專利名稱：船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器。
背景技術(shù)：
活塞環(huán)作為船舶柴油機的主要運動部件，其性能的好壞直接影響著柴油機的經(jīng)濟性、安全性。目前可直接或者間接對活塞環(huán)磨損進行定性或定量監(jiān)測的方法主要包括壓力監(jiān)測法、瞬時轉(zhuǎn)速監(jiān)測法、油液監(jiān)測法、振動噪聲法、薄層活化法和磁傳感監(jiān)測法等，這些方法均不能準確的定位具體故障環(huán)的缸位或環(huán)位。目前存在的一些智能化檢測活塞環(huán)磨損的系統(tǒng)，主要采用磁性傳感器，能夠?qū)Υ安裼蜋C活塞環(huán)磨損在線監(jiān)測。國內(nèi)現(xiàn)有的船用柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測系統(tǒng)，是武漢理工大學彭章明等人發(fā)明的專利，申請?zhí)枮?00920085043. 9。彭章明博士論文《基于磁傳感技術(shù)的船用柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測方法研究》中有詳細介紹。該監(jiān)測系統(tǒng)可用于監(jiān)測通用活塞環(huán)的磨損狀態(tài)，但其未考慮環(huán)境中強磁場的影響，沒有設(shè)計消除磁阻傳感器芯片記憶性的單元模塊，且傳感器內(nèi)部的永久磁鐵為強磁鐵，使得其產(chǎn)生磁場強度大，傳感器的分辨率低，無法實現(xiàn)對活塞環(huán)的磨損狀態(tài)進行監(jiān)測。且外界環(huán)境對活塞環(huán)磨損監(jiān)測系統(tǒng)存在磁化作用，因此這類傳感器在使用前必須經(jīng)行標定調(diào)零。而該系統(tǒng)并沒有配套使用的標定裝置， 因此有必要重新開發(fā)一個能夠準確定位活塞環(huán)磨損程度的船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)而提供一種實時精確的掌握船舶柴油機活塞環(huán)磨損狀態(tài)的船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器，其特征是包含有圓盤電路板、磁阻傳感器芯片、永久磁鐵及傳感器外殼；磁阻傳感器芯片焊接于圓盤電路板上，在圓盤電路板上放置圓柱形鋁盤，圓柱形鋁盤的上方設(shè)有矩形槽，永久磁鐵嵌入其中，永久磁鐵的磁力線方向與磁阻傳感器芯片的敏感方向垂直；傳感器外殼底槽與傳感器外殼頂蓋通過螺紋連接，且其上固定有定位螺絲，以確定傳感器的安裝方向，且具有固定圓柱形鋁盤的作用，磁阻傳感器芯片的輸出引腳通過引線穿過傳感器外殼頂蓋上的圓孔并通過航空街頭固定，
還包含有電路部分，包含有置位/復位電路和偏置電壓消除電路，其中，通過所述的置位/復位電路消除磁阻傳感器芯片的記憶性以提高靈敏度，通過所述的偏置電壓消除電路消除外界磁場及磁電阻傳感器芯片內(nèi)部不平衡電阻的影響，置位/復位電路及偏置電壓消除電路根據(jù)靈敏度及成本的要求選擇相應的現(xiàn)有電路。按上述方案，所述的永久磁鐵為提供弱磁場的鐵氧體。按上述方案，考慮磁阻傳感器芯片的線性范圍，通過圓柱形鋁盤的高度來達到永久磁鐵到磁阻傳感器芯片的距離，使得永久磁鐵施加的磁場范圍在磁阻傳感器芯片的量程范圍內(nèi)。按上述方案，圓柱形鋁盤的高度為16. 8mm。按上述方案，底部的密封底盤嵌入于傳感器外殼底槽內(nèi)且材料為銅。本發(fā)明在進行內(nèi)部連接時將磁阻傳感器芯片焊接于圓盤電路板上，圓盤電路板放置于傳感器底槽內(nèi)部，在圓盤電路板上放置圓柱形鋁盤，圓柱形鋁盤側(cè)邊有螺紋孔作為連接螺紋之用，圓柱形鋁盤上方車有矩形槽，在其內(nèi)部嵌入永久磁鐵。外部連接主要是傳感器外殼部分的連接，傳感器外殼分為傳感器外殼底槽、傳感器外殼頂蓋、航空接頭、定位螺絲及密封底盤。