专利名称：在线监测铁谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种监测仪器，具体地说是一种用于摩擦磨损机理研究，机械设备工况及磨损状态监测与诊断、润滑油评价等的在线监测铁谱仪。
任何一部带有润滑油循环系统的机器，润滑油总是处在不断地进入、流出、搅动和对流的循环状态中。由于运动件表面之间的相互摩擦和磨损，在机器运转过程中会有大量的磨损颗粒进入润滑系统中，这些磨损颗粒在油液中大多呈悬浮状态并随润滑油循环。在机器正常运转期间，只要给定一组运转参数，系统内的磨粒总是不断地产生又不断地损耗。此外，油液中还有空气和其他污染源带来的污染物的颗粒。这些微小颗粒携带有机械设备失效和故障的重要信息。
工业实践中，不同的磨损作用过程(跑合期、正常磨损期、严重磨损期)产生的磨粒有不同的特征(形态、尺寸、表面形貌、数量和粒子的分布)，它们反映和代表了不同的磨损失效类型(粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损等)。因此，对润滑剂进行分析，对于研究机器的磨损状态、磨损失效的类型、磨损的机理以及油品的性能分析都有重要作用。同时也是一种在不停机、不解体的状况下对机器设备的状态进行监测和故障诊断的重要手段铁谱分析技术(Ferrography)是一种在高强度、高梯度磁场的作用下，将机器摩擦副产生的磨粒从润滑剂中分离出来，按其粒度有序地沉积在基片上，再运用各种手段对基片上的磨粒进行观察、测量和分析，以获得磨损过程的各种信息，从而研究磨损机理和判断磨损状态的一种分析方法。铁谱分析的初步概念是美国的W.W.Seifert和V.C.Westcott在1970年提出来的。1972年，V.C.Westcott取得了这项技术的专利权，并由Foxboro公司制成了第一台商用分析铁谱仪。到1974年又研制出直读铁谱仪，通过该仪器可以进行定量铁谱分析。具有直读功能和分析功能的双联铁谱仪是75年研制出来的。早期的在线监测铁谱仪是美国Foxboro公司于1980年推出的958PF SERIESON-LINE FEROGRAPHY(美国专利41871702/1980)。该仪器在实验室中操作，且只能测量铁谱片上的大磨粒和小磨粒的遮光面积百分比。美国专利6,151,108，[On-line measurement of contaminant level in lubricating oil，授权日期November 21，2000]，介绍了一种测量铁磁性和顺磁性磨粒的在线测量装置，该装置使用光纤传输光强信号，其原理为在螺线管内的平行磁场中，磨粒将沿磁场方向分布。可用光电二极管测量电磁场中由于油液中磨粒遮光而引起的光强变化，但不能测量判断机器失效有重要意义的特征大磨粒信号。美国专利5,504,573，[名为Apparatus and method for analyzing particles depositedon a substrate using substantially continuous profile data，专利授权日期April2，1996]，设计了一个装置，使用线阵CCD图像传感器检测沉淀在铁谱片上的磨粒的光密度值，也属于实验室离线分析。
1989年，聂蓓蓓申请了分析式直读铁谱仪专利，[专利号88215497]，该装置能够测量磨损微粒的数量、大小、形状和分布等物理特性，以诊断油润滑机械零件磨损故障，它由滴油管，沉积器，光纤、光源、光电接收器、计算指示器和废液容器组成，但只能在实验室使用，属离线监测仪器。西安交通大学于1990年推出了第一台样品在线铁谱仪OLF-1，并申请了专利，[专利号90223714，名称电磁光电在线式铁谱仪]。其基本原理类似于分析铁谱仪，通过电磁铁产生的磁场吸附磨粒，用光电传感器探测磨粒覆盖面积百分比。它由电磁铁、光电传感式探头、油泵总成、电磁阀、光电流放大及电流电压变换电路、温度计电路、单片机扩展系统、采样动作控制电路等组成。安装在被监测设备的润滑油系统中，可自动抽取润滑油。
