CN102004079B - 一种基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器。该传感器的1×3光耦合器的输入端由光纤与光源相连，1×3光耦合器的输出端分为三路，第一路依次与第一入射光纤、第一自聚焦透镜、第一参考光路油池、第四自聚焦透镜、第一出射光纤和第一光探测器相连接；或者是该传感器的第一1×2光耦合器3的输入端由光纤与第一光源相连，第一1×2光耦合器的输出端分为两路，分别与第一入射光纤和第二入射光纤相连，第一路的第一入射光纤、第一自聚焦透镜、参考光路空气池、第三自聚焦透镜、第一出射光纤和第一光探测器依次连接；本发明采用多通道系统，修正不同品牌、批号润滑油颜色不同的影响、并修正测量光源与光路漂移的影响。

Description

一种基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是涉及一种基于光学传感技术的在线油液颗粒污染度检测传感器，具体涉及一种基于光传感技术的多通道在线油液颗粒污染度检测传感器。 

技术背景

目前，机械设备润滑油的更换方案主要是参考推荐换油期，实行按使用时间或是行驶里程换油。润滑油的品质对动力-传动装置各摩擦副的正常工作有重大影响，这种固定换油周期的方案，不能准确考虑动力-传动装置的运行环境和润滑油的劣化程度，有较大弊端：如润滑油更换偏早，则浪费了人力和润滑油费用，且造成不必要的设备停运，降低了设备完好率，并增加了环保处理负担；如润滑油更换偏晚，则造成动力-传动装置中的各种摩擦副，工作在不合格的润滑状态，造成动力-传动装置性能下降甚至损坏。应用在线式传感器连续监控和评价润滑油品质状态，并以此为基础确定灵活的换油时间，是今后动力-传动装置润滑油更换方案的核心，有其现实意义。按质换油，可克服固定换油期的缺点，实现减少润滑油消耗、降低失效润滑油排放、减少维修费用及停车维修时间、延长动力-传动装置使用寿命的目标。 

为实现按质换油，目前发展的在线油液检测传感器根据原理不同分为以下几类：能量法、电学方法、磁性方法、光学方法、声学方法和其它方法。 

中国发明专利CN200410013354.6公开了基于双光路的在线油液监测传感器，该传感器的Y型光纤耦合器的输入端由光纤与光源相连，Y型光纤耦合器的输出端分为二路，分别与二路入射光纤的一端相连，一路入射光纤的另一端与自聚焦透镜相接触，另一路入射光纤的另一端与自聚焦透镜相接触，自聚焦透镜位于参考油池的前方，自聚焦透镜位于参考油池的后方，出射光纤的一端与自聚焦透镜相接触，出射光纤的另一端与光探测器相连，光探测器由数据线与计算机相连接，参考油液位于参考油池内。采用双光路的测量方法，通过检测测量油池的光强和参考油池的光强，分析两路信号的相关性获得有效的信息，实现油液污染度在线监测的特点。虽然该基于双光路的在线油液监测传感器采用双光路进行测量，针对光学方法中光强难以测定、不同油液颜色影响较大的问题作了改进。但是要实 现油液颗粒污染度的准确的在线连续检测，仍然存在下面两方面不足： 

1、机械设备更换润滑油时，若不更换参考油池中的油液，不同品牌、批号的润滑油颜色不同会对测量结果影响较大。每次同步更换参考油池的油液，则势必带来使用上的不便，不利于实现在线检测。 

2、除光强对测量结果造成的影响需要消除外，元器件的老化现象也会造成在线油液检测传感器测量误差。现有检测方案并未解决此问题。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可以消除因光强不稳定引起的测量误差以及消除元器件的老化造成在线测量误差的基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器。 

本发明在净油时刻与检测时刻两个时间点上，分别检测两个光探测器的信号，将分别检测到的四个不同信号作出对比，经过比较分析，消除因光强不稳定引起的测量误差以及因对于不同待测油液颜色不同引起的测量误差。本发明在某个测量时刻，将两束同样强度的光射到光探测器上，检测出此时光探测器的信号，将两个探测其所检测的不同信号做出比较，经过分析，消除了由于老化等一系列外界影响所带来的光电转化的不稳定性因素。 

