CN102507728B - 船舶柴油机活塞环磨损监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶柴油机活塞环磨损监测传感器，包含有：圆盘电路板、磁阻传感器芯片、永久磁铁及传感器外壳；磁阻传感器芯片焊接于圆盘电路板上，在圆盘电路板上放置圆柱形铝盘，圆柱形铝盘的上方设有矩形槽，永久磁铁嵌入其中，永久磁铁的磁力线方向与磁阻传感器芯片的敏感方向垂直；传感器外壳底槽与传感器外壳顶盖通过螺纹连接，且其上固定有定位螺丝，磁阻传感器芯片的输出引脚通过引线穿过传感器外壳顶盖上的圆孔并通过航空街头固定,还包含有电路部分。本发明与现有技术相比，主要有以下的优点：本发明提供的船舶柴油机活塞环磨损监测传感器，具有结构简单，便于安装，测试精度高，工作量程宽等优点。

Description

船舶柴油机活塞环磨损监测传感器

技术领域

本发明涉及一种船舶柴油机活塞环磨损监测传感器。

背景技术

活塞环作为船舶柴油机的主要运动部件，其性能的好坏直接影响着柴油机的经济性、安全性。目前可直接或者间接对活塞环磨损进行定性或定量监测的方法主要包括压力监测法、瞬时转速监测法、油液监测法、振动噪声法、薄层活化法和磁传感监测法等，这些方法均不能准确的定位具体故障环的缸位或环位。

目前存在的一些智能化检测活塞环磨损的系统，主要采用磁性传感器，能够对船舶柴油机活塞环磨损在线监测。国内现有的船用柴油机活塞环磨损监测系统，是武汉理工大学彭章明等人发明的专利，申请号为200920085043.9。彭章明博士论文《基于磁传感技术的船用柴油机活塞环磨损监测方法研究》中有详细介绍。该监测系统可用于监测通用活塞环的磨损状态，但其未考虑环境中强磁场的影响，没有设计消除磁阻传感器芯片记忆性的单元模块，且传感器内部的永久磁铁为强磁铁，使得其产生磁场强度大，传感器的分辨率低，无法实现对活塞环的磨损状态进行监测。且外界环境对活塞环磨损监测系统存在磁化作用，因此这类传感器在使用前必须经行标定调零。而该系统并没有配套使用的标定装置，因此有必要重新开发一个能够准确定位活塞环磨损程度的船舶柴油机活塞环磨损监测传感器。

发明内容

    本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种实时精确的掌握船舶柴油机活塞环磨损状态的船舶柴油机活塞环磨损监测传感器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是，船舶柴油机活塞环磨损监测传感器，其特征是包含有：圆盘电路板、磁阻传感器芯片、永久磁铁及传感器外壳；磁阻传感器芯片焊接于圆盘电路板上，在圆盘电路板上放置圆柱形铝盘，圆柱形铝盘的上方设有矩形槽，永久磁铁嵌入其中，永久磁铁的磁力线方向与磁阻传感器芯片的敏感方向垂直；传感器外壳底槽与传感器外壳顶盖通过螺纹连接，且其上固定有定位螺丝，以确定传感器的安装方向，且具有固定圆柱形铝盘的作用，磁阻传感器芯片的输出引脚通过引线穿过传感器外壳顶盖上的圆孔并通过航空街头固定，

还包含有电路部分，包含有置位/复位电路和偏置电压消除电路，其中，通过所述的置位/复位电路消除磁阻传感器芯片的记忆性以提高灵敏度，通过所述的偏置电压消除电路消除外界磁场及磁电阻传感器芯片内部不平衡电阻的影响，置位/复位电路及偏置电压消除电路根据灵敏度及成本的要求选择相应的现有电路。

按上述方案，所述的永久磁铁为提供弱磁场的铁氧体。

按上述方案，考虑磁阻传感器芯片的线性范围，通过圆柱形铝盘的高度来达到永久磁铁到磁阻传感器芯片的距离，使得永久磁铁施加的磁场范围在磁阻传感器芯片的量程范围内。

按上述方案，圆柱形铝盘的高度为16.8mm。

按上述方案，底部的密封底盘嵌入于传感器外壳底槽内且材料为铜。

本发明在进行内部连接时将磁阻传感器芯片焊接于圆盘电路板上，圆盘电路板放置于传感器底槽内部，在圆盘电路板上放置圆柱形铝盘，圆柱形铝盘侧边有螺纹孔作为连接螺纹之用，圆柱形铝盘上方车有矩形槽，在其内部嵌入永久磁铁。外部连接主要是传感器外壳部分的连接，传感器外壳分为传感器外壳底槽、传感器外壳顶盖、航空接头、定位螺丝及密封底盘。加工过程中将密封底盘嵌入传感器外壳底槽，在传感器的顶盖中心位置焊有航空街头作为固定磁阻传感器引线之用，传感器外壳底槽与传感器外壳顶盖通过螺纹连接。