总之，上述所有的在线铁谱仪，都只能探测磨粒遮光面积百分比，不能区分对故障预报有重要意义铁磁性与顺磁性金属特征大磨粒数据。虽然有使用固态图像传感器CCD测量遮光面积百分比的，却是在实验室中进行。有用光纤传递光强信号的，但没有使用传像光纤束传递图像信号。
本实用新型的目的是提供一种抗干扰并能检测与区分铁磁性与顺磁性金属大磨粒的在线监测铁谱仪。
为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是，它包括一台计算机9，计算机9通过总线与数字信号处理器6连接；数字信号处理器6与单片机7、油路切换装置1、光电传感器4及油泵总成3相连；光电传感器4与磨粒检测探头2相连，磨粒检测探头2与油泵总成3相通；单片机1上连接有液晶显示器8，油泵总成3用于控制进出口油路5。其特点是磨粒检测探头2包括探头体14，探头体14上方有发光体15，以及电磁铁的两个磁极24、25，两个磁极中穿过自聚焦棒透镜11，在探头体14的空腔和两磁极之间，安装有透明密封材料29和固定传光光纤18、传像光纤束27和自聚焦棒透镜11的光纤安装板13。
本实用新型的另一些特点是，电磁铁的两个磁极24、25之间的距离为1～4mm，可通过各种形状的传光光纤18、传像光纤束27和自聚焦棒透镜11，自聚焦棒透镜11的一端正对着沉淀的磨粒21，与油流方向成90度角，另一端与传光光纤18耦合联接；其传光光纤18、传像光纤束27和自聚焦棒透镜11与固态图像传感器17的耦合为多根传光光纤、传像光纤束和自聚焦棒透镜正对一个固态图像传感器17；其传光光纤18、传像光纤束27和自聚焦棒透镜11经耦合后的一端正对通过电磁铁(永磁体)产生的磁场吸附的磨粒21，该距离在0～15mm之间，另一端正对用于测量由于被吸附磨粒对光的遮挡作用面发生变化的光强的固态图像传感器17或光电传感器4，也包括正对用于测量各种形状的铁磁性和顺磁性大磨粒的图像传感器17。
本实用新型由于使用了抗电磁干扰、耐污染的光纤来传输光通量和图像信号，使得铁谱仪的探头和控制部分能够隔离。由于引入了(CMOS)CCD图像传感器，能够检测与区分铁磁性与顺磁性金属大磨粒。通过测试光强，可以获得磨粒覆盖面积百分比。由于通过传光光纤传递光强，通过传像光纤传递图像，解决了光电传感器的安装问题。再对遮光面积百分比和特征磨粒数据进行信息融合，大大地提高了在线监测铁谱仪的故障预报能力。
图1是本实用新型在线监测铁谱仪的方框图；图2是本实用新型在线监测铁谱仪光纤图像传感器耦合结构示意图；图3是本实用新型在线监测铁谱仪实施例2的结构示意图；图4是本实用新型在线监测铁谱仪实施例3的结构示意图；图5是本实用新型在线监测铁谱仪实施例4的结构示意图；图6是本实用新型在线监测铁谱仪实施例5的结构示意图；图7是本实用新型在线监测铁谱仪实施例6的结构示意图；图8是本实用新型在线监测铁谱仪实施例7的结构示意图；图9是本实用新型在线监测铁谱仪实施例8的结构示意图；图10是本实用新型在线监测铁谱仪实施例9的结构示意图。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。
实施例1参见图1、2。图1是本在线监测铁谱仪的原理框图，图2是本实用新型在线监测铁谱仪光纤图像传感器耦合结构示意图。它是由磨粒检测探头2、油泵总成3、油路切换装置1、光电传感器3(此处广义地包括图像传感器17)、数字信号处理器(DSP)6和单片机控制系统7、液晶显示器8、上位计算机9等组成。其中磨粒检测探头主要包括(参照附图2)电磁铁及其两个磁极24、25、发光体15、匀光材料22、传光光纤18和传像光纤束27、自聚焦棒透镜11、探头体14等元件。