本发明的目的通过如下技术方案实现： 

方案一：一种基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器，其1×3光耦合器的输入端由光纤与光源相连，1×3光耦合器的输出端分为三路，第一路依次与第一入射光纤、第一自聚焦透镜、第一参考光路油池、第四自聚焦透镜、第一出射光纤和第一光探测器相连接；第二路依次与第二入射光纤、第二自聚焦透镜、测量光路油池和第五自聚焦透镜连接，其中第二入射光纤上设有第一可调式光滤波器，第五自聚焦透镜通过第二出射光纤与第二光探测器相连接；第三路依次与第三入射光纤、第三自聚焦透镜、第二参考光路油池和第六自聚焦透镜连接；其中第三入射光纤上设有第二可调式光滤波器，第六自聚焦透镜通过第三出射光纤与第二光探测器相连接；第一光探测器和第二光探测器分别通过数据线与计算机相连接。 

所述的光源优选为发光二极管。 

所述的1×3光耦合器优选为三路光纤耦合器。 

所述的第一参考光路油池、测量光路油池、第二参考光路油池的壳体为石英玻璃；第一参考光路油池、测量光路油池、第二参考光路油池的材料、规格、制作工艺均一致。 

方案二：一种基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器，其第一1×2光耦合器3的输入端由光纤与第一光源相连，第一1×2光耦合器的输出端分为两路，分别与第一入射光纤和第二入射光纤相连，第一路的第一入射光纤、第一自聚焦透镜、参考光路空气池、第三自聚焦透镜、第一出射光纤和第一光探测器依次连接；第二路的第二入射光纤、第二自聚焦透镜、测量光路油池、第四自聚焦透镜、第二出射光纤和第二光探测器依次连接；第一光探测器和第二光探测器分别通过数据线与计算机相连接；第二1×2光耦合器的输入端由光纤与第二光源相连，第二1×2光耦合器的输出端分为两路，分别与第一光探测器和第二光探测器相连。 

所述的第一光源和第二光源都优选为发光二极管。 

所述的第一1×2光耦合器3和第二1×2光耦合器4都优选为二路光纤耦合器。 

所述的参考光路空气池和测量光路油池的壳体为石英玻璃，参考光路空气池和测量光路油池的材料、规格、制作工艺均一致。 

本发明采用的技术方案一与技术方案二均采用多通道参考空气通路代替参考油路，以消除参考油液带来的测量误差及参考油液更换的不便性，以及消除不同光电转换元件及老化带来的影响。 

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果： 

本发明应用将传统的参考油路变为参考空气通路，去除传统双通道测量系统受参考油液影响的缺点，修正了不同品牌、批号润滑油颜色不同的影响，且不更换参考油液增加了使用便利性。另外，本发明方案一增设一条空气通路，方案二增加一光源，两个方法都是将传统的参考油路变为参考空气通路，在不同时刻对光探测器进行直接测量，获得修正值修正测量光路漂移的影响，更进一步修正光探测器光电转换漂移的影响，实现对油液润滑油污染度的精确测量，并提高在线油液污染度检测系统的使用便利性。 

附图说明

图1为实施例1基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器结构示意图。 

图2为实施例2基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。 

实施例1 

如图1所示，基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器主要由光源1、1×3光耦合器2、第一可调式光滤波器3、第二可调式光滤波器4、第一自聚焦透镜5、第二自聚焦透镜6、第三自聚焦透镜7、第一参考光路油池8、测量油池9、第二参考光路油池10、第四自聚焦透镜11、第五自聚焦透镜12、第六自聚焦透镜13、第一光探测器14、第二光探测器15、第一入射光纤16、第二入射光纤17、第三入射光纤18、第一出射光纤19、第二出射光纤20和第三出射光纤21构成；1×3光耦合器2的输入端由光纤与光源1相连，1×3光耦合器2的输出端分为三路，分别与第一入射光纤16、第二入射光纤17、第三入射光纤18的一端相连，第一路通过第一入射光纤16和第一自聚焦透镜5相连，第二路通过第二入射光纤17依次连接第一可调式光滤波器3和第二自聚焦透镜6，第三路通过第三入射光纤18依次连接第二可调式光滤波器4和第三自聚焦透镜7；第一自聚焦透镜5与第一参考光路油池8由光纤相连通(光纤的两端分别与第一自聚焦透镜5的后方和第一参考光路油池8的前方壳体相接触，第一参考光路油池8的壳体为石英玻璃)；第四自聚焦透镜11位于第一参考光路油池8的后方，第四自聚焦透镜11和第一参考光路油池8由光纤相连通(光纤的两端分别与第四自聚焦透镜11的前方和第一参考光路油池8的后方壳体相接触)；第一出射光纤19的一端与第四自聚焦透镜11相接触，第一出射光纤19的另一端与第一光探测器14相连接，第一光探测器14通过数据线与计算机相连接；第二自聚焦透镜6与测量光路油池9由光纤相连通(光纤的两端分别与第二自聚焦透镜6的后方和测量光路油池9的前方壳体相接触，测量光路油池9的壳体为石英玻璃)；第五自聚焦透镜12位于测量光路油池9的后方，第五自聚焦透镜12和测量光路油池9由光纤相连通(光纤的两端分别为第五自聚焦透镜12的前方和测量光路油池9的后方壳体相接触)；第二出射光纤20的一端与第五自聚焦透镜12相接触，第二出射光纤20的另一端与第二光探测器15相连接，第二光探测器15通过数据线与计算机相连接。第三自聚焦透镜7与第二参考光路油池10由光纤相连通(光纤的两端分别与第三自聚焦透镜7的后方和第二参考光路油池10的前方壳体相接触，第二参考光路油池10的壳体为石英玻璃)，第六自聚焦透镜13位于第二参考光路油池10的后方，第六自聚焦透镜13和第二参考光路油池10由光纤相连通(光纤的两端分别与第六自聚焦透镜13的前方和第二参考光路油池10的后方壳体相接触)；第三出射光纤21的一端与第六自聚焦透镜13相接触，第三出射光纤21的另一端与第二光探测器15相连接，第二光探测器15通过数据线与计算机相连接。 

