CN104034639A - 一种在线油液磨粒监测传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线油液磨粒监测传感器及其制造方法，所述在线油液磨粒监测传感器的主管道在磨粒检测管段分成几个歧管，各歧管上都有一个传感器，各支路歧管按某一角度均匀分布，或不均匀分布，歧管的管径为主路管径的0.05至0.9倍，且支路歧管可以为一级或多级。所述方法采用MEMS微型机械电子系统方法实现了对在线油液磨粒监测传感器的制造。本发明实现了大流量的在线全流量检测，并同时提高了检测分辨率到10微米，当接入通径为7cm～10cm的润滑主路管道时，造成的压力损失小于0.3MPa。

Description

一种在线油液磨粒监测传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及在线油液监测领域，尤其涉及一种在线油液磨粒监测传感器及其制造方法。

背景技术

在线油液监测是一种重要的机械设备早期故障检测方法。实时油液分析传感器是一种油液分析仪器，它通过检测油液中磨粒的尺寸、数量、材质和形状，实时检测机械设备的运行情况，及时预报潜在的故障，避免灾难性损坏或者使处于正常运转的设备减少不必要的维修，从而增加产值和效益。

申请号为201010582409，公开号为CN102331389A公开了一种高灵敏度的油液磨粒在线监测传感器，此技术方案是绕向相反并相互串接第一输入磁场线圈和第二输入磁场线圈及输出感应磁场线圈、交流电场驱动模块和信号处理模块，交流电场驱动模块的两个输出端分别与第一输入磁场线圈和输入端的第二输入磁场线圈的输入端连接，通过交变电场信号驱动使第一输入线圈和第二输入线圈产生的磁场相反，输出感应磁场线圈的两端与处理模块连接。

该传感器的缺点是：1、颗粒尺寸检测灵敏度低<300微米；2、无法检测磨粒形状；3、油液流动时容易出现油液在管路中不是满管，传感器检测背景信号变化，影响检测精度。

申请号为201210167540，公开号为CN102680368A公开了一种基于电感量测量的在线油液颗粒传感器，此技术方案是稳压电源输出12V接入高频测试部分和两级放大的第二级运算放大器电源端；稳压电源输出5V接两级放大部分的第一级运算放大器电源端，高频测试输出信号接两级放大信号输入端。高频测试部分产生高频振荡，当油液中的金属颗粒流经测试线圈时，使得测试线圈电感量变大，高频测试电路振荡频率变小，振荡回路电流变大，金属颗粒流过测试线圈时，高频测试部分重新回到原来的稳幅振荡状态。

该传感器的缺点是：1、油液管道细，无法实现全流量检测，无法保证能测到突然出现的少量大颗粒；而50到200微米的少量的大颗粒金属磨屑是由摩擦副表层疲劳剥落、剧烈的滑动磨损和剪切磨损等原因所产生的，最能够直接反映出异常故障信息。2、无法检测磨粒形状；3、油液流速变化时，油液容易出现湍流，使磨粒在管道中位置快速乱变，影响检测。

发明内容

本发明提供了一种在线油液磨粒监测传感器及其制造方法，本发明通过对传感器的结构进行改进，并结合MEMS的设计方法，提高了检测精度，详见下文描述：

一种在线油液磨粒监测传感器，所述传感器的主管道在磨粒检测管段分成几个歧管，各歧管上都有一个传感器，各支路歧管按某一角度均匀分布，或不均匀分布，歧管的管径为主路管径的0.05至0.9倍，且支路歧管可以为一级或多级。

所述在线油液磨粒监测传感器为两级歧管分支，每级分支为3个支路的歧管，3个支路歧管按照120度平均分布，分支时主路管径为支路管径的0.3。

所述在线油液磨粒监测传感器的两级歧管分支的主路都设置有网眼尺寸为2cm和0.4cm的滤网。

所述在线油液磨粒监测传感器的支路歧管采用立体三维蛇形管设计。

所述在线油液磨粒监测传感器的主管道为管径渐变，渐变系数为0.1～0.9。

所述在线油液磨粒监测传感器的主管道为纳米工艺材料。

一种在线油液磨粒监测传感器的制造方法，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：在10～100毫米宽，20微米～400微米厚的石英晶体衬底板上，使用光刻法实现一个宽20微米～400微米的金属覆膜层；

