專利名稱：在線監(jiān)測鐵譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種監(jiān)測儀器，具體地說是一種用于摩擦磨損機(jī)理研究，機(jī)械設(shè)備工況及磨損狀態(tài)監(jiān)測與診斷、潤滑油評(píng)價(jià)等的在線監(jiān)測鐵譜儀。
任何一部帶有潤滑油循環(huán)系統(tǒng)的機(jī)器，潤滑油總是處在不斷地進(jìn)入、流出、攪動(dòng)和對(duì)流的循環(huán)狀態(tài)中。由于運(yùn)動(dòng)件表面之間的相互摩擦和磨損，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)有大量的磨損顆粒進(jìn)入潤滑系統(tǒng)中，這些磨損顆粒在油液中大多呈懸浮狀態(tài)并隨潤滑油循環(huán)。在機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，只要給定一組運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，系統(tǒng)內(nèi)的磨?？偸遣粩嗟禺a(chǎn)生又不斷地?fù)p耗。此外，油液中還有空氣和其他污染源帶來的污染物的顆粒。這些微小顆粒攜帶有機(jī)械設(shè)備失效和故障的重要信息。
工業(yè)實(shí)踐中，不同的磨損作用過程(跑合期、正常磨損期、嚴(yán)重磨損期)產(chǎn)生的磨粒有不同的特征(形態(tài)、尺寸、表面形貌、數(shù)量和粒子的分布)，它們反映和代表了不同的磨損失效類型(粘著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損等)。因此，對(duì)潤滑劑進(jìn)行分析，對(duì)于研究機(jī)器的磨損狀態(tài)、磨損失效的類型、磨損的機(jī)理以及油品的性能分析都有重要作用。同時(shí)也是一種在不停機(jī)、不解體的狀況下對(duì)機(jī)器設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和故障診斷的重要手段鐵譜分析技術(shù)(Ferrography)是一種在高強(qiáng)度、高梯度磁場的作用下，將機(jī)器摩擦副產(chǎn)生的磨粒從潤滑劑中分離出來，按其粒度有序地沉積在基片上，再運(yùn)用各種手段對(duì)基片上的磨粒進(jìn)行觀察、測量和分析，以獲得磨損過程的各種信息，從而研究磨損機(jī)理和判斷磨損狀態(tài)的一種分析方法。鐵譜分析的初步概念是美國的W.W.Seifert和V.C.Westcott在1970年提出來的。1972年，V.C.Westcott取得了這項(xiàng)技術(shù)的專利權(quán)，并由Foxboro公司制成了第一臺(tái)商用分析鐵譜儀。到1974年又研制出直讀鐵譜儀，通過該儀器可以進(jìn)行定量鐵譜分析。具有直讀功能和分析功能的雙聯(lián)鐵譜儀是75年研制出來的。早期的在線監(jiān)測鐵譜儀是美國Foxboro公司于1980年推出的958PF SERIESON-LINE FEROGRAPHY(美國專利41871702/1980)。該儀器在實(shí)驗(yàn)室中操作，且只能測量鐵譜片上的大磨粒和小磨粒的遮光面積百分比。美國專利6,151,108，[On-line measurement of contaminant level in lubricating oil，授權(quán)日期November 21，2000]，介紹了一種測量鐵磁性和順磁性磨粒的在線測量裝置，該裝置使用光纖傳輸光強(qiáng)信號(hào)，其原理為在螺線管內(nèi)的平行磁場中，磨粒將沿磁場方向分布。可用光電二極管測量電磁場中由于油液中磨粒遮光而引起的光強(qiáng)變化，但不能測量判斷機(jī)器失效有重要意義的特征大磨粒信號(hào)。美國專利5,504,573，[名為Apparatus and method for analyzing particles depositedon a substrate using substantially continuous profile data，專利授權(quán)日期April2，1996]，設(shè)計(jì)了一個(gè)裝置，使用線陣CCD圖像傳感器檢測沉淀在鐵譜片上的磨粒的光密度值，也屬于實(shí)驗(yàn)室離線分析。