加工過程中將密封底盤嵌入傳感器外殼底槽，在傳感器的頂蓋中心位置焊有航空街頭作為固定磁阻傳感器引線之用，傳感器外殼底槽與傳感器外殼頂蓋通過螺紋連接。由于磁阻傳感器芯片感應與其引腳方向平行的磁場，本發(fā)明將定位螺絲固定在磁阻傳感器芯片輸出引腳的一側(cè)的外殼上作為定位標志，且在實際測試過程中安裝傳感器時將定位螺絲對準活塞環(huán)往復運動的方向，傳感器內(nèi)部的永久磁鐵磁化活塞環(huán)，則永久磁鐵產(chǎn)生的磁場與活塞環(huán)的磁場相疊加，而傳感器測試活塞環(huán)往復運動方向的磁場，作為判斷活塞環(huán)磨損的依據(jù)。即將定位螺絲的方向作為測試時的定位方向。本發(fā)明的電路部分包括置位/復位電路、偏置電壓消除電路以及相關(guān)的信號調(diào)理電路，磁阻傳感器芯片的輸出引腳與傳感器引線連接到傳感器外側(cè)，在磁阻傳感器芯片輸出引腳接偏置電壓消除電路及信號調(diào)理電路，在磁阻傳感器芯片的置位/復位引腳接置位 /復位電路。通過調(diào)整磁阻傳感器芯片與永久磁鐵的距離來達到合適要求的磁場范圍，由于鋁的磁化率與空氣的磁化率相當，本發(fā)明將圓柱形鋁盤放置于傳感器芯片與永久磁鐵之間，作為減弱永久磁鐵產(chǎn)生的磁場的措施，永久磁鐵與傳感器芯片之間的距離值由仿真得至IJ，仿真結(jié)果表明永久磁鐵與磁阻傳感器芯片的距離為17mm時磁場的變化不再明顯。因此暫定兩者間的距離為17mm，結(jié)合實際測試做相應的調(diào)整以得到最佳的距離為16. 8mm，得到的磁場在磁阻傳感器芯片的量程范圍內(nèi)，且使得傳感器的靈敏度最佳；通過置位/復位電路消除磁阻傳感器芯片的記憶性，使傳感器的靈敏度最優(yōu)；通過偏置電壓消除電路消除外界因素及傳感器芯片加工過程中產(chǎn)生的不平衡電阻對測試結(jié)果的影響。以上的設(shè)計滿足船舶柴油機活塞環(huán)磨損范圍寬，分辨率高的要求。本發(fā)明的傳感器安裝于氣缸套掃氣口附近，活塞環(huán)往復運動經(jīng)過傳感器，使傳感器輸出信號發(fā)生變化，傳感器輸出信號包含活塞環(huán)磨損信息，經(jīng)過計算機處理得到活塞環(huán)的磨損狀態(tài)。本發(fā)明設(shè)計了消除磁記憶的置位/復位電路模塊，偏置電壓消除電路模塊，且選用鐵氧體弱永久磁鐵提供磁場，制作完成后對傳感器進行標定，確定其靈敏度，使其能夠準檢測活塞環(huán)的磨損量。本發(fā)明的工作原理
本發(fā)明基于磁阻傳感器的各向異性磁電阻效應，在垂直于磁阻傳感器敏感方向施加磁場，磁場磁化活塞環(huán)，當活塞環(huán)往復運動經(jīng)過傳感器時切割磁力線，磁場發(fā)生變化。這一變化的磁場由外加磁場及活塞環(huán)磁化后產(chǎn)生的磁場疊加而成，而不同厚度的活塞環(huán)被磁化后產(chǎn)生的磁場強度的大小不同，因此磁場的變化中包含活塞環(huán)磨損的信息。磁場變化時，磁阻傳感器的阻值發(fā)生變化，從而導致輸出電壓變化。式(1)為傳感器輸出電壓與變化磁場的關(guān)系式。U = TJ0xSxH(1)
其中，^0為供電電壓，S為傳感器的靈敏度H為監(jiān)測點的磁場強度。通過傳感器輸出電壓的變化可以判斷活塞環(huán)的磨損狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果是可以消除外界強磁場及其他環(huán)境因素對測試結(jié)果的影響， 實時監(jiān)測船用柴油機活塞環(huán)的磨損狀態(tài)，測試結(jié)果可靠，能夠分辨活塞環(huán)Imm的磨損量，
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要有以下的優(yōu)點
1)不需對活塞環(huán)進行特殊處理，能夠準確監(jiān)測活塞環(huán)的磨損程度；