步骤(2)：在第一步完成的光刻衬板基础上，压缩上一块同样的10～100毫米宽，20微米～400微米厚的石英晶体衬底板；

步骤(3)：重复步骤(1)和步骤(2)，直到完成3～20层金属电极，4～19层石英晶体衬板的压缩，最下面一层的石英晶体衬板使用110微米～200微米厚度；

步骤(4)：进行微型通道处理，采用机械切割的方法，加工出一个V型槽；

步骤(5)：重复步骤(1)到步骤(4)，再加工出一个带V型切割槽的3～20层金属电极，4～19层石英晶体衬板的压缩模块；

步骤(6)：把得到的两个带V型切割槽的3～20层金属电极，4～19层石英晶体衬板的压缩模块进行压缩，两个V型槽相对，形成了带有6～40电极的微流道在线油液磨粒监测传感器。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明实现了大流量5.7cm的管径检测，当接入通径为7cm～10cm的润滑主路管道时，造成的压力损失小于0.3MPa。本实施例实现在线全流量检测，并同时提高检测分辨率到10微米。

附图说明

图1为一种在线油液磨粒监测传感器的结构示意图；

其中，a是歧管的主视图；b为歧管的俯视图。

1：支路歧管； 2：支路；

3：主路。

图2为一种在线油液磨粒监测传感器的制造方法的流程图。

其中，a是从切面观察的微型流道传感器的材料和构建过程图；b是完成了的60个极板的微流道的三维立体视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明为达到设计目的，借鉴汽车发动机进气、排气歧管思路，歧管是一根分成多根的管道，最常见的是汽车发动机进气、排气歧管。排气歧管，是与发动机气缸体相连，且带有分歧的管路，排气歧管将各缸的排气集中起来导入排气总管。为此本发明将传感器主管道在磨粒检测管段分成几个细管，各细管上都有一个传感器。这样即实现全流量，又能保证磨粒尺寸检测灵敏度，详见下文描述：

本发明将传感器主管道分成了2至10个支路歧管1。各支路歧管1按某一角度均匀分布，或不均匀分布，各支路歧管1相对角度的范围为0度到180度(实际范围由歧管的个数确定)，支路2的管径为主路3的管径的0.05至0.9倍，且支路歧管1可以为一级或二级。

参见图1，本发明实施例为两级歧管分支，每级分支有3个支路歧管1。3个分支歧管1按照120度平均分布，分支时主路3的管径为支路2的管径的0.3。在本发明实施例中，总主路管径为5.7cm，第一次分支主路管径为1.7cm，第二次分支歧管支路管径为0.5cm，两次歧管分支前的主路都有网眼尺寸为2cm和0.4以上的保安滤网(图中未示出)，防止下级支路歧管长期运行堵塞。保安滤网可以随时拆卸清理，并在传感器报警时可以对保安滤网的截留颗粒进行进一步详细诊断。

通过采用上述规格和尺寸的分支歧管1和主管道实现了大流量5.7cm管径检测，支持接入通径为7cm～10cm的润滑主路管道造成的压力损失小于0.3MPa。本发明实施例实现了在线全流量检测，并同时将检测分辨率提高到10微米。

为了避免油液流动时出现不满管，影响传感器的检测精度。支路歧管1的设计采用立体三维蛇形管设计，使油液溢流(从下往上流)方式流动。蛇形管设计方式可以实现1次到10次M蛇形或蚊香盘绕等各种蛇型方式。各段蛇形管可以呈立体角度，提高管中检测管位置(传感器所在位置)满管率。

为了保证测量油液在流动过程中不形成湍流，避免因磨粒剧烈变换位置影响检测，本发明实施例设计了传感器主管道的管径渐变，渐变系数为0.1～0.9。同时选用纳米工艺材料，保证主管道内壁光滑，测量油液流动过程中不形成湍流。本实施例选用纳米工艺碳纤维增韧陶瓷材料。

具体实现时，传感器的温度使用范围可达到-55摄氏度到250摄氏度，传感器总重量不超过400g，可长期(48小时)承受0.6MPa油液压力，短期(2min)承受1.35MPa油液压力。在飞马II号及4050润滑油等多种油品为介质条件下，0.2L/min～5L/min的流速范围内，不产生任何湍流。

本发明实施例采用4次M蛇形，前2次蛇形管段和后两次蛇形管段呈90度垂直角度。本实施例实现，在飞马II号及4050润滑油等多种油品为介质条件下，0.2L/min～5L/min的流速范围内，蛇形管传感器检测部分满管。

对于ERT/ECT成像系统复合阵列传感器，一般的设计制造方法是最小管径尺寸无法小于8mm。且管径越小阵列传感器阵列极板越少，当直径小到8mm时仅能实现8个极板。对于ERT/ECT成像系统复合阵列传感器，检测精度一般为管路直径的2％，按现现有设计制造方法，磨粒检测精度只能达到160微米，无法实现颗粒尺寸检测灵敏度(10微米)的需求。

