CN106461633B - 用于检测油中的水的传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于检测油中的水的存在的系统，包括：包含凹口(18)的检测头(16)，待监测的油可以被容纳在凹口内；至少第一光纤(14)，该第一光纤具有被光耦合以跨凹口(18)传输光的第一端(14a)；微电光机械(MEOM)设备(26)，该MEOM设备(26)包括集成到硅基基底上的光发射器(12)和光电检测器(22)，光发射器(12)被光耦合以将光传输到第一光纤(14)的第二端(14b)中，且光电检测器(22)被设置成接收已跨凹口传输的透射光；以及，到达MEOM设备以便与其通信的电子接口(24)。处理器可以被设置以分析并比较各自的光信号以确定存在于油中的水的量。通过观察吸光度的变化，可识别水的存在。

Description

用于检测油中的水的传感器

发明背景

1.发明领域

本发明涉及油状态监测，且具体涉及用于检测油或类似物质中水的存在的传感器。本发明尤其涉及一种用于这类检测的微电光机械(micro electro-opto-mechanical)设备和一种允许低成本实施的、监测油中的水的存在的方法。

2.相关领域描述

光学传感器一直用于监测油状态以确定碎屑的存在或另外监测润滑剂的劣化。此类设备可以通过使光照射通过小缝隙并用合适的光学传感器分析透射光。可供选择的传感器可以利用光的散射且可以在(包括可见光范围之外的频率的)不同频率内操作。油状态监测在润滑剂系统可能发生故障之前提供反馈方面可能是很重要的。可以采取措施来维护或以其他方式更新润滑剂。

对许多机械系统来说，重点关注的是油中的水。来自大气的或由水直接进入系统中的、极少量的水可以在使用期间被油吸收。只要这些水呈被吸收状态且油未饱和，那么就不必担忧。然而，如果水的浓度接近饱和水平，则可能出现乳化的水和游离的水，这可能是高度有害的，特别是在暴露时间长的情况下尤其如此。在轴承中，水相对于油的不可压缩性可能造成油膜的破坏，这会导致过度磨损。油中仅仅1％的水就可以使轴承的预期使用年限降低高达90％。对于球轴承或滚动轴承而言，所产生的局部压力可以造成水的自发蒸发(spontaneous vaporization)，导致侵蚀磨损，诸如微点蚀(micropitting)。油中的水的饱和水平可能根据温度和油的种类大幅变化且可以在从10ppm到甚至10000ppm的范围内。能够测量(游离的和溶解的)水的存在的现有传感器包括：电容性传感器和卡尔菲舍尔(KarlFischer)滴定传感器。这两种方法均需要大量时间才使传感器达到平衡，因而对快速变化的条件来说并不理想。利用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)的光谱分析已经被使用，但此类光谱分析是相对复杂且昂贵的过程，该过程需要相对于由新油产生的光谱来校准传感器。安装在机械系统所处的多种环境中的光谱分析仪也是相对昂贵的、庞大的且灵敏的设备。

因而，期望提供一种能够可靠地实时确认油中的水的存在的、低成本的且简单的传感器装置。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于检测油中的水的存在的系统，包括：包括凹口的检测头，待监测的油可以被容纳在凹口内；至少第一光纤，该第一光纤具有被光耦合以跨凹口传输光的第一端；微电光机械(MEOM)设备，该MEOM设备包括集成到硅基基底上的光发射器和光电检测器，光发射器被光耦合以将光传输到第一光纤的第二端中，且光电检测器被设置成接收已跨凹口传输的透射光；以及，到达MEOM设备以便与其通信的电子接口(24)。在本文中，MEOM设备旨在包括被集成到单个半导体芯片中的任何小型电光机械设备。所提出的MEOM设备可以通过大规模制造技术被低成本地制造，使得该系统是相对价格低廉的。出于状态监测目的，这样的系统可以被永久性地集成到机械系统中。