2)設(shè)計了對傳感器進行置位/復位的電路，能夠消除強磁場對傳感器的干擾，傳感器的測試精度高；
3)考慮了外界環(huán)境對傳感器的影響，設(shè)計了偏置電壓消除電路；
4)傳感器外殼的定位螺絲有固定圓柱形鋁盤的作用同時也作為定位標志，可以明確傳感器的安裝方向；
5)傳感器外殼總體為圓臺形且過渡圓滑，便于安裝?？傊景l(fā)明提供的船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，測試精度高，工作量程寬等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明的設(shè)計流程圖； 圖2為本發(fā)明電路框圖3為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4偏置電壓消除電路圖； 圖5置位/復位電路圖； 圖6為本發(fā)明監(jiān)測原理圖； 圖7本發(fā)明監(jiān)測過程磁場強度變化圖； 圖8為活塞環(huán)磨損規(guī)律與磁場的對應關(guān)系； 圖9為實測波形圖中1-圓盤電路板，2-磁阻傳感器芯片，3-圓柱形鋁盤，4-永久磁鐵，5-密封底盤， 6-航空接頭，7-引線，8-定位螺絲，9-傳感器外殼底槽，10-傳感器外殼頂蓋。
具體實施例方式船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器，其特征是包含有圓盤電路板1、磁阻傳感器芯片2、永久磁鐵4及傳感器外殼；磁阻傳感器芯片焊接于圓盤電路板上，在圓盤電路板上放置圓柱形鋁盤3，圓柱形鋁盤的上方設(shè)有矩形槽，永久磁鐵嵌入其中，永久磁鐵的磁力線方向與磁阻傳感器芯片的敏感方向垂直；傳感器外殼底槽9與傳感器外殼頂蓋10通過螺紋連接，且其上固定有定位螺絲8，以確定傳感器的安裝方向，且具有固定圓柱形鋁盤的作用， 磁阻傳感器芯片的輸出引腳通過引線7穿過傳感器外殼頂蓋上的圓孔并通過航空街頭6固定，還包含有電路部分，包含有置位/復位電路和偏置電壓消除電路，其中，通過所述的置位/復位電路消除磁阻傳感器芯片2的記憶性以提高靈敏度，通過所述的偏置電壓消除電路消除外界磁場及磁電阻傳感器芯片內(nèi)部不平衡電阻的影響，置位/復位電路及偏置電壓消除電路根據(jù)靈敏度及成本的要求選擇相應的現(xiàn)有電路。按上述方案，所述的永久磁鐵為提供弱磁場的鐵氧體。按上述方案，考慮磁阻傳感器芯片的線性范圍，通過圓柱形鋁盤的高度來達到永久磁鐵到磁阻傳感器芯片的距離，使得永久磁鐵施加的磁場范圍在磁阻傳感器芯片的量程范圍內(nèi)。按上述方案，圓柱形鋁盤的高度為確定值為16. 8mm。按上述方案，底部的密封底盤5嵌入于傳感器外殼底槽內(nèi)且材料為銅。本發(fā)明的設(shè)計流程如圖1所示，電路模塊按照圖2說明進行設(shè)計，傳感器按照圖3 封裝。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明，整個發(fā)明過程如下
1、首先根據(jù)本發(fā)明的基本原理確定在設(shè)計過程中的設(shè)計步驟。由于本發(fā)明是根據(jù)永久磁鐵磁化活塞環(huán)，使得活塞環(huán)能夠產(chǎn)生附加磁場，并使合磁場中含有活塞環(huán)磨損的信息，而該合磁場通過磁阻傳感器芯片測量，判斷該合磁場中活塞環(huán)的磨損信息。因此在設(shè)計過程中除了需要考慮如何得到永久磁鐵產(chǎn)生的磁場強度的大小以外，還需考慮磁阻傳感器芯片的特性，因此根據(jù)圖1的設(shè)計要點設(shè)計傳感器；
2、考慮實際船用柴油機活塞環(huán)磨損量程范圍寬，磨損分辨率高的特點，根據(jù)活塞環(huán)磨損的仿真的結(jié)果，選擇磁阻傳感器芯片的型號為HMC1001，其量程為-2Gs-2Gs，靈敏度為 3. 2mV/V/Gs ；
