粒。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。