CN108931502B - 红外点状激光发射器在线监测润滑脂衰变程度系统及方法 - Google Patents
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Abstract
红外点状激光发射器在线监测润滑脂衰变程度系统及方法，利用多组红外点状激光发射器发射不同波段的红外光照射润滑脂，反射光信号由光强度传感器接收，通过单片机处理得到特征官能团，如甲基、羰基、羟基对应波段的红外光光照强度变化，并利用实验数据库建立特征量量化润滑脂使用寿命参数K的模型，利用参数K定量、实时表征润滑脂衰变程度，对其使用寿命作出实时判断，实现在线监测润滑脂使用寿命的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测润滑脂衰变程度的系统及方法，特别涉及一种利用红外点状激光发射器在线监测润滑脂衰变程度的系统及方法。
背景技术
润滑剂是现代机械系统的基本要素之一，主要作用是减少运动副之间的摩擦和磨损，提高机械工作效率，延长机械的使用寿命。其中，润滑脂的使用相当普遍，尤其是在一些低速、重载的大型设备。润滑脂对温度敏感性较弱，对载荷性质、运转速度的变化等有较大的适应性，且在金属表面具有良好的粘附性、不易流失，故有很好的润滑能力，但润滑失效便会导致运动副磨损大幅加剧、寿命急速缩短，甚至会在大型设备引起重大事故。因此，润滑脂的润滑状态的监测十分必要。目前，润滑脂监测技术主要有光谱、铁谱分析、颗粒计数等，这些属于离线监测；虽然离线监测精度高、结果准确，但存在分析周期长、过程复杂、反应速度慢等缺点，通常仅适合实验室分析，无法用于现场实时监测。随着科学技术的迅速发展，现代机械设备正朝着大型化、高速化、复杂化、自动化方向发展，离线监测远不能满足设备长周期工作的需要。为了预判机械设备的早期磨损故障、降低润滑成本，提高机组持续运行的可靠性，在线监测已成为当前设备润滑脂监测的重要选择。研究和开发在线监测润滑脂衰变程度的系统和方法能够扩展状态监测的工程应用并提高资源的利用率。
利用红外光透过率的变化可以测定润滑脂衰变程度的变化。随着润滑脂服役时间的增加，其衰变程度增加，部分化学结构改变，某些官能团的数目也发生变化，如润滑脂碳链发生断链反应，导致甲基数目增多；由于水分的增加，羟基数目增加；由于氧化程度增大，羰基数目也随之增加。红外光照射润滑脂时，红外光波段范围内的某些特征官能团，如甲基、羟基、羰基，会吸收对应波长光的能量，产生能级跃迁。此时，这些波长的光照强度减弱，透过率发生改变，通过测量透过率的变化可以得到对应官能团浓度的变化，而这些官能团可以表征及反映润滑脂衰变程度。
专利号CN104380072A“轴承组件的声发射测量”，提供了一种通过测量轴承组件的声发射来监测润滑剂状态的方法，通过分析在轴承组件中所产生的声发射，例如一定声频率范围内的声压信号，可以监测、评估和量化润滑条件的状态。但是，轴承声发射信号的成分分析和超声信号特征与润滑状态具体关系的物理原理还需要结合机组的转速、负载等情况分析，同时探测结果的精确性和稳定性还需进一步验证。专利号CN101971007A“分析轴承润滑剂的测量装置和方法”提出了一种分析轴承润滑剂的测量装置，包括发送器、接收器、窗口等，窗口与润滑脂直接接触，由接收器提供的由探测区域捕获到的电磁辐射的频谱中可得润滑剂的状态，不过此测试装置的安装需要在轴承上打孔，改变轴承结构，另外在提取信号频谱时，需要利用信号的全部时域信息，有效信息率低。
发明内容
为了解决上述提到的现有润滑脂监测技术中的缺陷，本发明的目的在于提出一种红外点状激光发射器在线监测润滑脂衰变程度系统及方法，通过对反射信号的接收及处理获得对应波段的红外光光照强度的变化，从而得到某些能够表征润滑脂衰变成都的官能团浓度的变化，同时在显示屏实时显示润滑脂衰变程度参数值的变化，实现在线监测的功能。
为达到以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
红外点状激光发射器在线监测润滑脂衰变程度系统，包括发射装置、接收装置、处理器和显示装置；
所述的发射装置由多个不同波段的红外点状激光发射器01组成，不同波段对应不同官能团的监测，波段1200-1600cm-1对应甲基的监测，波段1600-2000cm-1对应羰基的监测，波段3200-3600cm-1对应羟基的监测；
接收装置包括BH1750光照度传感器05、复位按键10，BH1750光照度传感器05探测接收反射光的光照强度，复位按键10用于实现光照度数据复位；