3、由于磁阻傳感器芯片的形狀為矩形的，所以在選擇永久磁鐵的形狀時選為矩形，使得從永久磁鐵傳到磁阻傳感器芯片的磁場均勻。根據(jù)磁三維仿真計算結(jié)果，按照磁阻傳感器芯片的量程要求，選擇永久磁鐵的為鐵氧體弱磁鐵，形狀為方塊形19 X 17 X 4. 8mm，磁化方向為4. 8mm厚度方向，其表面磁場的大小為500 ；
4、通過仿真計算的方法確定磁阻傳感器芯片到永久磁鐵的距離，由仿真結(jié)果可知，當磁阻傳感器芯片與永久磁鐵之間的距離為17mm時，磁場變化不再明顯，因此暫定兩者間的距離為17mm，并在實際測試中調(diào)整該距離得到最佳距離為16. 8mm，使得永久磁鐵產(chǎn)生的磁場足以磁化活塞環(huán)且在磁阻傳感器芯片的量程范圍內(nèi)。由于鋁的磁化率與空氣的磁化率相當，通過在永久磁鐵與磁阻傳感器芯片之間加圓柱形鋁盤的方法來得到想要的距離，當傳感器芯片到永久磁鐵的距離確定則可以確定傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)；
4、設(shè)計傳感器的外殼，由于磁阻傳感器芯片感應與其引腳方向平行的磁場，要求傳感器外殼上必須有定位螺絲，以確定傳感器的測試方向；且傳感器內(nèi)部的鋁盤需要固定，因此定位螺絲也要起到固定鋁盤的作用，在鋁盤上加工有一定深度的螺絲孔，從外殼穿進的螺絲可以固定鋁盤。為便于安裝，要發(fā)明求外形美觀、沒有棱角、不同面之間過渡平滑，因此外殼設(shè)計成圓臺形，且外殼的頂蓋與外殼底槽通過螺紋連接，并根據(jù)設(shè)計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)封裝傳感器；
5、在確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上根據(jù)附圖2，設(shè)計相應的電路。由于磁阻傳感器芯片具有磁記憶性，必須設(shè)計置位/復位電路消除該芯片的記憶性，由于磁阻傳感器加工過程及外界的磁場會時磁阻傳感器芯片產(chǎn)生不平衡電阻，因此需要設(shè)計偏置電壓消除電路。且根據(jù)活塞環(huán)磨損信號微弱的特點需要設(shè)計相應的信號放大電路、濾波電路及數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，根據(jù)處理后的信號判斷活塞環(huán)的磨損量；
6、電路設(shè)計框圖如圖2所示，其中置位/復位電路如圖4所示，該電路產(chǎn)生的脈沖用來消除磁阻傳感器芯片的記憶性，提高傳感器的靈敏度，偏置電壓消除電路如圖5所示，該電路用來消除外界磁場的干擾以及磁阻傳感器芯片加工時產(chǎn)生不平衡電阻；
7、完成傳感器的設(shè)計后，需對制成的傳感器進行標定，進一步完善內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定傳感器的測試靈敏度；
8、傳感器的監(jiān)測原理如圖6所示，當活塞環(huán)往復運動經(jīng)過傳感器切割由永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線，磁場發(fā)生變化，監(jiān)測過程磁場強度的變化如圖7所示，同時活塞環(huán)被磁化產(chǎn)生的磁場與原有的磁場疊加，因此磁阻傳感器監(jiān)測到的磁場含有活塞環(huán)磨損的信息；
9、仿真得到活塞環(huán)的磨損量與磁場特征值的大小存在如圖8所示的單一對應關(guān)系，由于傳感器輸出電壓的變化反映了磁場大小的變化，因此提取的電壓特征值與活塞環(huán)的磨損量存在單一的對應關(guān)系，通過測試結(jié)果得到活塞環(huán)磨損狀態(tài)；
10、根據(jù)監(jiān)測點的選擇要求，將傳感器安裝固定，且將傳感器的定位螺絲對準活塞環(huán)的運行方向。綜上所述完成了對船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器的設(shè)計，并通過標定確定傳感器的測試精度，以及說明了傳感器的安裝方法。本發(fā)明提供的船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感，其用于船舶柴油機性能測試，測試時采用包括以下步驟的方法