可以预见系统的各种实施方式。特别地，检测头可以是透射性的或反射性的。在透射性的情形中，可以设置第二光纤，该第二光纤具有：被光耦合以接收从第一光纤的第一端跨凹口传输的透射光的第一端，和被光耦合以将光传输至光电检测器的第二端。在可供选择的反射性的实施方式中，凹口可以包括：与第一光纤的第一端相对的、且被设置成将透射光反射回到第一光纤的第一端中的反射表面。第一光纤的第二端也光耦合至光电检测器。光源和干涉仪(interferometer)可以经由光开关被耦合。光发射器和光电检测器可以通过光开关被耦合至第一光纤的第二端，光开关可以呈半反射镜或棱镜的形式。还可以使用其他类似的分光镜。这些透射性的和反射性的装置也已经在相关申请WO2014/090315和PCT/EP2013/076791中有所描述，这些相关申请的内容在此通过引用全文并入。

光发射器可以是任何合适的光源。在一个优选的形式中，光发射器包括发光二极管(LED)，特别是宽带LED。光发射器还可以是白炽光源。作为一种优选方案，光发射器可工作来发射在IR区域内的宽谱上的光。850nm到1750nm范围内的IR区域是特别有利的。近红外光显示出水良好的吸收特性，同时仅会受到油中的其他污染物的轻微影响。

光可以在宽谱内被检测。然而，作为一种更优选的方案，光电检测器包括光谱选择性检测器(spectrally selective detector)，该光谱选择性检测器可工作来检测在100nm或更小的窄带上的、优选在1250nm和/或1400nm附近区域内的光。因而分析了存在水吸收峰值的光谱区域内的光。对于大多数油来说，这样的吸收峰值可在1250nm附近处和1400nm附近处被识别出来，且优选分析这些特定区域中的一个或两个。

作为一种优选方案，MEOM设备包括合适的微机械加工的光导，用于将透射光引导至光电检测器。光优选通过窗片(诸如蓝宝石窗片)进入MEOM设备，且可以通过合适的透镜被进一步聚焦到光电检测器。另外，MEOM设备的构建可以是常规的。MEOM设备还可以包括设置在光导内的衍射光栅，以将选定波长的透射光选择性地引导到光电检测器上。作为一种集成解决方案，衍射光栅优选连同MEOM设备被一起微机械加工，由此衍射光栅和光电检测器起到小型光谱分析仪的作用。此类型的设备例如是可从Insion^TM购买的NIR 1.7微型光谱仪。

作为一种优选方案，系统还包括以下处理器，该处理器可操作地连接至电子接口以便驱动并询问(interrogating)MEMS设备。该处理器可以是专用于MEOM设备的独立设备或可以是大型系统(诸如计算机)的部件。作为一种优选方案，该处理器被设置成监测(代表了在光电检测器处接收到的光的)光信号，以确定该光信号随时间的波动量。处理器可以进一步被设置成比较波动量与代表油的饱和水平的预定值。通过此种方式确定饱和水平的原理已经在相关申请PCT/EP2012/075437中被广泛描述。因此，已经观察到，在油中出现游离水的时候将会观察到透射光的信号特征的显著变化。在饱和水平之下，由光电检测器接收到的透射光信号是相对稳定的，且强度仅随吸收水的含量的增大而稳步增强。当水的量接近饱和时，光信号变得高度不稳定且可能出现噪声。不希望受理论束缚，认为以类似于液体的气穴现象(cavitation)或沸腾的方式在油内形成游离水的气泡。当这些气泡穿过凹口时会扰乱信号，有效地造成更强的光吸收和较低的光信号。上述效果的明显优势在于，系统可以容易被现场(in-situ)校准至饱和水平，而无需知道油或系统的特征。另外，系统可以在确认油中存在游离水方面(以可忽略不计的延迟)提供实时结果。

