CN104198320B - 一种手持式快速反应铁量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手持式快速反应铁量仪，包括传感器组件、顶盖及磁铁，所述顶盖位于所述传感器组件的顶部，且与所述传感器组件相连接，并形成一腔体，所述腔体为测试腔，所述磁铁安装在所述顶盖上，且位于所述测试腔内。本发明具有更高的灵敏度及稳定度及较短的测试时间，而且结构简单，操作方便，节省时间。

Description

一种手持式快速反应铁量仪

技术领域

本发明涉及一种手持式快速反应铁量仪。

背景技术

机器设备比如飞机发动机需要手持式铁量仪就地检查设备的状态。比如飞机在将落后准备再次起飞前，需要监测发动机润滑油中的磁性颗粒，比如铁磁颗粒浓度。一般当飞机发动机润滑油中的铁磁颗粒达到5PPM，就需要更换润滑油。很多实验室设备可以测量到如此低的浓度，但是在线式的实时铁量仪具有方便，操作简单，实时监测的优势。

铁量仪的传感器使用声波传感器比如石英微天平。石英晶体微天平(QCM)最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应：石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。它其实与LC回路的谐振现象十分相似：当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF；当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般L的值为几十mH到几百mH。由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测得的谐振频率转化为电信号输出。由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。

1959年Sauerbrey在假定外加持量均匀刚性地附着于QCM的金电极表面的条件下，得出了QCM的谐振频率变化与外加质量成正比的结论。对于刚性沉积物，晶体振荡频率变化△F正比于工作电极上沉积物的质量改变△M。通过这一关系式可得到QCM电极表面的质量变化。

QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。石英晶体传感器的基本构成大致是：从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35^°15'切割(AT—CUT)得到石英晶体振荡片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

质量秤重传感器被广泛应用于颗粒称量，化学及生物传感器。石英振荡天平就是一种质量秤重传感器。石英称重天平的灵敏度是从Sauerbrey方程得来，石英振荡天平频率变化值△F和质量变化值△M有如下的关系：△F＝C_f·△M，其中△F为石英天平观察到的称重物质前后频率变化值，△M为石英天平观察到的称重物质前后质量变化值，C_f为石英天平称量物质质量时的恒定系数。从上述公式上看，QCM的灵敏度是由C_f决定的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种更高的灵敏度及稳定度的手持式快速反应铁量仪。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种手持式快速反应铁量仪，包括传感器组件、顶盖及磁铁，所述顶盖位于所述传感器组件的顶部，且与所述传感器组件相连接，并形成一腔体，所述腔体为测试腔，所述磁铁安装在所述顶盖上，且位于所述测试腔内。

本发明的有益效果是：

本发明具有更高的灵敏度及稳定度及较短的测试时间，而且结构简单，操作方便，节省时间。

顶盖上带有磁铁，当顶盖扣在测试腔时，顶盖上的磁铁将QCM表面被吸附的磁性颗粒吸附到顶盖的磁铁上。这样传感器表面又恢复正常的没有磁性颗粒的清洁状态。所述磁铁所吸附的磁性颗粒为金属单质、金属合金或其它磁性无机材料或者有机磁性材料制成。所述金属单质为铁、钴或镍。所述金属合金为铁合金、钴合金或镍合金；或为AlNiCo或NdFeB。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述传感器组件包括封装好的质量称重传感器，石英传感器晶片、铬镀层、金镀层及磁性装置，所述质量称重传感器的内部设有石英振荡电路，所述石英振荡电路的两个电极分别设置在所述石英传感器晶片的上下两面，所述石英传感器晶片设置在所述质量称重传感器的顶部，所述石英传感器晶片的上表面和下表面分别镀有一层铬镀层，所述铬镀层的表面上镀有一层金镀层，所述顶盖与所述质量称重传感器相连接。