1989年，聶蓓蓓申請(qǐng)了分析式直讀鐵譜儀專利，[專利號(hào)88215497]，該裝置能夠測量磨損微粒的數(shù)量、大小、形狀和分布等物理特性，以診斷油潤滑機(jī)械零件磨損故障，它由滴油管，沉積器，光纖、光源、光電接收器、計(jì)算指示器和廢液容器組成，但只能在實(shí)驗(yàn)室使用，屬離線監(jiān)測儀器。西安交通大學(xué)于1990年推出了第一臺(tái)樣品在線鐵譜儀OLF-1，并申請(qǐng)了專利，[專利號(hào)90223714，名稱電磁光電在線式鐵譜儀]。其基本原理類似于分析鐵譜儀，通過電磁鐵產(chǎn)生的磁場吸附磨粒，用光電傳感器探測磨粒覆蓋面積百分比。它由電磁鐵、光電傳感式探頭、油泵總成、電磁閥、光電流放大及電流電壓變換電路、溫度計(jì)電路、單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)、采樣動(dòng)作控制電路等組成。安裝在被監(jiān)測設(shè)備的潤滑油系統(tǒng)中，可自動(dòng)抽取潤滑油。
總之，上述所有的在線鐵譜儀，都只能探測磨粒遮光面積百分比，不能區(qū)分對(duì)故障預(yù)報(bào)有重要意義鐵磁性與順磁性金屬特征大磨粒數(shù)據(jù)。雖然有使用固態(tài)圖像傳感器CCD測量遮光面積百分比的，卻是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。有用光纖傳遞光強(qiáng)信號(hào)的，但沒有使用傳像光纖束傳遞圖像信號(hào)。
本實(shí)用新型的目的是提供一種抗干擾并能檢測與區(qū)分鐵磁性與順磁性金屬大磨粒的在線監(jiān)測鐵譜儀。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是，它包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)9，計(jì)算機(jī)9通過總線與數(shù)字信號(hào)處理器6連接；數(shù)字信號(hào)處理器6與單片機(jī)7、油路切換裝置1、光電傳感器4及油泵總成3相連；光電傳感器4與磨粒檢測探頭2相連，磨粒檢測探頭2與油泵總成3相通；單片機(jī)1上連接有液晶顯示器8，油泵總成3用于控制進(jìn)出口油路5。其特點(diǎn)是磨粒檢測探頭2包括探頭體14，探頭體14上方有發(fā)光體15，以及電磁鐵的兩個(gè)磁極24、25，兩個(gè)磁極中穿過自聚焦棒透鏡11，在探頭體14的空腔和兩磁極之間，安裝有透明密封材料29和固定傳光光纖18、傳像光纖束27和自聚焦棒透鏡11的光纖安裝板13。
本實(shí)用新型的另一些特點(diǎn)是，電磁鐵的兩個(gè)磁極24、25之間的距離為1～4mm，可通過各種形狀的傳光光纖18、傳像光纖束27和自聚焦棒透鏡11，自聚焦棒透鏡11的一端正對(duì)著沉淀的磨粒21，與油流方向成90度角，另一端與傳光光纖18耦合聯(lián)接；其傳光光纖18、傳像光纖束27和自聚焦棒透鏡11與固態(tài)圖像傳感器17的耦合為多根傳光光纖、傳像光纖束和自聚焦棒透鏡正對(duì)一個(gè)固態(tài)圖像傳感器17；其傳光光纖18、傳像光纖束27和自聚焦棒透鏡11經(jīng)耦合后的一端正對(duì)通過電磁鐵(永磁體)產(chǎn)生的磁場吸附的磨粒21，該距離在0～15mm之間，另一端正對(duì)用于測量由于被吸附磨粒對(duì)光的遮擋作用面發(fā)生變化的光強(qiáng)的固態(tài)圖像傳感器17或光電傳感器4，也包括正對(duì)用于測量各種形狀的鐵磁性和順磁性大磨粒的圖像傳感器17。
本實(shí)用新型由于使用了抗電磁干擾、耐污染的光纖來傳輸光通量和圖像信號(hào)，使得鐵譜儀的探頭和控制部分能夠隔離。由于引入了(CMOS)CCD圖像傳感器，能夠檢測與區(qū)分鐵磁性與順磁性金屬大磨粒。通過測試光強(qiáng)，可以獲得磨粒覆蓋面積百分比。由于通過傳光光纖傳遞光強(qiáng)，通過傳像光纖傳遞圖像，解決了光電傳感器的安裝問題。再對(duì)遮光面積百分比和特征磨粒數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，大大地提高了在線監(jiān)測鐵譜儀的故障預(yù)報(bào)能力。