1)在船舶柴油機停機狀態(tài)下，于掃氣口附近安裝傳感器，并同時安裝上止點傳感器，測試柴油機的上止點信號，連接傳感器各線路，及啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及PC;
2)對傳感器進行調(diào)零，排除外界磁場的干擾；
3)啟動船舶柴油機，并開始在線測試柴油機活塞環(huán)的磨損狀態(tài)，測試結(jié)果如圖9所示； 4)保存測試結(jié)果，并處理數(shù)據(jù)判斷活塞環(huán)的磨損狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器，其特征是包含有圓盤電路板(1)、磁阻傳感器芯片(2)、永久磁鐵(4)及傳感器外殼；磁阻傳感器芯片焊接于圓盤電路板上，在圓盤電路板上放置圓柱形鋁盤(3)，圓柱形鋁盤的上方設(shè)有矩形槽，永久磁鐵嵌入其中，永久磁鐵的磁力線方向與磁阻傳感器芯片的敏感方向垂直；傳感器外殼底槽(9)與傳感器外殼頂蓋 (10)通過螺紋連接，且其上固定有定位螺絲(8)，以確定傳感器的安裝方向，且具有固定圓柱形鋁盤的作用，磁阻傳感器芯片的輸出引腳通過引線穿過傳感器外殼頂蓋上的圓孔并通過航空街頭固定，還包含有電路部分，包含有置位/復位電路和偏置電壓消除電路，其中，通過所述的置位/復位電路消除磁阻傳感器芯片(2)的記憶性以提高靈敏度，通過所述的偏置電壓消除電路消除外界磁場及磁電阻傳感器芯片內(nèi)部不平衡電阻的影響，置位/復位電路及偏置電壓消除電路根據(jù)靈敏度及成本的要求選擇相應的現(xiàn)有電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器，其特征在于所述的永久磁鐵為提供弱磁場的鐵氧體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器，其特征是考慮磁阻傳感器芯片的線性范圍，通過圓柱形鋁盤的高度來達到永久磁鐵到磁阻傳感器芯片的距離，使得永久磁鐵施加的磁場范圍在磁阻傳感器芯片的量程范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器，其特征是圓柱形鋁盤的高度為16. 8mmο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器，其特征是底部的密封底盤嵌入于傳感器外殼底槽內(nèi)且材料為銅。
全文摘要
本發(fā)明涉及船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器，包含有圓盤電路板、磁阻傳感器芯片、永久磁鐵及傳感器外殼；磁阻傳感器芯片焊接于圓盤電路板上，在圓盤電路板上放置圓柱形鋁盤，圓柱形鋁盤的上方設(shè)有矩形槽，永久磁鐵嵌入其中，永久磁鐵的磁力線方向與磁阻傳感器芯片的敏感方向垂直；傳感器外殼底槽與傳感器外殼頂蓋通過螺紋連接，且其上固定有定位螺絲，磁阻傳感器芯片的輸出引腳通過引線穿過傳感器外殼頂蓋上的圓孔并通過航空街頭固定,還包含有電路部分。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要有以下的優(yōu)點本發(fā)明提供的船舶柴油機活塞環(huán)磨損監(jiān)測傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，測試精度高，工作量程寬等優(yōu)點。
文檔編號G01N27/83GK102507728SQ201110327110
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者余永華, 楊建國, 楊欣, 湯經(jīng)緯, 黃巧鶯 申請人:武漢理工大學