处理器包括STC89C52单片机02、12M晶振振荡器08、电源部分，STC89C52单片机02带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压高性能的CMOS8位微处理器，能够使用软件Altium Designer进行编程，12M晶振振荡器08提供振荡信号给STC89C52单片机02；处理器电源部分包括瓷片电容06、电解电容07、电源插口11、LED灯12，瓷片电容06用于高频滤波，电解电容07用于低频滤波与稳压，电源插口11用于接通电源，LED灯12用于指示是否已经接通电源；
显示装置包括LCD1602液晶屏03、蓝白可调电阻04、排阻09，LCD1602液晶屏03显示16个字符，并可以通过蓝白可调电阻04调节对比度，排阻09作为作为LCD1602液晶屏03的上拉电阻能够使其保持高电平；
所述的接收装置、处理器和显示装置布置在同一芯片上。
红外点状激光发射器在线监测润滑脂衰变程度的方法，包括以下步骤：
(1)、红外点状激光发射器01连续发射不同波段至试验运动副中的润滑脂；
(2)、发射后到达光照度传感器05；
(3)、光照度传感器05接收反射光信号，得到红外反射光的光照强度，并转换成电压信号输送至单片机02；
(4)、单片机02将光照度传感器05的电压输出值作为输入值，表征润滑脂衰变程度及使用寿命的参数K作为输出值，测定多组新脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V1i0、V2i0、V3i0；V1i0表示第i组新脂甲基特征峰的光照强度大小，V2i0表示第i组新脂羰基特征峰的光照强度大小，V3i0表示第i组新脂羟基特征峰的光照强度大小；同时，以试验主轴输入功率超过平稳状态数值的300％为润滑脂失效(K＝100％)的标准，分别测定多组失效润滑脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V1i1、V2i1、V3i1；V1i1表示第i组失效润滑脂甲基特征峰的光照强度大小，V2i1表示第i组失效润滑脂羰基特征峰的光照强度大小，V3i1表示第i组失效润滑脂羟基特征峰的光照强度大小；
(5)、建立利用三组特征量V量化参数K值的模型
其中i＝1,2,3,4,5…i表示第i组实验数据；an为可调权值，利用多组实验数据通过线性回归确定a1、a2、a3的值；
(6)、在线监测润滑脂：首先测定所用润滑脂新脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V10、V20、V30，其次，单片机02将光照度传感器05的电压输出值作为输入值，表征参数K作为输出值，实时测定工况下润滑脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V1t、V2t、V3t,通过已建立的模型
确定K值大小；以K＝75％作为润滑脂失效的预警值；
(7)、显示屏实时显示参数K数值的变化，指示润滑脂使用寿命，并将参数K实时值与预警值进行比较，超过预警值时发出警报，提示操作人员停机更换润滑脂，达到在线监测的功能。
本发明所基于的原理为：随着润滑脂服役时间的增加，其衰变程度增加，部分化学结构改变，某些官能团的数目也发生变化，如润滑脂碳链发生断链反应，导致甲基数目增多；由于水分的增加，羟基数目增加；由于氧化程度增大，羰基数目也随之增加。红外光照射润滑脂时，红外光波段范围内的某些官能团，如甲基、羟基、羰基，会吸收对应波长光的能量，产生能级跃迁。此时，这些波长的光照强度减弱，透过率发生改变，通过测量透过率的变化可以得到对应官能团浓度的变化，而这些官能团可以表征润滑脂衰变程度。
因此本发明创造性地采用多组红外点状激光发射器进行润滑脂在线监测，能够实现原位监测，监测原理明确，同时采集的信息具有明确的针对性，信息利用率高，且具备使用范围广、成本低廉且操作方便的优点，具有很好应用推广价值。
与现有的技术相比，本发明的优势及创新点在于：
1.本发明采用多组红外点状激光发射器，采集的信息具有明确的针对性，无需采集所有时域信息，信息利用率高，同时噪声小；
2.本发明监测原理明确，通过测量特定波段内光照强度的变化可以得到对应官能团浓度的变化，而这些官能团可以表征润滑脂衰变程度；
3.本发明利用润滑脂寿命实验建立数据库，采用线性回归的算法，建立特征量量化参数K值的模型，利用参数K定量、实时表征润滑脂衰变程度；
4.本发明设备较为简单，成本低廉，操作方便，具有很好的推广使用价值。
附图说明
图1为一种利用多组红外点状激光发射器在线监测润滑脂衰变程度的系统示意图。