圖1是本實(shí)用新型在線監(jiān)測鐵譜儀的方框圖；圖2是本實(shí)用新型在線監(jiān)測鐵譜儀光纖圖像傳感器耦合結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型在線監(jiān)測鐵譜儀實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型在線監(jiān)測鐵譜儀實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實(shí)用新型在線監(jiān)測鐵譜儀實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本實(shí)用新型在線監(jiān)測鐵譜儀實(shí)施例5的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本實(shí)用新型在線監(jiān)測鐵譜儀實(shí)施例6的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本實(shí)用新型在線監(jiān)測鐵譜儀實(shí)施例7的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本實(shí)用新型在線監(jiān)測鐵譜儀實(shí)施例8的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是本實(shí)用新型在線監(jiān)測鐵譜儀實(shí)施例9的結(jié)構(gòu)示意圖。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1參見圖1、2。圖1是本在線監(jiān)測鐵譜儀的原理框圖，圖2是本實(shí)用新型在線監(jiān)測鐵譜儀光纖圖像傳感器耦合結(jié)構(gòu)示意圖。它是由磨粒檢測探頭2、油泵總成3、油路切換裝置1、光電傳感器3(此處廣義地包括圖像傳感器17)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)6和單片機(jī)控制系統(tǒng)7、液晶顯示器8、上位計(jì)算機(jī)9等組成。其中磨粒檢測探頭主要包括(參照附圖2)電磁鐵及其兩個(gè)磁極24、25、發(fā)光體15、勻光材料22、傳光光纖18和傳像光纖束27、自聚焦棒透鏡11、探頭體14等元件。
本儀器的工作原理如下由單片機(jī)7控制的油路切換裝置1，根據(jù)工作需要，與監(jiān)測對(duì)象的不同油源連接。在電動(dòng)泵的抽吸下，油液按預(yù)定的程序沿管路流動(dòng)。當(dāng)緩慢流經(jīng)具有高磁場強(qiáng)度、高磁場梯度的磨粒檢測探頭2時(shí)，在磁場力的作用下，鐵磁性和順磁性金屬磨粒21就會(huì)按照粒度大小有序的沉積在透明密封材料29上。發(fā)光體15發(fā)出的光經(jīng)勻光材料22勻光后，通過密封材料10，照射到磨粒上。經(jīng)沉淀磨粒調(diào)制的光學(xué)信號(hào)通過自聚焦棒透鏡11和傳光光纖18傳輸?shù)焦饫w輸出變換板23，變成易于被透鏡16拾取的形狀，由數(shù)字信號(hào)處理器6控制的光電傳感器4對(duì)上述信號(hào)檢測后，根據(jù)數(shù)學(xué)模型判斷所檢測設(shè)備的工作狀態(tài)。如有必要，將數(shù)據(jù)傳到上位計(jì)算機(jī)9做進(jìn)一步的分析處理。系統(tǒng)的顯示采用液晶顯示器8，顯示與鍵盤輸入也由MCS51單片機(jī)7控制，根據(jù)菜單提示進(jìn)行操作。
實(shí)施例2～9是本實(shí)用新型磨粒檢測探頭2和光電傳感器4的幾種具體的實(shí)施實(shí)例，除其磨粒檢測探頭2的組成或聯(lián)接方式、位置關(guān)系外，其它結(jié)構(gòu)均同實(shí)施例1。
實(shí)施例2參見圖1、3。本實(shí)施例的探頭體14的上方是發(fā)光體15(例如發(fā)光二極管)，在該材料的下方是勻光材料22和透明密封材料10(例如玻璃)，探頭體14的下方是磁極24和磁極25。磁極24和25相距1-4mm，在此縫隙中，穿過多根直徑Φ＝0.5-2mm的自聚焦棒透鏡11。在探頭體14的空腔和磁極24、磁極25之間，至少包含厚為0.1-3mm的透明密封材料29和固定傳光光纖18、傳像光纖束27和自聚焦棒透鏡11的光纖安裝板13。其中，光纖安裝板13厚0.5-2.9mm，透明密封材料29(如透明投影紙)厚度不大于0.2mm。當(dāng)油液流過由透明材料29、10和探頭體14包圍的空腔時(shí)，磨粒21就沉淀在透明材料29上。自聚焦棒透鏡11的一端正對(duì)著透明材料29，與油流方向成90°夾角。通過調(diào)節(jié)自聚焦棒透鏡11與沉淀磨粒21之間的距離，就可以調(diào)整視場(測量面積)。自聚焦棒透鏡11的另一端與傳光光纖18耦合聯(lián)接。