进一步，所述磁铁及所述磁性装置为永久磁铁或电磁铁。所述磁铁最佳为永久磁铁。

进一步，所述测试腔上开有一圈多余油样溢出口。

采用上述进一步方案的有益效果是，由于测试腔只能容纳很少的油，灵敏度受到限制。当我们在测试腔留有多余油样溢出口时，多余的油会溢出到传感器或者铁量仪的存油部分。

进一步，所述手持式快速反应铁量仪还包括存油器，所述质量称重传感器套装在所述所述存油器内，且与所述存油器之间留有空隙，所述空隙形成一存油腔。

进一步，所述质量称重传感器上安装有一温度传感器，所述温度传感器位于所述测试腔内。

采用上述进一步方案的有益效果是，为了减少测试时间，有时需要把所测试油的标准新油样先放进测试腔。这样，当测试油样倒进测试腔时，测试油和新油样将混合，测试油样中的磁性颗粒将被吸附在QCM的上表面。很多时候，由于测试油样的温度很高，先放进去的新油样起到一个温度缓和区的效果。防止传感器的损坏和减少测量时间，减少误差。温度传感器可以做进一步的温度补偿。

当QCM传感器的背面放置磁铁时，这套系统也可以作为铁磁颗粒传感器。当铁磁颗粒被磁铁吸引到QCM表面时，QCM传感器的频率不会下降，反而会因为铁磁力对晶片造成的形变而上升。磁铁与铁磁颗粒的距离越近，此传感器的灵敏度越高。当有磁力时，SAUERBREY公式将不再适用。

附图说明

图1为本发明手持式快速反应铁量仪的结构示意图；

图2为本发明手持式快速反应铁量仪的另一结构示意图；

图3为本发明手持式快速反应铁量仪的传感器组件的结构示意图；

图4为图3在A处的局部放大图；

图5为本发明使用的传感器的频率随时间变化的示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、质量称重传感器，2、石英传感器晶片，3、磁性装置，4、铬镀层，5、金镀层，6、顶盖,7、磁铁，8、测试腔，9、多余油样溢出口，10、存油器，11、存油腔，12、温度传感器，13、磁性颗粒。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种手持式快速反应铁量仪，如图1、图2所示，包括传感器组件、顶盖6及磁铁7，所述顶盖6位于所述传感器组件的顶部，且与所述传感器组件相连接，并形成一腔体，所述腔体为测试腔8，所述磁铁7安装在所述顶盖6上，且位于所述测试腔8内。

顶盖6上带有磁铁7，当顶盖6扣在测试腔8时，顶盖6上的磁铁7将QCM表面被吸附的磁性颗粒13吸附到顶盖6的磁铁7上。这样质量称重传感器1表面又恢复正常的没有磁性颗粒13的清洁状态。所述磁铁7所吸附的磁性颗粒13为金属单质、金属合金或其它磁性无机材料或者有机磁性材料制成。所述金属单质为铁、钴或镍。所述金属合金为铁合金、钴合金或镍合金；或为AlNiCo或NdFeB。

如图3、图4所示，所述传感器组件包括封装好的质量称重传感器1，石英传感器晶片2、铬镀层4、金镀层5及磁性装置3，所述质量称重传感器1的内部设有石英振荡电路，所述石英振荡电路的两个电极分别设置在所述石英传感器晶片2的上下两面，所述石英传感器晶片2设置在所述质量称重传感器1的顶部，所述石英传感器晶片2的上表面和下表面分别镀有一层铬镀层4，所述铬镀层4的表面上镀有一层金镀层5，所述顶盖与所述质量称重传感器1相连接。

所述磁铁7及所述磁性装置3为永久磁铁或电磁铁。所述磁铁7最佳为永久磁铁。

所述测试腔8上开有一圈多余油样溢出口9。

由于测试腔8只能容纳很少的油，灵敏度受到限制。当在测试腔8留有多余油样溢出口9时，多余的油会溢出到传感器或者铁量仪的存油部分，即存油腔11内。

所述手持式快速反应铁量仪还包括存油器10，所述质量称重传感器1套装在所述所述存油器10内，且与所述存油器10之间留有空隙，所述空隙形成一存油腔11。

所述质量称重传感器1上安装有一温度传感器12，所述温度传感器12位于所述测试腔8内。为了减少测试时间，有时需要把所测试油的标准新油样先放进测试腔8。这样，当测试油样倒进测试腔8时，测试油和新油样将混合，测试油样中的磁性颗粒13将被吸附在质量称重传感器1的上表面。很多时候，由于测试油样的温度很高，先放进去的新油样起到一个温度缓和区的效果。防止质量称重传感器的损坏和减少测量时间，减少误差。温度传感器12可以做进一步的温度补偿。