由于磁阻传感器芯片感应与其引脚方向平行的磁场，本发明将定位螺丝固定在磁阻传感器芯片输出引脚的一侧的外壳上作为定位标志，且在实际测试过程中安装传感器时将定位螺丝对准活塞环往复运动的方向，传感器内部的永久磁铁磁化活塞环，则永久磁铁产生的磁场与活塞环的磁场相叠加，而传感器测试活塞环往复运动方向的磁场，作为判断活塞环磨损的依据。即将定位螺丝的方向作为测试时的定位方向。

本发明的电路部分包括置位/复位电路、偏置电压消除电路以及相关的信号调理电路，磁阻传感器芯片的输出引脚与传感器引线连接到传感器外侧，在磁阻传感器芯片输出引脚接偏置电压消除电路及信号调理电路，在磁阻传感器芯片的置位/复位引脚接置位/复位电路。通过调整磁阻传感器芯片与永久磁铁的距离来达到合适要求的磁场范围，由于铝的磁化率与空气的磁化率相当，本发明将圆柱形铝盘放置于传感器芯片与永久磁铁之间，作为减弱永久磁铁产生的磁场的措施，永久磁铁与传感器芯片之间的距离值由仿真得到，仿真结果表明永久磁铁与磁阻传感器芯片的距离为17mm时磁场的变化不再明显。因此暂定两者间的距离为17mm,结合实际测试做相应的调整以得到最佳的距离为16.8mm，得到的磁场在磁阻传感器芯片的量程范围内，且使得传感器的灵敏度最佳；通过置位/复位电路消除磁阻传感器芯片的记忆性，使传感器的灵敏度最优；通过偏置电压消除电路消除外界因素及传感器芯片加工过程中产生的不平衡电阻对测试结果的影响。以上的设计满足船舶柴油机活塞环磨损范围宽，分辨率高的要求。

本发明的传感器安装于气缸套扫气口附近，活塞环往复运动经过传感器，使传感器输出信号发生变化，传感器输出信号包含活塞环磨损信息，经过计算机处理得到活塞环的磨损状态。

本发明设计了消除磁记忆的置位/复位电路模块，偏置电压消除电路模块，且选用铁氧体弱永久磁铁提供磁场，制作完成后对传感器进行标定，确定其灵敏度，使其能够准检测活塞环的磨损量。

本发明的工作原理：

本发明基于磁阻传感器的各向异性磁电阻效应，在垂直于磁阻传感器敏感方向施加磁场，磁场磁化活塞环，当活塞环往复运动经过传感器时切割磁力线，磁场发生变化。这一变化的磁场由外加磁场及活塞环磁化后产生的磁场叠加而成，而不同厚度的活塞环被磁化后产生的磁场强度的大小不同，因此磁场的变化中包含活塞环磨损的信息。磁场变化时，磁阻传感器的阻值发生变化，从而导致输出电压变化。式（1）为传感器输出电压与变化磁场的关系式。

                    （1）

其中，为供电电压，为传感器的灵敏度，为监测点的磁场强度。通过传感器输出电压的变化可以判断活塞环的磨损状态。

本发明的有益效果是：可以消除外界强磁场及其他环境因素对测试结果的影响，实时监测船用柴油机活塞环的磨损状态，测试结果可靠，能够分辨活塞环1mm的磨损量，

本发明与现有技术相比，主要有以下的优点：

1）不需对活塞环进行特殊处理，能够准确监测活塞环的磨损程度；

2）设计了对传感器进行置位/复位的电路，能够消除强磁场对传感器的干扰，传感器的测试精度高；

3）考虑了外界环境对传感器的影响，设计了偏置电压消除电路；

4）传感器外壳的定位螺丝有固定圆柱形铝盘的作用同时也作为定位标志，可以明确传感器的安装方向；

5）传感器外壳总体为圆台形且过渡圆滑，便于安装。

总之，本发明提供的船舶柴油机活塞环磨损监测传感器，具有结构简单，便于安装，测试精度高，工作量程宽等优点。

附图说明

图1为本发明的设计流程图；

图2为本发明电路框图；

图3为本发明整体结构示意图；

图4 偏置电压消除电路图；

图5 置位/复位电路图；

图6 为本发明监测原理图；

图7本发明监测过程磁场强度变化图；

图8为活塞环磨损规律与磁场的对应关系；

图9为实测波形图；

图中1-圆盘电路板，2-磁阻传感器芯片，3-圆柱形铝盘，4-永久磁铁，5-密封底盘，6-航空接头，7-引线，8-定位螺丝，9-传感器外壳底槽，10-传感器外壳顶盖。