本實(shí)施實(shí)例的特點(diǎn)是發(fā)光體15位于探頭體14的上方，光源經(jīng)勻光材料22照射到磨粒21上。被沉淀磨粒調(diào)制的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)自聚焦棒透鏡11耦合到傳光光纖18上。傳光光纖經(jīng)光纖輸出變換板23和鏡頭16與固體圖像傳感器CMOS耦合，這樣就實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)大測量面積與測量遮光面積百分比的目的。
實(shí)施例3參見圖4。圖4所示的結(jié)構(gòu)中，在磁極24、25之間的縫隙中，穿過多根傳像光纖束27，傳像光纖束27通過光纖安裝板13與透明密封材料29直接接觸。傳像光纖束27的另一端經(jīng)光纖與透鏡連結(jié)裝置12與自聚焦棒透鏡11連接，然后多根自聚焦棒透鏡11直接與圖像傳感器17耦合。自聚焦棒透鏡11與傳像光纖束27的直徑相同，在0.5-2.5mm之間。其他參數(shù)與實(shí)施例1相同。同樣能夠同時(shí)測量特征大磨粒信號(hào)和遮光面積百分比數(shù)據(jù)。
實(shí)施例4參見圖5。圖5所示的實(shí)施結(jié)構(gòu)中，通過調(diào)整自聚焦棒透鏡11與透明密封材料29之間的距離，可以獲得不同的視場和分辨率。能夠同時(shí)測量特征大磨粒信號(hào)和遮光面積百分比數(shù)據(jù)。其它參數(shù)同實(shí)施例3。
實(shí)施例5參見圖6。圖6所示的實(shí)施結(jié)構(gòu)適用于傳光光纖18，光纖的一端與透明密封材料29直接耦合，另一端與光電傳感器4(如PIN光電二極管)直接耦合。圖中只畫了一根傳光光纖，實(shí)際上有多根傳光光纖，每根光纖與光電傳感器4的耦合都同附圖6所示，為一個(gè)光電傳感器同一根光纖耦合。如果使用圖像傳感器，則多根光纖需要通過光纖輸出變換板23，經(jīng)透鏡16耦合到圖像傳感器17。能夠達(dá)到監(jiān)測的目的，但和實(shí)施例4相比，本實(shí)施實(shí)例不能調(diào)節(jié)磨粒視場，但結(jié)構(gòu)簡單。
實(shí)施例6參見圖7。圖7所示的實(shí)施結(jié)構(gòu)中，發(fā)光體15放在磁極24、25的下方，光源經(jīng)勻光材料22勻光后，照射在沉淀的磨粒21上，被磨粒21調(diào)制的光學(xué)信號(hào)通過透明密封材料10和透鏡16后，成像于放在探頭14正上方的CMOS圖像傳感器17。本實(shí)施實(shí)例結(jié)構(gòu)簡單，能夠同時(shí)測量特征大磨粒信號(hào)和遮光面積百分比數(shù)據(jù)。不過發(fā)光體15和圖像傳感器17要在強(qiáng)磁場中工作，對(duì)其要求比較高。
實(shí)施例7參見圖8。圖8所示的實(shí)施結(jié)構(gòu)中，發(fā)光體15也放在磁極24、25的下方，只是磨粒圖像信號(hào)經(jīng)過傳像光纖束27傳輸?shù)?參照附圖2)光纖輸出變換板23，經(jīng)透鏡16耦合到圖像傳感器17而成像。其它原理同實(shí)施例6。本實(shí)施實(shí)例能夠同時(shí)測量特征大磨粒信號(hào)和遮光面積百分比數(shù)據(jù)，自聚焦棒透鏡11用于調(diào)整視場大小。
實(shí)施例8參見圖9。圖9所示的實(shí)施結(jié)構(gòu)中，也是光源放在磁極下方，此時(shí)，測試的是遮光面積百分比信號(hào)，由光電傳感器4如光電二極管或者CMOS圖像傳感器17完成采樣。每根傳光光纖與光電傳感器的耦合都如圖9所示，即一個(gè)光電傳感器同一根傳光光纖耦合。如果使用圖像傳感器，則多根光纖需要通過光纖輸出變換板23(參照?qǐng)D2)，經(jīng)透鏡16耦合到圖像傳感器17中，也能達(dá)到實(shí)施例7的目的。