光源1优选单色发光二极管。1×3光耦合器2优选三路光纤耦合器。第一参考光路油 池8、测量光路油池9、第二参考光路油池10的壳体为石英玻璃；第一参考光路油池8、测量光路油池9、第二参考光路油池10的材料、规格、制作工艺均一致。第一自聚焦透镜5、第二自聚焦透镜6、第三自聚焦透镜7、第四自聚焦透镜11、第五自聚焦透镜12和第六自聚焦透镜13都属于聚焦透镜类，可以实现自聚焦；第一光探测器14和第二光探测器15可为光电二极管。 

使用时，选取净油时与测试时两个时间点，开启第一可调式光滤波器3，关闭第二可调式光滤波器4，分别检测出第一光探测器14和第二光探测器15的输出信号，根据Beer-Lambert定律可得到： 

净油时： 

污油时： 

Q′₂＝α₁I₁e^-τL，Q″₂＝α₂I₂e^-τL

其中，τ₁、τ₂分别是两个光路与光强无关的净油、污油以及空气的衰减系数，L₁和L₂分别是两个光路的测量光程，I₁和I₂分别为两个光路入射光激发电流强度，a₁和a₂分别为两个光路入射光激发二极管光电转换效率，Q₁和Q₂分别为两个光路经过光路后光强，两个光路分别为通过第一参考光路油池8和第二参考光路油池10的光路。 

令λ1、λ2为接收端第一光探测器14和第二光探测器15的光电转换效率，计算可以得到： 

即为光路经过光探测器后输出电压之比T仅与τ₁和τ₂有关，从而解决了传统光路所能解决的光强测定困难、油液颜色不均匀性等外界因素的影响，消除了光强不稳定性、不同油液颜色外界因素带来的误差，提了测量精度。 

针对老化问题带来的光电转换的不稳定性，在新型多通道光纤传感在传统双通道的基础上增加了参考空气通路。在某个测量时刻，开启第二可调式光滤波器4，关闭第一可调式光滤波器3，检测出此时第一光探测器14和第二光探测器15所检测出的电压信号，将两个探测其所检测的不同电压信号做出比较，经过分析，可以获得光电转换影响值K， 

则 

消除由于不同光探测器带来的光电转换影响，从而得到更高的测量精度。 

实施例2 

如图2所示，基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器主要由第一光源1、第二光源2、第一1×2光耦合器3、第二1×2光耦合器4、第一自聚焦透镜5、第二自聚焦透镜6、第三自聚焦透镜7、第四自聚焦透镜8、参考光路空气池9、测量光路油池10、第一光探测器11、第二光探测器12、第一入射光纤13、第二入射光纤14、第一出射光纤15、第二出射光纤16构成，第一1×2光耦合器3的输入端由光纤与第一光源1相连，第一1×2光耦合器3的输出端分为两路，分别与第一入射光纤13和第二入射光纤14的一端相连，第一路通过第一入射光纤13和第一自聚焦透镜5相连，第二路通过第二入射光纤14和第二自聚焦透镜6相连，第一自聚焦透镜5与参考光路空气池9由光纤相连通(光纤的两端分别与第一自聚焦透镜5的后方和参考光路空气池9的前方壳体相接触)，第三自聚焦透镜7位于参考光路空气池9的后方，第三自聚焦透镜7和参考光路空气池9由光纤相连通(光纤的两端分别与第三自聚焦透镜7的前方和参考光路空气池9的后方壳体相接触)；第一出射光纤15的一端与第三自聚焦透镜7相接触，第一出射光纤15的另一端与第一光探测器11相连接，第一光探测器11通过数据线与计算机相连接；第二自聚焦透镜6与测量光路油池10由光纤相连通(光纤的两端分别与第二自聚焦透镜6的后方和测量光路油池10的前方壳体相接触)，第四自聚焦透镜8位于测量光路油池10的后方，第四自聚焦透镜10和测量光路油池10由光纤相连通(光纤的两端分别与第四自聚焦透镜8的前方和测量光路油池10的后方壳体相接触)；第二出射光纤16的一端与第四自聚焦透镜8相接触，第二出射光纤16的另一端与第二光探测器12相连接，第二光探测器12通过数据线与计算机相连接，第二1×2光耦合器4的输入端由光纤与第二光源2相连，第二1×2光耦合器4的输出端分为两路，分别与第一光探测器11和第二光探测器12相连，第一光探测器11和第二光探测器12分别通过数据线与计算机相连接。