具体实施方式

船舶柴油机活塞环磨损监测传感器，其特征是包含有：圆盘电路板1、磁阻传感器芯片2、永久磁铁4及传感器外壳；磁阻传感器芯片焊接于圆盘电路板上，在圆盘电路板上放置圆柱形铝盘3，圆柱形铝盘的上方设有矩形槽，永久磁铁嵌入其中，永久磁铁的磁力线方向与磁阻传感器芯片的敏感方向垂直；传感器外壳底槽9与传感器外壳顶盖10通过螺纹连接，且其上固定有定位螺丝8，以确定传感器的安装方向，且具有固定圆柱形铝盘的作用，磁阻传感器芯片的输出引脚通过引线7穿过传感器外壳顶盖上的圆孔并通过航空街头6固定，

还包含有电路部分，包含有置位/复位电路和偏置电压消除电路，其中，通过所述的置位/复位电路消除磁阻传感器芯片2的记忆性以提高灵敏度，通过所述的偏置电压消除电路消除外界磁场及磁电阻传感器芯片内部不平衡电阻的影响，置位/复位电路及偏置电压消除电路根据灵敏度及成本的要求选择相应的现有电路。

按上述方案，所述的永久磁铁为提供弱磁场的铁氧体。

按上述方案，考虑磁阻传感器芯片的线性范围，通过圆柱形铝盘的高度来达到永久磁铁到磁阻传感器芯片的距离，使得永久磁铁施加的磁场范围在磁阻传感器芯片的量程范围内。

按上述方案，圆柱形铝盘的高度为确定值为16.8mm。

按上述方案，底部的密封底盘5嵌入于传感器外壳底槽内且材料为铜。

本发明的设计流程如图1所示，电路模块按照图2说明进行设计，传感器按照图3封装。 

下面结合附图对本发明进一步说明，整个发明过程如下：

1、首先根据本发明的基本原理确定在设计过程中的设计步骤。由于本发明是根据永久磁铁磁化活塞环，使得活塞环能够产生附加磁场，并使合磁场中含有活塞环磨损的信息，而该合磁场通过磁阻传感器芯片测量，判断该合磁场中活塞环的磨损信息。因此在设计过程中除了需要考虑如何得到永久磁铁产生的磁场强度的大小以外，还需考虑磁阻传感器芯片的特性，因此根据图1的设计要点设计传感器；

2、考虑实际船用柴油机活塞环磨损量程范围宽，磨损分辨率高的特点，根据活塞环磨损的仿真的结果，选择磁阻传感器芯片的型号为HMC1001，其量程为-2Gs-2Gs,灵敏度为3.2mV/V/Gs；

3、由于磁阻传感器芯片的形状为矩形的，所以在选择永久磁铁的形状时选为矩形，使得从永久磁铁传到磁阻传感器芯片的磁场均匀。根据磁三维仿真计算结果，按照磁阻传感器芯片的量程要求，选择永久磁铁的为铁氧体弱磁铁，形状为方块形19×17×4.8mm，磁化方向为4.8mm厚度方向，其表面磁场的大小为500Gs；

4、通过仿真计算的方法确定磁阻传感器芯片到永久磁铁的距离，由仿真结果可知，当磁阻传感器芯片与永久磁铁之间的距离为17mm时，磁场变化不再明显，因此暂定两者间的距离为17mm，并在实际测试中调整该距离得到最佳距离为16.8mm，使得永久磁铁产生的磁场足以磁化活塞环且在磁阻传感器芯片的量程范围内。由于铝的磁化率与空气的磁化率相当，通过在永久磁铁与磁阻传感器芯片之间加圆柱形铝盘的方法来得到想要的距离，当传感器芯片到永久磁铁的距离确定则可以确定传感器内部结构；

4、设计传感器的外壳，由于磁阻传感器芯片感应与其引脚方向平行的磁场，要求传感器外壳上必须有定位螺丝，以确定传感器的测试方向；且传感器内部的铝盘需要固定，因此定位螺丝也要起到固定铝盘的作用，在铝盘上加工有一定深度的螺丝孔，从外壳穿进的螺丝可以固定铝盘。为便于安装，要发明求外形美观、没有棱角、不同面之间过渡平滑，因此外壳设计成圆台形，且外壳的顶盖与外壳底槽通过螺纹连接，并根据设计的内部结构封装传感器；