如上所述的系统可以在需要监测油状态的任何情形中被实施。作为最优选的方案，检测头位于(诸如变速箱、发动机、轴承或类似物的)机械系统的供油管线中。

本发明还涉及使用如上面或下文所描述的系统来检测油中的水的存在的方法。该方法可以包括使光从光发射器穿过油到达光电检测器；监测在光电检测器处接收到的光信号；以及，分析并比较光信号以确定油中存在的水的量。分析光信号以确定信号的波动量可以包括：监测光信号的波动量以识别以下阶跃变化，该阶跃变化代表油的饱和并在光信号指示波动超过预定值时产生指示饱和的饱和信号。

在一个实施方案中，确定波动量可以包括测量在采样周期内的光信号的峰-峰间的变化。采样周期可以根据(包括采集光信号的测量结果的采样率的)多种因素来选择，且还可基于物理因素，诸如待监测的油的流量、油的性质以及其他物理因素。通常，在出现游离水时，信号波动可能增强10倍或更大，且5的预定值可能足够提供可靠的指示同时避免虚假警报。在其他情形中，2的预定值可以提供更灵敏的响应，且低于2的预定值可以适用于特别是在先前已经应用了信号平滑(signal smoothing)的情形中。将会理解的是，采样周期将包括至少两份样本，优选至少四份样本且更优选至少10份样本。采样周期可以在1秒钟到10秒钟之间，优选在2秒钟到5秒钟之间。可以采用1Hz到10Hz之间的采样率，优选约2Hz，这取决于流量。通常，通过凹口的油的流量越高，在相同灵敏度下可能要求更高的采样率。

根据一种分析方法，当第二采样周期内的光信号波动与第一采样周期内的光信号波动的比率超过预定值时，可以被识别为饱和。预定值可以根据油的性质和其他物理因素来确定。通常，当出现游离水时，信号波动可能增强10倍或更大，且5的预定值可能足够提供可靠的指示，同时避免虚假警报。在其他情形中，2的预定值可以提供更灵敏的响应且低于2的预定值可以适用于特别是在先前已经应用了信号平滑的情形中。

根据本发明另一方面，该方法还可以包括确定油保持在其饱和水平之上的时间。一旦在油中检测到游离水，那么计时器可以记录直到游离水的危害消失为止所经历的时间。此时刻可以通过如下方式来确定：评估连续采样周期的数目并一旦已经确定所有这些时段内不存在饱和信号时则确定水不存在。可供选择地，一旦已经确定对应于饱和水平的光信号的绝对值，那么当一个或多个光信号的绝对值恢复至远离饱和水平的值时，则指示游离水不存在。

根据可供选择的方法，可以通过饱和信号关于时间的积分来确定系统暴露于游离水。基于通过传感器的油的流量，对信号的积分可以允许近似地确定系统中游离水的总量。这可以用于提供进一步的警报并在如果发生超过给定暴露时启动合适的行动。

本发明的显著优势在于传感器不需要被预先校准且可以基于饱和水平的识别来现场校准。如果在吸收水的区域内需要更大的准确度，那么该方法可以包括：校准用于具有低于饱和水平的水含量的油样本的传感器；且随后确定在检测到油饱和时光信号与水含量之间的线性关系。这样的样本校准可以在实验室中通过相对于卡尔菲舍尔滴定结果校准传感器来实现。可供选择地，传感器可以通过采集用于进行离线分析的油样本而在现场进行校准。一旦被校准，传感器可以被精确地用于还在游离水出现之前识别油中的乳化水。

处理器可以是任何合适的处理设备，诸如计算机或专用微处理器。除了其他控制任务外，处理器优选被设置成确定光信号的波动超过预设值的时间。具体地，处理器可以按照上述方式实施信号分析、采样以及滤波。