本仪器的工作原理如下由单片机7控制的油路切换装置1，根据工作需要，与监测对象的不同油源连接。在电动泵的抽吸下，油液按预定的程序沿管路流动。当缓慢流经具有高磁场强度、高磁场梯度的磨粒检测探头2时，在磁场力的作用下，铁磁性和顺磁性金属磨粒21就会按照粒度大小有序的沉积在透明密封材料29上。发光体15发出的光经匀光材料22匀光后，通过密封材料10，照射到磨粒上。经沉淀磨粒调制的光学信号通过自聚焦棒透镜11和传光光纤18传输到光纤输出变换板23，变成易于被透镜16拾取的形状，由数字信号处理器6控制的光电传感器4对上述信号检测后，根据数学模型判断所检测设备的工作状态。如有必要，将数据传到上位计算机9做进一步的分析处理。系统的显示采用液晶显示器8，显示与键盘输入也由MCS51单片机7控制，根据菜单提示进行操作。
实施例2～9是本实用新型磨粒检测探头2和光电传感器4的几种具体的实施实例，除其磨粒检测探头2的组成或联接方式、位置关系外，其它结构均同实施例1。
实施例2参见图1、3。本实施例的探头体14的上方是发光体15(例如发光二极管)，在该材料的下方是匀光材料22和透明密封材料10(例如玻璃)，探头体14的下方是磁极24和磁极25。磁极24和25相距1-4mm，在此缝隙中，穿过多根直径Φ＝0.5-2mm的自聚焦棒透镜11。在探头体14的空腔和磁极24、磁极25之间，至少包含厚为0.1-3mm的透明密封材料29和固定传光光纤18、传像光纤束27和自聚焦棒透镜11的光纤安装板13。其中，光纤安装板13厚0.5-2.9mm，透明密封材料29(如透明投影纸)厚度不大于0.2mm。当油液流过由透明材料29、10和探头体14包围的空腔时，磨粒21就沉淀在透明材料29上。自聚焦棒透镜11的一端正对着透明材料29，与油流方向成90°夹角。通过调节自聚焦棒透镜11与沉淀磨粒21之间的距离，就可以调整视场(测量面积)。自聚焦棒透镜11的另一端与传光光纤18耦合联接。
本实施实例的特点是发光体15位于探头体14的上方，光源经匀光材料22照射到磨粒21上。被沉淀磨粒调制的光强信号经自聚焦棒透镜11耦合到传光光纤18上。传光光纤经光纤输出变换板23和镜头16与固体图像传感器CMOS耦合，这样就实现了扩大测量面积与测量遮光面积百分比的目的。
实施例3参见图4。图4所示的结构中，在磁极24、25之间的缝隙中，穿过多根传像光纤束27，传像光纤束27通过光纤安装板13与透明密封材料29直接接触。传像光纤束27的另一端经光纤与透镜连结装置12与自聚焦棒透镜11连接，然后多根自聚焦棒透镜11直接与图像传感器17耦合。自聚焦棒透镜11与传像光纤束27的直径相同，在0.5-2.5mm之间。其他参数与实施例1相同。同样能够同时测量特征大磨粒信号和遮光面积百分比数据。
实施例4参见图5。图5所示的实施结构中，通过调整自聚焦棒透镜11与透明密封材料29之间的距离，可以获得不同的视场和分辨率。能够同时测量特征大磨粒信号和遮光面积百分比数据。其它参数同实施例3。
实施例5参见图6。图6所示的实施结构适用于传光光纤18，光纤的一端与透明密封材料29直接耦合，另一端与光电传感器4(如PIN光电二极管)直接耦合。图中只画了一根传光光纤，实际上有多根传光光纤，每根光纤与光电传感器4的耦合都同附图6所示，为一个光电传感器同一根光纤耦合。如果使用图像传感器，则多根光纤需要通过光纤输出变换板23，经透镜16耦合到图像传感器17。能够达到监测的目的，但和实施例4相比，本实施实例不能调节磨粒视场，但结构简单。
实施例6参见图7。图7所示的实施结构中，发光体15放在磁极24、25的下方，光源经匀光材料22匀光后，照射在沉淀的磨粒21上，被磨粒21调制的光学信号通过透明密封材料10和透镜16后，成像于放在探头14正上方的CMOS图像传感器17。本实施实例结构简单，能够同时测量特征大磨粒信号和遮光面积百分比数据。不过发光体15和图像传感器17要在强磁场中工作，对其要求比较高。
