CN105571995A - 一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器及制造方法，包括：管路中心，管路中心嵌入传感器管壁，传感器管壁为圆形且与管路中心同心；传感器管壁的内部嵌入传感器内芯；传感器管壁内嵌入多个金属极板，传感器管壁上设置有接口部件和金属引线；金属极板用于成像，实现对磨粒的检测。制造方法包括：对金属材料进行3D打印，使其成型为多个金属极板；传感器管壁以及传感器内芯使用高分子绝缘材料一体注塑成型，得到成型主体；在成型主体的基础上，加工接口部件；采用静电喷涂在成型主体的外壁上制造外屏蔽金属层。本发明通过对传感器的结构进行改进，并结合3D打印的设计方法，提高了检测可靠性，实现了磨粒成像检测和定量磨粒计数。
Description
技术领域
本发明涉及在线油液磨粒成像计数传感器领域，尤其涉及一种专门用于飞机发动机的在线油液磨粒成像计数传感器及制造方法。
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。飞机发动机突发性磨损故障，主要产生典型尺寸200微米到以上的，多个磨粒同时产生的磨粒，对这些磨粒进行可靠定量的在线磨粒成像和计数能够及时预警飞机发动机故障，防止灾难性事故。
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，使磨粒在管道中的位置快速乱变，影响检测。
申请号为201410293459.5，公开号为CN104034639A公开了一种在线油液磨粒成像计数传感器及其制造方法，在线油液磨粒成像计数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。采用MEMS微型机械电子系统实现了对飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的制造。
该传感器的缺点是：1、大于200微米的大颗粒无法进行尺寸和个数检测，存在大磨粒的漏检危险；2、检测过程中造成压力损失，设备高速运行时影响润滑散热效果；3、多个磨粒同时流过某个歧管时，无法分辨磨粒个数，不能实现定量磨粒计数功能，容易造成误检。
发明内容
本发明提供了一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器及制造方法，本发明通过对传感器的结构进行改进，并结合3D打印的设计方法，提高了检测可靠性，实现了磨粒成像检测和定量磨粒计数，详见下文描述：
一实施例提供了一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器，包括：管路中心，所述管路中心嵌入传感器管壁，
所述传感器管壁为圆形且与管路中心同心；所述传感器管壁的内部嵌入传感器内芯；
所述传感器管壁内嵌入多个金属极板，所述传感器管壁上设置有接口部件和金属引线；
所述金属极板用于成像，实现对磨粒的检测。
其中，优选所述传感器管壁与所述传感器内芯采取单点或多点，以及均匀分布或非均匀分布连接。
其中，优选所述接口部件采用渐变管径设计，所述接口部件具体为法兰接头或两通接头。
进一步地，所述金属极板优选均匀分布，所述金属极板个数优选为6至14个。
进一步地，所述传感器内芯使油液形成环形流，所述环形流的厚度为1至5毫米，所述环形流的截面积不小于被测管道面积。
进一步地，所述传感器管壁、以及所述传感器内芯采用CO激光表面处理工艺。
另一实施例，提供了一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：
对金属材料进行3D打印，使其成型为多个金属极板；
所述传感器管壁以及所述传感器内芯使用高分子绝缘材料一体注塑成型，得到成型主体；
在所述成型主体的基础上，加工接口部件；
采用静电喷涂在所述成型主体的外壁上制造外屏蔽金属层。
其中，所述传感器内芯与所述传感器管壁的连接方式为2点连接。
进一步地，所述金属极板厚度优选为100微米～0.5毫米。
进一步地，所述金属极板的内壁优选与所述传感器管壁有相同弧度。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明实现了大流量10～200mm的管径检测，并且无压力损失，实现了在线全流量检测；
2、多个磨粒同时流过时，通过金属极板组成的多极板成像可以分辨磨粒个数，实现磨粒可靠定量计数，不会造成误检；
3、经过实验验证，传感器内芯的外径距离金属极板的距离为4mm时，本发明设计的传感器可实现最小200微米磨粒的检测效果；当金属极板的数量为8个时，可以实现同时流过金属极板为56个、且相距200微米的磨粒定量计数效果。
附图说明
图1为一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的结构示意图；