5、在确定内部结构的基础上根据附图2，设计相应的电路。由于磁阻传感器芯片具有磁记忆性，必须设计置位/复位电路消除该芯片的记忆性，由于磁阻传感器加工过程及外界的磁场会时磁阻传感器芯片产生不平衡电阻，因此需要设计偏置电压消除电路。且根据活塞环磨损信号微弱的特点需要设计相应的信号放大电路、滤波电路及数据采集及处理系统，根据处理后的信号判断活塞环的磨损量；

6、电路设计框图如图2所示，其中置位/复位电路如图4所示，该电路产生的脉冲用来消除磁阻传感器芯片的记忆性，提高传感器的灵敏度，偏置电压消除电路如图5所示，该电路用来消除外界磁场的干扰以及磁阻传感器芯片加工时产生不平衡电阻；

7、完成传感器的设计后，需对制成的传感器进行标定，进一步完善内部结构确定传感器的测试灵敏度；

8、传感器的监测原理如图6所示，当活塞环往复运动经过传感器切割由永久磁铁产生的磁力线，磁场发生变化，监测过程磁场强度的变化如图7所示，同时活塞环被磁化产生的磁场与原有的磁场叠加，因此磁阻传感器监测到的磁场含有活塞环磨损的信息；

9、仿真得到活塞环的磨损量与磁场特征值的大小存在如图8所示的单一对应关系，由于传感器输出电压的变化反映了磁场大小的变化，因此提取的电压特征值与活塞环的磨损量存在单一的对应关系，通过测试结果得到活塞环磨损状态；

10、根据监测点的选择要求，将传感器安装固定，且将传感器的定位螺丝对准活塞环的运行方向。

综上所述完成了对船舶柴油机活塞环磨损监测传感器的设计，并通过标定确定传感器的测试精度，以及说明了传感器的安装方法。

本发明提供的船舶柴油机活塞环磨损监测传感，其用于船舶柴油机性能测试，测试时采用包括以下步骤的方法：

1）在船舶柴油机停机状态下，于扫气口附近安装传感器，并同时安装上止点传感器，测试柴油机的上止点信号，连接传感器各线路，及启动数据采集系统及PC；

2）对传感器进行调零，排除外界磁场的干扰；

3）启动船舶柴油机，并开始在线测试柴油机活塞环的磨损状态，测试结果如图9所示；

 4）保存测试结果，并处理数据判断活塞环的磨损状态。

Claims (4)

1.船舶柴油机活塞环磨损监测传感器，其特征是包含有：圆盘电路板（1）、磁阻传感器芯片（2）、永久磁铁（4）及传感器外壳，所述的永久磁铁为提供弱磁场的铁氧体；磁阻传感器芯片焊接于圆盘电路板上，在圆盘电路板上放置圆柱形铝盘（3），圆柱形铝盘的上方设有矩形槽，永久磁铁嵌入其中，永久磁铁的磁力线方向与磁阻传感器芯片的敏感方向垂直；传感器外壳底槽（9）与传感器外壳顶盖（10）通过螺纹连接，且其上固定有定位螺丝（8），以确定传感器的安装方向，且具有固定圆柱形铝盘的作用，磁阻传感器芯片的输出引脚通过引线穿过传感器外壳顶盖上的圆孔并通过航空街头固定，

还包含有电路部分，包含有置位/复位电路和偏置电压消除电路，其中，通过所述的置位/复位电路消除磁阻传感器芯片（2）的记忆性以提高灵敏度，通过所述的偏置电压消除电路消除外界磁场及磁电阻传感器芯片内部不平衡电阻的影响，置位/复位电路及偏置电压消除电路根据灵敏度及成本的要求选择相应的现有电路。

2.根据权利要求1所述的船舶柴油机活塞环磨损监测传感器，其特征是考虑磁阻传感器芯片的线性范围，通过圆柱形铝盘的高度来达到永久磁铁到磁阻传感器芯片的距离，使得永久磁铁施加的磁场范围在磁阻传感器芯片的量程范围内。

3.根据权利要求2所述的船舶柴油机活塞环磨损监测传感器，其特征是圆柱形铝盘的高度为16.8mm。

4.根据权利要求1所述的船舶柴油机活塞环磨损监测传感器，其特征是底部的密封底盘嵌入于传感器外壳底槽内且材料为铜。