实施例7参见图8。图8所示的实施结构中，发光体15也放在磁极24、25的下方，只是磨粒图像信号经过传像光纤束27传输到(参照附图2)光纤输出变换板23，经透镜16耦合到图像传感器17而成像。其它原理同实施例6。本实施实例能够同时测量特征大磨粒信号和遮光面积百分比数据，自聚焦棒透镜11用于调整视场大小。
实施例8参见图9。图9所示的实施结构中，也是光源放在磁极下方，此时，测试的是遮光面积百分比信号，由光电传感器4如光电二极管或者CMOS图像传感器17完成采样。每根传光光纤与光电传感器的耦合都如图9所示，即一个光电传感器同一根传光光纤耦合。如果使用图像传感器，则多根光纤需要通过光纤输出变换板23(参照图2)，经透镜16耦合到图像传感器17中，也能达到实施例7的目的。
实施例9参见图10。图10所示的实施结构中，光源是由发光体15提供，经光源耦合装置28耦合到传光光纤18中，再经自聚焦棒透镜11照射到磨粒21上。光强的检测同实施例8。本实施实例能够测试遮光面积百分比信号。
权利要求1.一种在线监测铁谱仪，包括一台计算机[9]，计算机[9]通过总线与数字信号处理[6]连接；数字信号处理器[6]与单片机[7]、油路切换装置[1]、光电传感器[4]及油泵总成[3]相连；光电传感器[4]与磨粒检测探头[2]相连，磨粒检测探头[2]与油泵总成[3]相通；单片机[1]上连接有液晶显示器[8]，油泵总成[1]用于控制进出口油路[5]；其特征在于所述磨粒检测探头[2]包括探头体[14]，探头体[14]上方有发光体[15]，以及电磁铁两个磁极，即磁极1[24]和磁极2[25]，两个磁极中穿过自聚焦棒透镜[11]，在探头体[14]的空腔和两磁极之间，安装有透明密封材料[29]和固定传光光纤[18]、传像光纤束[27]和自聚焦棒透镜[11]的光纤安装板[13]。
2.根据权利要求1所述的在线监测铁谱仪，其特征在于所述电磁铁及两个磁极[24]、[25]之间穿过传光光纤[18]、传像光纤束[27]和自聚焦棒透镜[11]，两个磁极[24]、[25]之间的距离为1～4mm，自聚焦棒透镜[11]的一端正对着沉淀的磨粒[21]，与油流方向成90度角，另一端与传光光纤[18]耦合联接。
3.根据权利要求2或3所述的在线监测铁谱仪，其特征在于所述的传光光纤[18]、传像光纤束[27]和自聚焦棒透镜[11]与固态图像传感器[17]的耦合为多根传光光纤、传像光纤束和自聚焦棒透镜正对固态图像传感器[17]
4.根据权利要求3所述的在线监测铁谱仪，其特征在于所述的传光光纤[18]、传像光纤束[27]和自聚焦棒透镜[11]经耦合后的一端正对通过电磁铁(永磁体)产生的磁场吸附的磨粒[21]，该距离在0～15mm之间，另一端正对被吸附磨粒[21]对光的遮挡作用面发生变化的光强的固态图像传感器[17]或光电传感器[4]。
5.根据权利要求3所述的在线监测铁谱仪，其特征在于所述的传光光纤[18]、传像光纤束[27]和自聚焦棒透镜[11]经耦合后的一端正对通过电磁铁(永磁体)产生的磁场吸附的磨粒[21]，另一端正对各种形状的铁磁性和顺磁性大磨粒的图像传感器[17]。
专利摘要本实用新型公开了一种的在线监测铁谱仪,用于摩擦磨损机理研究、机械设备工况、磨损状态监测与诊断、润滑油评价等。它由传感器探头、油泵总成、油路切换阀、光电传感器、数字信号处理器和单片机控制系统等组成。本装置可自动抽取润滑油,能够检测铁磁性金属与顺磁性金属磨粒。装置使用光纤传像束传递图像信号、光纤传光束传递光强信号,通过图像传感器测量特征大磨粒数据,通过图像传感器或光电传感器测量遮光面积百分比,再对遮光面积百分比和特征磨粒数据进行信息融合以确定磨损状态。
文档编号G01N27/72GK2501048SQ0124034
公开日2002年7月17日 申请日期2001年4月28日 优先权日2001年4月28日
发明者景敏卿, 吕晓军, 伍昕, 谢友柏, 董光能 申请人:西安交通大学