为此，本发明采用不同的工艺方法——MEMS(微型机械电子系统)方法。MEMS方法是微米、纳米级别加工的行业内典型方法。

参见图2，图2是微管道的其中一个实施例，其中(a)是从切面观察的微型流道传感器的材料和构建过程，(b)是完成的60个极板的微流道的三维立体视图。

步骤(1)：在20毫米(10～100毫米)宽(切面视图)200微米(20微米～400微米)厚的石英晶体衬底板上，使用光刻法实现一个宽200微米(20微米～400微米)的金属覆膜层。

其中，光刻法是指利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到衬底上，是MEMS工艺中常用的方法。

步骤(2)：在第一步完成的光刻衬板基础上，压缩上一块同样的20毫米宽(10～100毫米)(切面视图)200微米(20微米～400微米)厚的石英晶体衬底板。

其中，压缩也是MEMS工艺中常用的方法，本实施例使用的机械压缩。压缩后实现的是两层200微米(20微米～400微米)厚的石英晶体衬底板，中间夹有宽200微米(20微米～400微米)，厚0.25微米(0.05微米～10微米)的铂金属电极。

步骤(3)：重复步骤(1)和步骤(2)，直到完成3层(3～20层)金属电极，5层(4～19层)石英晶体衬板的压缩，最下面一层的石英晶体衬板使用100微米(10微米～200微米)厚度。

步骤(4)：进行微型通道处理，采用机械切割的方法，机械切割也是MEMS工艺中常用的方法，加工出一个V型槽。

本实施例采用90度(30度～120度)V型槽切割，切割断所有的金属电极，最上面的石英晶体衬板保留100微米(10微米～200微米)，形成了一个带V型切割槽的3层(3～20层)金属电极，5层(4～19层)石英晶体衬板的压缩模块。

步骤(5)：重复步骤(1)到步骤(4)，再加工出一个带V型切割槽的3层(3～20层)金属电极，5层(4～19层)石英晶体衬板的压缩模块。

步骤(6)：把得到的两个带V型切割槽的3(3～20层)层金属电极，5层(4～19层)石英晶体衬板的压缩模块进行压缩，两个V型槽相对，形成了带有12个(6～40)电极的微流道传感器。

从立体图的实施例中，每隔5毫米(0.5毫米～50毫米)就预留一次电极光刻，这样本发明实施例实现了总共60个(12～200)电极的微流道传感器。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种在线油液磨粒监测传感器，其特征在于，所述在线油液磨粒监测传感器的主管道在磨粒检测管段分成几个歧管，各歧管上都有一个传感器，各支路歧管按某一角度均匀分布，或不均匀分布，歧管的管径为主路管径的0.05至0.9倍，且支路歧管可以为一级或多级。

2.根据权利要求1所述的一种在线油液磨粒监测传感器，其特征在于，所述在线油液磨粒监测传感器为两级歧管分支，每级分支为3个支路的歧管，3个支路歧管按照120度平均分布，分支时主路管径为支路管径的0.3。

3.根据权利要求1所述的一种在线油液磨粒监测传感器，其特征在于，所述在线油液磨粒监测传感器的两级歧管分支的主路分别设置有网眼尺寸为2cm和0.4cm的滤网。

4.根据权利要求1所述的一种在线油液磨粒监测传感器，其特征在于，所述在线油液磨粒监测传感器的支路歧管采用立体三维蛇形管设计。

5.根据权利要求1所述的一种在线油液磨粒监测传感器，其特征在于，所述在线油液磨粒监测传感器的主管道为管径渐变，渐变系数为0.1～0.9。

6.根据权利要求1所述的一种在线油液磨粒监测传感器，其特征在于，所述在线油液磨粒监测传感器的主管道为纳米工艺材料。

7.一种在线油液磨粒监测传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：在10～100毫米宽，20微米～400微米厚的石英晶体衬底板上，使用光刻法实现一个宽20微米～400微米的金属覆膜层；

步骤(2)：在第一步完成的光刻衬板基础上，压缩上一块同样的10～100毫米宽，20微米～400微米厚的石英晶体衬底板；

步骤(3)：重复步骤(1)和步骤(2)，直到完成3～20层金属电极，4～19层石英晶体衬板的压缩，最下面一层的石英晶体衬板使用110微米～200微米厚度；

步骤(4)：进行微型通道处理，采用机械切割的方法，加工出一个V型槽；

步骤(5)：重复步骤(1)到步骤(4)，再加工出一个带V型切割槽的3～20层金属电极，4～19层石英晶体衬板的压缩模块；

步骤(6)：把得到的两个带V型切割槽的3～20层金属电极，4～19层石英晶体衬板的压缩模块进行压缩，两个V型槽相对，形成了带有6～40电极的微流道在线油液磨粒监测传感器。