第一光源1和第二光源2优选单色发光二极管。第一1×2光耦合器3和第二1×2光耦合器4优选二路光纤耦合器。参考光路空气池9和测量光路油池10的壳体为石英玻璃，参考光路空气池9和测量光路油池10的材料、规格、制作工艺均一致。 

使用时，关闭第二光源2，开启第一光源1，选取净油时与测试时两个时间点，分别检测出第一光探测器11和第二光探测器12的输出信号，根据Beer-Lambert定律可得到： 

净油时： $Q_1^{\′}={\mathrm{\α}}_1{I}_1{e}^{-{\mathrm{\τ}}_{1}L},$ 污油时： $Q_1^{\′\′}={\mathrm{\α}}_2{I}_2{e}^{-{\mathrm{\τ}}_{2}L}$

Q′₂＝α₁I₁e^-τL ，Q″₂＝α₂I₂e^-τL

其中，τ1、τ2分别是两个光路中与光强无关的净油、污油以及空气的衰减系数；L₁和L₂分别是两个光路的测量光程，I₁和I₂分别为两个光路入射光激发电流强度，a₁和a₂分别为两个光路入射光激发二极管光电转换效率，Q₁和Q₂分别为两个光路经过光路后光强。两个光路分别为通过参考光路空气池9和测量光路油池10的光路。 

令λ1、λ2为接收端第一光探测器11和第二光探测器12的光电转换效率，计算可以得到： 

即为光路经过光探测器后输出电压之比T仅与τ1、τ2有关，能够测量出油液污染度，且解决了光强测定的困难、消除了光强不稳定性、不同油液颜色外界因素带来的误差，提了测量精度。 

针对老化问题带来的光电转换的不稳定性，本例在传统双通道的基础上增加了辅助光源2。在某个测量时刻，关闭光源1，打开光源2，检测出此时光探测器所检测出的电压信号，将两个探测其所检测的不同电压信号做出比较，经过分析，可以获得光电转换影响值K， 

则 

从而消除了由于探测器及光电元件老化所带来的光电转化影响。 

本发明方案中将空气池作为参考，测量不同时刻空气通路中的光强及测量油池的光强来分析油液的污染度信息。使用空气通路作参考，除了可达到现有发明专利消除光强影响、颜色影响的效果外，还能避免更换参考油池油液带来的不便性，可更好地实现在线油液颗粒污染度的检测。 

Claims (4)

1.一种基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器，其特征在于：第一1×2光耦合器的输入端由光纤与第一光源相连，第一1×2光耦合器的输出端分为两路，分别与第一入射光纤和第二入射光纤相连，第一路的第一入射光纤、第一自聚焦透镜、参考光路空气池、第三自聚焦透镜、第一出射光纤和第一光探测器依次连接；第二路的第二入射光纤、第二自聚焦透镜、测量光路油池、第四自聚焦透镜、第二出射光纤和第二光探测器依次连接；第一光探测器和第二光探测器分别通过数据线与计算机相连接；第二1×2光耦合器的输入端由光纤与第二光源相连，第二1×2光耦合器的输出端分为两路，分别与第一光探测器和第二光探测器相连。

2.根据权利要求1所述的基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器，其特征在于：所述的第一光源和第二光源都为发光二极管。

3.根据权利要求1所述的基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器，其特征在于：所述的第一1×2光耦合器和第二1×2光耦合器为二路光纤耦合器。

4.根据权利要求1所述的基于光学传感的在线油液颗粒污染度检测传感器，其特征在于：所述的参考光路空气池和测量光路油池的壳体为石英玻璃，参考光路空气池和测量光路油池的材料、规格、制作工艺均一致。

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