(a)为飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的侧视图；(b)为飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的前视图；(c)飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的立体图；(d)为飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的效果图。
其中：1为金属极板；2为传感器管壁；3为传感器内芯；4为接口部件；5为金属引线；6为传感器管壁2与传感器内芯3的连接处。
图2为一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的制造零件图；
(a)为3D打印的金属极板、金属引线的示意图；(b)为开模注塑的传感器管壁和传感器内芯的示意图。
图3为一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的制造方法的流程图。
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。
本发明实施例为达到设计目的，从理论分析出发，结合电学层析成像具有检测分辨率非线性分布的特点。在管壁附近分辨率最好，管中心分辨率低。借鉴孔板流量计的设计思路，孔板流量计在管道中间设置孔板，使流体形成环状流，用以检测流量，下面结合具体的实施例对本发明设计的传感器进行详细的介绍。
实施例1
参见图1(a)、(b)、(c)、(d)，一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器，包括：管路中心(图中未示出，为本领域技术人员所公知)。管路中心中嵌入传感器管壁2，传感器管壁2为圆形与管路中心同心；传感器管壁2的内部嵌入传感器内芯3，传感器管壁2内嵌入多个金属极板1(组成了多极板)，优选多个金属极板1均匀分布；金属极板1的个数为6至14个；传感器管壁2上设置有接口部件4和金属引线5。
其中，传感器管壁2与传感器内芯3采取单点或多点，以及均匀分布或非均匀分布连接，实现了大流量的在线全流量检测，并能实现小分辨率前提下的大颗粒通过和检测，并且无任何压力损失，多个磨粒同时流过时，多个金属极板1组成了多极板，通过多极板的成像可以分辨磨粒个数，不会造成误检。本发明实施例以2点连接，均匀分布为例进行说明。
其中，接口部件4可以采用渐变管径设计，例如：当接口部件4为法兰接头或者两通接头时，可以分别采用渐变管径或突变设计，渐变系数为0.1～0.9(实际范围由流速范围和管径确定)。
突变管径时，优选金属极板1与接口部件4之间的距离大于3倍管径。
传感器内芯3使油液在整个传感器内形成环形流，环形流的厚度为1至5毫米，环形流截面积不小于主管道(即接入整个传感器前的被测管道)面积。具体实现时，传感器管壁2、以及传感器内芯3采用CO激光表面处理工艺。
参见图1，本发明实施例中的接口部件4采用直接螺纹连接，接口部件4采用突变方式。突变后传感器管壁2的内径17mm，传感器内芯3的外径9mm，突变前被测管道的内径为8～14mm。
通过采用上述规格和尺寸的设计实现了大流量14cm管径检测，支持接入被测管道的通径为7cm～14cm的润滑主路管道不造成任何压力。
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保证到100微米。
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，检测位置距离变径位置要保证足够距离，本发明实施例以距离为36mm为例进行说明。同时选用CO激光表面处理工艺，保证传感器管壁2、以及传感器内芯3的内壁光滑，测量油液流动过程中不形成湍流。
具体实现时，整个传感器的温度使用范围可达到-55摄氏度到250摄氏度，整个传感器总重量不超过300g，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～35L/min的流速范围内，不产生任何湍流。
本发明实施例采用被测管道与整个传感器呈90度垂直角度安装。由于采用了金属极板1的电学层析成像检测原理，在飞马II号及4050润滑油等多种油品为介质条件下，0.2L/min～55L/min的流速范围内，油液是否满管不影响检测精度，并且多个磨粒同时流过时，多极板成像可以分辨磨粒个数，不会造成误检。
综上所述，本发明实施例通过上述器件的设计，实现了磨粒成像检测和定量磨粒计数。
实施例2
对于电学层析成像系统复合阵列极板传感器，一般的设计制造方法没有传感器内芯3，金属极板1都是粘接固定，金属极板1无法加工成与传感器管壁2弧度一致、且表面光洁度高的形状，尺寸精度低并且无法满足长期高温运行的要求。按现有设计制造方法，制造出的传感器无法实现参数加工一致性，也无法实现高温运行的需求。
为此，本发明实施例采用不同的工艺方法——3D打印、结合开模注塑二次加工的方法。其中，3D打印方法是新型复杂结构加工方法，在不同行业已有成熟应用工艺。