附图说明

当参考下面多个示例性实施方案的附图时，本发明的特征和优势将得到理解，附图中：

图1显示了根据本发明的、用于确定油样本的吸收光谱的系统的示意图；

图2更详细地显示了图1的系统的一部分的示意图；

图3显示了以图1的系统测量的、在1108nm波长下关于增加的水含量的光强度测量结果；

图4显示了根据本发明的、可供选择的系统的示意图。

具体实施方式

图1显示了用于确定油样本的吸收光谱的系统10的示意图。该系统包括光发射器12、第一光纤14、包括凹口18的检测头16、第二光纤20、光电检测器22以及电子接口24。光发射器12、光电检测器22以及电子接口24被一起集成到微电光机械(MEOM)设备26上。第一光纤14具有第一端14a，该第一端14a被耦合至检测头16且被定向(directed)以跨凹口18朝着第二光纤20的第一端20a传输光。第一光纤14的第二端14b耦合至MEOM设备26，且被光耦合以接收来自光发射器的光。第二光纤20的第二端20b也被耦合至MEOM设备26且被光耦合以将光传输至光电检测器22。

图2是图1的MEOM设备26的放大细节视图。该MEOM设备26包括硅基底30，使用适当的微电子制造工艺在该硅基底上制造了各种部件。光发射器12被制造在基底30的、邻近第一光纤14的第二端14b的区域上，且通过第一硅透镜28和第一蓝宝石窗片32耦合到该区域中。从第二光纤20的第二端20b至位于基底30的相对侧处的衍射光栅36，跨基底30形成了光导34。第二光纤20的第二端20b通过第二蓝宝石窗片38和第二硅透镜48被耦合到光导34中。光电检测器22位于光导34的一侧，与电子接口24互联。此外，还显示了处理器42，该处理器42被连接以经由电子接口24接收来自MEOM设备26的信号。将会理解，处理器42可以是例如形成计算机的部件的专用处理器或远程处理器，且来自MEOM设备的信号可以通过任何合适的方式被传输。

图3显示了使用图1和2的系统可以预期到的信号的代表性轨迹。基于测试装置中的测试，显示了在数小时内记录的、所接收到的穿过0.5mm凹口的油样本的透射光，在此数小时期间，油中的水浓度稳定增加，直至达到饱和(100％饱和)。这之后，水浓度进一步增加至约0.4％的水。图3显示了在1108nm波长下此测试的光强度测试结果。该结果显示出对不断增加的水含量水平的强烈且稳定的响应。当样本达到饱和时，传感器记录了信号中的显著波动。采样率是2Hz。本领域技术人员将认识到，诸如移动点平均线的数字滤波可以用于进一步平滑信号。

图4显示了根据本发明的第二实施方案的系统100的示意图。在此实施方案中，使用单个光纤114，该单个光纤114在其第一端114a处耦合至具有凹口118的检测头116。在此情形中，检测头116的、面朝光纤114的第一端114a的表面形成为镜子117，由此从光纤114发出的光被反射回到其第一端114a中。光纤的第一端114a还设置有半反射面115。光纤114的第二端114b被耦合至MEOM设备126，该MEOM设备126包括集成到基底130上的光发射器112、光电检测器122、电子接口124以及衍射光栅136。另外，设置了起到在光发射器112与衍射光栅136之间的光开关作用的半反射镜137，正如下面进一步详细描述的。

在使用时，检测头116位于机械系统(未显示)内，从而使得油A被容纳在凹口118内。来自光发射器112的光被耦合到光纤114中并被引导通过光纤114以从第一端114a离开。一部分光被端面115的半反射面在内部反射并通过光纤作为第一光信号S1返回。其余的光通向并穿过凹口118内的油A并入射到镜子117上，该镜子117使所述其余的光跨凹口118被反射回来并进入光纤114的第一端114a作为第二光信号S2。

第一光信号S1和第二光信号S2通过光纤114和半反射镜137传输至衍射光栅136。该衍射光栅136将不同的波长的光选择性地偏转到光电检测器122上，因而可以确定信号S1、S2发生相长干涉(constructively interfere)的频率。通常，一旦被确定，则此频率将以给定的形态保持相对稳定且可以被识别为组合信号S1+S2的最大值。