当油样被加到测试腔8，磁性颗粒13将被吸附到质量称重传感器1表面。由于磁力大于磁性颗粒13重力，质量称重传感器1的震荡频率要升高。参见图5。当更多的油样被加进去，质量称重传感器1的震荡频率将持续升高。每个台阶状的信号并不是直线。达到平衡的时间很长，可能需要3～10分钟。导致铁量仪读数时间很长。

为了改变这种情况，可以使用顶盖6上的磁铁7。所述质量称重传感器1信号获取过程是当所述附着顶盖6的磁铁7放平覆盖测试腔8，吸附质量称重传感器1表面磁性颗粒13，并通过铰链立刻离开测试腔8的过程。此过程的时间为T。所述质量称重传感器1的信号是频率的变化量，所述吸附的磁性材料13质量与所述信号在时间T内的频率变化量成正比。所述监测系统监测的油液的颗粒浓度同时间T内频率的变化量成正比。在这个瞬间，质量称重传感器1有个巨大的频率变化(△f约为1100赫兹)，并且这个过程只有1～3秒(△t)。时间T由于时间短，T时间内质量称重传感器1受温度，震动等因素引起的变化可以忽略不计。样品油由有刻度的吸管加入测试腔8，每次放进1毫升，2毫升，或者其他数值。应为已知油样的体积，那么这个瞬间的频率变化就和油样中的磁性颗粒13含量成正比。所以采用这种方法，传感器及铁量仪的反应时间大大地下降了，并且信号/噪声比，极大地提高了。

有些声波传感器比如声表面波，它的电极只在传感器石英基底的一侧。当使用这类传感器时，传感器的敏感表面可以在声表面波石英基底的另外一侧。有声表面波电极的一侧是封装在传感器内部。磁铁也是封装在传感器内部。其他类型的声波元件也可以应用此原理。

对某些声波器件，当它们的电极只在一侧时，其器件基底可以从背面腐蚀，减少基底厚度，从而提高传感器的灵敏度。

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 (5)

1.一种手持式快速反应铁量仪，其特征在于：包括传感器组件、顶盖(6)及磁铁(7)，所述顶盖(6)位于所述传感器组件的顶部，且与所述传感器组件相连接，并形成一腔体，所述腔体为测试腔(8)，所述磁铁(7)安装在所述顶盖(6)上，且位于所述测试腔(8)内；所述传感器组件包括封装好的质量称重传感器(1)，所述质量称重传感器(1)包括石英传感器晶片(2)、铬镀层(4)、金镀层(5)及磁性装置(3)，所述质量称重传感器(1)的内部设有石英振荡电路，所述石英振荡电路的两个电极分别设置在所述石英传感器晶片(2)的上下两面，所述石英传感器晶片(2)设置在所述质量称重传感器(1)的顶部，所述石英传感器晶片(2)的上表面和下表面分别镀有一层铬镀层(4)，所述铬镀层(4)的表面上镀有一层金镀层(5)，所述顶盖与所述质量称重传感器(1)相连接；所述磁性装置(3)设置于质量称重传感器(1)的内部且磁性装置(3)位于石英传感器晶片(2)的下方。

2.根据权利要求1所述的手持式快速反应铁量仪，其特征在于：所述磁铁(7)及所述磁性装置(3)为永久磁铁或电磁铁。

3.根据权利要求1或2所述的手持式快速反应铁量仪，其特征在于：所述测试腔(8)上开有一圈多余油样溢出口(9)。

4.根据权利要求3所述的手持式快速反应铁量仪，其特征在于：所述手持式快速反应铁量仪还包括存油器(10)，所述质量称重传感器(1)套装在所述所述存油器(10)内，且与所述存油器(10)之间留有空隙，所述空隙形成一存油腔(11)。

5.根据权利要求1或2所述的手持式快速反应铁量仪，其特征在于：所述质量称重传感器(1)上安装有一温度传感器(12)，所述温度传感器(12)位于所述测试腔(8)内。