参见图2和图3，图2(a)是3D打印的金属极板1的三维立体视图；(b)是开模注塑的传感器管壁2和传感器内芯3一体件的三维立体视图。
步骤1：使用3D打印方法，对金属材料进行3D打印，使其成型为多个金属极板1，金属极板1厚度为(0.5毫米)100微米～0.5毫米，金属电极1的个数为8个(6～14个)，金属极板1的内壁与传感器管壁2有相同弧度；
本实施例以金属极板1的个数为8个、厚度为0.5mm、宽度为5mm、长度为36mm、金属极板1间距离为2mm为例进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
其中，传感器内芯3与传感器管壁2的连接方式为2点连接(即，连接点个数为2)，连接厚度为2mm。
步骤2：在步骤1完成的多个金属极板1的基础上，传感器管壁2以及传感器内芯3使用高分子绝缘材料一体注塑成型，得到成型主体，成型主体的外径为23mm(10～200mm)；
步骤3：在步骤2的成型主体的基础上，加工接口部件4；
例如：接口部件4为螺纹连接，螺纹螺距为1mm直螺纹等，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
步骤4：在第3步的基础上，采用静电喷涂在成型主体的外壁上制造外屏蔽金属层。
例如：外屏蔽金属层的喷涂厚度为75微米(具体实现时，优选喷涂厚度在30～140微米之间)。
综上所述，通过上述步骤1-步骤4的加工制作，本发明实施例实现了对飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的制作，该传感器带有若干个金属电极1，且具有环形流道，实现了磨粒成像检测和定量磨粒计数。。
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 (10)
1.一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器，包括：管路中心，所述管路中心嵌入传感器管壁，其特征在于，
所述传感器管壁为圆形且与管路中心同心；所述传感器管壁的内部嵌入传感器内芯；
所述传感器管壁内嵌入多个金属极板，所述传感器管壁上设置有接口部件和金属引线；
所述金属极板用于成像，实现对磨粒的检测。
2.根据权利要求1所述的一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器，其特征在于，
所述传感器管壁与所述传感器内芯采取单点或多点，以及均匀分布或非均匀分布连接。
3.根据权利要求1所述的一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器，其特征在于，
所述接口部件采用渐变管径设计，所述接口部件具体为法兰接头或两通接头。
4.根据权利要求1所述的一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器，其特征在于，所述金属极板均匀分布，所述金属极板个数为6至14个。
5.根据权利要求1所述的一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器，其特征在于，所述传感器内芯使油液形成环形流，所述环形流的厚度为1至5毫米，所述环形流的截面积不小于被测管道面积。
6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器，其特征在于，所述传感器管壁、以及所述传感器内芯采用CO激光表面处理工艺。
7.一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法用于制作权利要求1-5中任一权利要求所述的飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器，所述制作方法包括以下步骤：
对金属材料进行3D打印，使其成型为多个金属极板；
所述传感器管壁以及所述传感器内芯使用高分子绝缘材料一体注塑成型，得到成型主体；
在所述成型主体的基础上，加工接口部件；
采用静电喷涂在所述成型主体的外壁上制造外屏蔽金属层。
8.根据权利要求7所述的一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的制作方法，其特征在于，所述传感器内芯与所述传感器管壁的连接方式为2点连接。
9.根据权利要求7所述的一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的制作方法，其特征在于，所述金属极板厚度为100微米～0.5毫米。
10.根据权利要求7所述的一种飞机发动机在线油液磨粒成像计数传感器的制作方法，其特征在于，所述金属极板的内壁与所述传感器管壁有相同弧度。
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