图2为集成接收装置、处理器和显示装置的芯片结构示意图；图中，01为多组红外点状激光发射器，02为STC89C52单片机，03为LCD1602液晶屏，04为蓝白可调电阻，05为BH1750光照度传感器，06为瓷片电容，07为电解电容，08为12M晶振振荡器，09为排阻，10为光照度数据复位按键，11为电源插口，12为电源接通指示灯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
参见图1，红外点状激光发射器在线监测润滑脂衰变程度系统，包括发射装置、接收装置、处理器和显示装置。
所述的发射装置由多个不同波段的红外点状激光发射器01组成，不同波段对应不同官能团的监测，如波段1200-1600cm-1对应甲基的监测，波段1600-2000cm-1对应羰基的监测，波段3200-3600cm-1对应羟基的监测；
接收装置包括BH1750光照度传感器05、复位按键10，BH1750光照度传感器05探测接收反射光的光照强度，复位按键10用于实现光照度数据复位；
处理器包括STC89C52单片机02、12M晶振振荡器08、电源部分，STC89C52单片机02带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压高性能的CMOS8位微处理器，能够使用软件Altium Designer进行编程，12M晶振振荡器08提供振荡信号给STC89C52单片机02；处理器电源部分包括瓷片电容06、电解电容07、电源插口11、LED灯12，瓷片电容06用于高频滤波，电解电容07用于低频滤波与稳压，电源插口11用于接通电源，LED灯12用于指示是否已经接通电源；
显示装置包括LCD1602液晶屏03、蓝白可调电阻04、排阻09，LCD1602液晶屏03显示16个字符，并可以通过蓝白可调电阻04调节对比度，排阻09作为作为LCD1602液晶屏03的上拉电阻能够使其保持高电平；
所述的接收装置、处理器和显示装置布置在同一芯片上。
红外点状激光发射器在线监测润滑脂衰变程度的方法，包括以下步骤：
(1)参见图2，以三组红外点状激光发射器为例，三个红外点状激光发射器01连续发射不同波段，分别为1200-1600cm-1、1600-2000cm-1、3200-3600cm-1的红外光至试验运动副中的润滑脂；
(2)三束红外光发射后到达光照度传感器05；
(3)光照度传感器05接收反射光信号，得到三束红外反射光的光照强度，并转换成电压信号输送至单片机02；
(4)单片机02将光照度传感器05的电压输出值作为输入值，表征润滑脂衰变程度及使用寿命的参数K作为输出值，以五组润滑脂在FE9滚动轴承润滑脂测试仪上进行加速寿命实验建立润滑脂使用寿命数据库，在FE9滚动轴承润滑脂测试仪上，测定五组新脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V1i0、V2i0、V3i0；V1i0表示第i组新脂甲基特征峰的光照强度大小，V2i0表示第i组新脂羰基特征峰的光照强度大小，V3i0表示第i组新脂羟基特征峰的光照强度大小；同时，以试验主轴输入功率超过平稳状态数值的300％为润滑脂失效(K＝100％)的标准，分别测定五组失效润滑脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V1i1、V2i1、V3i1；V1i1表示第i组失效润滑脂甲基特征峰的光照强度大小，V2i1表示第i组失效润滑脂羰基特征峰的光照强度大小，V3i1表示第i组失效润滑脂羟基特征峰的光照强度大小；
(5)建立利用三组特征量V量化参数K值的模型
其中i＝1,2,3,4,5表示第i组实验数据；an为可调权值，利用五组实验数据通过线性回归确定a1、a2、a3的值；
(6)在线监测润滑脂：首先测定所用润滑脂新脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V10、V20、V30，其次，单片机02将光照度传感器05的电压输出值作为输入值，表征参数K作为输出值，实时测定工况下润滑脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V1t、V2t、V3t,通过已建立的模型
确定K值大小；以K＝75％作为润滑脂失效的预警值；
(7)显示屏实时显示参数K数值的变化，指示润滑脂使用寿命，并将参数K实时值与预警值进行比较，超过预警值时发出警报，提示操作人员停机更换润滑脂，达到在线监测的功能。