實(shí)施例9參見圖10。圖10所示的實(shí)施結(jié)構(gòu)中，光源是由發(fā)光體15提供，經(jīng)光源耦合裝置28耦合到傳光光纖18中，再經(jīng)自聚焦棒透鏡11照射到磨粒21上。光強(qiáng)的檢測同實(shí)施例8。本實(shí)施實(shí)例能夠測試遮光面積百分比信號(hào)。
權(quán)利要求1.一種在線監(jiān)測鐵譜儀，包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)[9]，計(jì)算機(jī)[9]通過總線與數(shù)字信號(hào)處理[6]連接；數(shù)字信號(hào)處理器[6]與單片機(jī)[7]、油路切換裝置[1]、光電傳感器[4]及油泵總成[3]相連；光電傳感器[4]與磨粒檢測探頭[2]相連，磨粒檢測探頭[2]與油泵總成[3]相通；單片機(jī)[1]上連接有液晶顯示器[8]，油泵總成[1]用于控制進(jìn)出口油路[5]；其特征在于所述磨粒檢測探頭[2]包括探頭體[14]，探頭體[14]上方有發(fā)光體[15]，以及電磁鐵兩個(gè)磁極，即磁極1[24]和磁極2[25]，兩個(gè)磁極中穿過自聚焦棒透鏡[11]，在探頭體[14]的空腔和兩磁極之間，安裝有透明密封材料[29]和固定傳光光纖[18]、傳像光纖束[27]和自聚焦棒透鏡[11]的光纖安裝板[13]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線監(jiān)測鐵譜儀，其特征在于所述電磁鐵及兩個(gè)磁極[24]、[25]之間穿過傳光光纖[18]、傳像光纖束[27]和自聚焦棒透鏡[11]，兩個(gè)磁極[24]、[25]之間的距離為1～4mm，自聚焦棒透鏡[11]的一端正對(duì)著沉淀的磨粒[21]，與油流方向成90度角，另一端與傳光光纖[18]耦合聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的在線監(jiān)測鐵譜儀，其特征在于所述的傳光光纖[18]、傳像光纖束[27]和自聚焦棒透鏡[11]與固態(tài)圖像傳感器[17]的耦合為多根傳光光纖、傳像光纖束和自聚焦棒透鏡正對(duì)固態(tài)圖像傳感器[17]
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在線監(jiān)測鐵譜儀，其特征在于所述的傳光光纖[18]、傳像光纖束[27]和自聚焦棒透鏡[11]經(jīng)耦合后的一端正對(duì)通過電磁鐵(永磁體)產(chǎn)生的磁場吸附的磨粒[21]，該距離在0～15mm之間，另一端正對(duì)被吸附磨粒[21]對(duì)光的遮擋作用面發(fā)生變化的光強(qiáng)的固態(tài)圖像傳感器[17]或光電傳感器[4]。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在線監(jiān)測鐵譜儀，其特征在于所述的傳光光纖[18]、傳像光纖束[27]和自聚焦棒透鏡[11]經(jīng)耦合后的一端正對(duì)通過電磁鐵(永磁體)產(chǎn)生的磁場吸附的磨粒[21]，另一端正對(duì)各種形狀的鐵磁性和順磁性大磨粒的圖像傳感器[17]。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種的在線監(jiān)測鐵譜儀,用于摩擦磨損機(jī)理研究、機(jī)械設(shè)備工況、磨損狀態(tài)監(jiān)測與診斷、潤滑油評(píng)價(jià)等。它由傳感器探頭、油泵總成、油路切換閥、光電傳感器、數(shù)字信號(hào)處理器和單片機(jī)控制系統(tǒng)等組成。本裝置可自動(dòng)抽取潤滑油,能夠檢測鐵磁性金屬與順磁性金屬磨粒。裝置使用光纖傳像束傳遞圖像信號(hào)、光纖傳光束傳遞光強(qiáng)信號(hào),通過圖像傳感器測量特征大磨粒數(shù)據(jù),通過圖像傳感器或光電傳感器測量遮光面積百分比,再對(duì)遮光面積百分比和特征磨粒數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合以確定磨損狀態(tài)。
文檔編號(hào)G01N27/72GK2501048SQ0124034
公開日2002年7月17日 申請(qǐng)日期2001年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月28日
發(fā)明者景敏卿, 呂曉軍, 伍昕, 謝友柏, 董光能 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)