第一光信号S1可以被用作参考信号。第二光信号S2被加入到第一光信号S1中以确保干涉。由光纤114弯曲造成的任何振幅的变化都将会以固定比例的方式影响信号S1和S2两者。这样，由光纤114弯曲造成的振幅变化变成已知因素。通过消除该已知因素就可以计算出代表油中的水饱和度的实际振幅变化。因此，测量系统并不被限制到任何固定的几何构型且在使用时是更加鲁棒的。

因而，已经通过参考上述实施方案描述了本发明。将认识到，此实施方案很容易由本领域技术人员实现各种改变和已知的可供选择的形式，而不偏离本发明的精神和范围。特别地，将会理解，多种不同的算法和信号分析过程可以被实施以基于传感器输出确定油状态。因此，尽管已经描述了具体的实施方案，但是这些仅仅是示例性的且并不限制本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于检测油中的水的饱和水平的系统，包括：

检测头，所述检测头包括凹口，待监测的油能够被容纳在所述凹口内；

至少第一光纤，所述第一光纤具有被光耦合以跨所述凹口传输光的第一端；

微电光机械(MEOM)设备，所述MEOM设备包括集成到硅基基底上的光发射器和光电检测器，所述光发射器被光耦合以将光传输到所述第一光纤的第二端中，且所述光电检测器被设置成接收已跨所述凹口传输的透射光；以及

电子接口，所述电子接口到达所述MEOM设备以便与所述MEOM设备通信；

所述光电检测器包括光谱选择性检测器，所述光谱选择性检测器能够工作来检测在100nm或更小的窄带上的、在1250nm或1400nm附近区域内的光。

2.如权利要求1所述的系统，还包括第二光纤，所述第二光纤具有：被光耦合以接收从所述第一光纤的所述第一端跨所述凹口传输的所述透射光的第一端，和被光耦合以将光传输至所述光电检测器的第二端。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述凹口包括与所述第一光纤的所述第一端相对的、且被设置成将所述透射光反射回到所述第一光纤的所述第一端中的反射表面，且所述第一光纤的所述第二端也被光耦合至所述光电检测器。

4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述光发射器包括发光二极管。

5.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述光发射器能够工作来发射在IR区域内的宽谱上的光。

6.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述光电检测器包括光谱选择性检测器，所述光谱选择性检测器能够工作来检测在100nm或更小的窄带上的、在1250nm和1400nm附近区域内的光。

7.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述MEOM设备还包括被微机械加工的光导，所述光导从窗片延伸至所述光电检测器，所述透射光在所述窗片处进入所述MEOM设备。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述MEOM设备还包括被设置在所述光导内的衍射光栅，以将选定波长的所述透射光选择性地引导到所述光电检测器上。

9.如权利要求1至3中任一项所述的系统，还包括处理器，所述处理器可操作地连接至所述电子接口以便驱动并询问所述MEOM设备。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述处理器被设置成：监测代表了在所述光电检测器处接收到的光的光信号，并确定所述光信号随时间的波动量。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述处理器被设置成比较所述波动量与代表所述油中的水的饱和水平的预定值。

12.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述检测头位于机械系统的供油管线内。

13.一种使用如权利要求1至12中任一项所述的系统来检测油中的水的饱和水平的方法，包括：使光从所述光发射器穿过所述油到达光电检测器；监测在所述光电检测器处接收到的光信号；以及，分析并比较所述光信号以确定所述油中的水的量。

14.如权利要求13所述的方法，还包括分析所述光信号以确定信号的波动量；监测所述光信号的所述波动量以识别以下阶跃变化，所述阶跃变化代表所述油中的水的饱和水平并在所述光信号指示波动超过预定值时产生指示饱和的饱和信号。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，确定波动量包括测量在采样周期内的光信号的峰-峰间的变化。