本装置的工作原理为：多个红外点状激光发射器01连续发射不同波段的红外光至工况运动副中的润滑脂；光照度传感器05接收反射光信号，得到多组红外反射光的光照强度，输出为电压值；单片机02将光照度传感器的电压输出值作为输入值，表征润滑脂衰变程度及使用寿命的参数K作为输出值，利用五组润滑脂在FE9滚动轴承润滑脂测试仪上进行加速寿命实验建立的润滑脂使用寿命数据库，建立特征量V量化参数K的模型，利用参数K定量、实时表征润滑脂衰变程度，指示润滑脂的使用寿命，并设定K＝75％为润滑脂失效的预警值；显示屏03实时显示参数K数值的变化，指示润滑脂的使用寿命，并将参数K实时值与预警值进行比较，超过预警值时发出警报，提示操作人员停机更换润滑脂，达到在线监测的功能。
Claims (1)
1.红外点状激光发射器在线监测润滑脂衰变程度的方法，基于红外点状激光发射器在线监测润滑脂衰变程度系统，该系统包括发射装置、接收装置、处理器和显示装置；
所述的发射装置由多个不同波段的红外点状激光发射器(01)组成，不同波段对应不同官能团的监测，波段1200-1600cm-1对应甲基的监测，波段1600-2000cm-1对应羰基的监测，波段3200-3600cm-1对应羟基的监测；
接收装置包括BH1750光照度传感器(05)、复位按键(10)，BH1750光照度传感器(05)探测接收反射光的光照强度，复位按键(10)用于实现光照度数据复位；
处理器包括STC89C52单片机(02)、12M晶振振荡器(08)、电源部分，STC89C52单片机(02)带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压高性能的CMOS8位微处理器，能够使用软件Altium Designer进行编程，12M晶振振荡器(08)提供振荡信号给STC89C52单片机(02)；处理器电源部分包括瓷片电容(06)、电解电容(07)、电源插口(11)、LED灯(12)，瓷片电容(06)用于高频滤波，电解电容(07)用于低频滤波与稳压，电源插口(11)用于接通电源，LED灯(12)用于指示是否已经接通电源；
显示装置包括LCD1602液晶屏(03)、蓝白可调电阻(04)、排阻(09)，LCD1602液晶屏(03)显示16个字符，并可以通过蓝白可调电阻(04)调节对比度，排阻(09)作为作为LCD1602液晶屏(03)的上拉电阻能够使其保持高电平；
所述的接收装置、处理器和显示装置布置在同一芯片上；
其特征在于，监测方法包括以下步骤：
(1)、红外点状激光发射器(01)连续发射不同波段至试验运动副的润滑脂中；
(2)、发射后到达光照度传感器(05)；
(3)、光照度传感器(05)接收反射光信号，得到红外反射光的光照强度，并转换成电压信号输送至单片机(02)；
(4)、单片机(02)将光照度传感器(05)的电压输出值作为输入值，表征润滑脂衰变程度及使用寿命的参数K作为输出值，测定多组新脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V1i0、V2i0、V3i0；V1i0表示第i组新脂甲基特征峰的光照强度大小，V2i0表示第i组新脂羰基特征峰的光照强度大小，V3i0表示第i组新脂羟基特征峰的光照强度大小；同时，以试验主轴输入功率超过平稳状态数值的300％为润滑脂失效的标准，分别测定多组失效润滑脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V1i1、V2i1、V3i1；V1i1表示第i组失效润滑脂甲基特征峰的光照强度大小，V2i1表示第i组失效润滑脂羰基特征峰的光照强度大小，V3i1表示第i组失效润滑脂羟基特征峰的光照强度大小；
(5)、建立利用三组特征量V量化参数K值的模型
其中i＝1,2,3,4,5…i表示第i组实验数据；an为可调权值，利用多组实验数据通过线性回归确定a1、a2、a3的值；
(6)、在线监测润滑脂：首先测定所用润滑脂新脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V10、V20、V30，其次，单片机(02)将光照度传感器(05)的电压输出值作为输入值，表征参数K作为输出值，实时测定工况下润滑脂的甲基、羰基、羟基特征峰的光照强度大小V1t、V2t、V3t,通过已建立的模型
确定K值大小；以K＝75％作为润滑脂失效的预警值；
(7)、显示屏实时显示参数K数值的变化，指示润滑脂使用寿命，并将参数K实时值与预警值进行比较，超过预警值时发出警报，提示操作人员停机更换润滑脂，达到在线监测的功能。
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| 基于红外光谱的在用润滑油衰变信息的快速确定和关联性分析;王菊香 等;《分析仪器》;20170328(第2期);第58-63页 * |
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