CN109212027A - 基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置及方法 - Google Patents

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刘志坚
于可真
高跃峰
宋永欣
潘新祥
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Abstract

本发明涉及润滑油分析检测技术领域，具体涉及一种基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置及方法。本发明充分利用声表面波能量密度高、容易集成等优点，又与通过软光刻技术加工特定几何形状的微流通道相结合，实现了润滑油中磨粒的在线连续分离，为磨粒精准检测奠定了基础。本分离装置和方法取消了物理滤网等结构、避免了脏堵，并且该装置和方法集成度高、在线分离效果好。

Description

基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置及方法
技术领域
本发明涉及润滑油分析检测技术领域，具体涉及一种基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置及方法。
背景技术
磨损是船舶动力装置失效的主要原因之一，磨粒是磨损的主要产物。磨粒的尺寸与磨损程度相关，如正常磨损的磨粒尺寸一般小于20微米，而异常磨损的磨粒尺寸一般大于50微米。因此，提取润滑油中磨粒的尺寸信息有助于机械设备运行状态的监测和故障诊断。而实际的润滑油样品中，磨粒的尺寸分布很广(如从几微米至几百微米)，给磨粒尺寸的精确判断带来了较大的困难。为此，近来研究提出将润滑油中的磨粒进行分离、然后再分别进行检测，从而实现磨粒特征信息的精准提取。
传统的磨粒分离方法是利用特定尺寸孔径的滤网对润滑油中磨粒进行过滤分离。该分离方法操作简单、成本低。但该方法中的滤网易堵塞，且仅能依据尺寸进行磨粒分离。利用磁场对磨粒进行分离也是一种常见的磨粒分离方法，即在润滑油流经区域布置高梯度磁场区域，润滑油中磨粒流经此区域受磁力作用而发生偏转，不同尺寸磨粒所受磁力不同，偏转量不同，最终流向不同的出口，从而实现磨粒的分离；该分离方法仅能实现铁磁性磨粒的分离，不能分离非铁磁性磨粒，如铜、铝、锡等磨粒。此外，离心力、重力、光捏等也被用来进行润滑油中磨粒的分离，但因各自存在一定的局限而并未广泛应用。
发明内容
为了解决上述现有技术润滑油中磨粒分离问题，本发明提出了一种适用性广、能够精准分离的基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置及方法，本发明充分利用声表面波能量密度高、容易集成等优点，同时与通过软光刻技术加工特定几何形状的微通道相结合，实现了润滑油中磨粒的在线连续分离，为磨粒精准检测奠定了基础。本分离装置和方法取消了物理滤网等结构、避免了脏堵，并且该装置和方法集成度高、在线分离效果好，从而实现磨粒特征信息的精准提取。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置，包括：
压电基底，在压电基底上加工聚焦型叉指电极和微流通道，所述的微流通道的主通道与叉指电极的中轴线垂直，并且微流通道的几何中心与叉指电极的焦点重合，以保证润滑油中的磨粒在流经该区域时受声辐射力最强而发生不同程度的偏移；
叉指电极包括若干对弧形叉指，在外部激励信号的作用下产生沿压电基底表面传播的聚焦型声表面波，聚焦型声表面波在沿压电基底表面传播过程中，其强度在叉指电极的几何焦点处最大；
以叉指电极的几何焦点为中心布置微流通道，微流通道包含两个进口通道、一个主通道和若干个出口通道，出口通道的数量根据实际分离需求设计确定；叉指电极的几何焦点位于主通道内，微流通道的两个进口通道和若干个出口通道布置于微流通道主通道的两侧并与主通道连通。
进一步地，所述的压电基板的材质为铌酸锂(128°YX-LiNbO3)。
进一步地，所述的微流通道采用具有良好透光性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作，通过软光刻技术加工在压电机底上，保证微流通道与压电基底牢固结合且无泄漏。
进一步地，所述的微流通道采用具有良好透光性的PDMS制作，通过软光刻技术加工在压电机底上，所述的PDMS制作的微流通道在压电机底上呈“凹”型，即靠近叉指电极部分设置凹槽结构，以达到降低PDMS材料对声能量的吸收、充分利用叉指式电极上激发的声能量的目的。
由上述基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置形成的分离系统，包括信号发生器、功率放大器、基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置、微量泵和显微镜；信号发生器发出的激励信号输入功率放大器，激励信号经功率放大器放大后与基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置上的叉指电极相连；
微量泵用于将待分离润滑油和不含磨粒润滑油加入到微流通道入口；
显微镜置于基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置处，用于观察和监控基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置中的磨粒的分离过程。
进一步地，将润滑油磨粒分离装置固定在显微镜的载物台上，通过物镜观察确保微流通道中的分离区域处于显微镜视场内并且无倾斜，能够实时观测磨粒的分离过程。
进一步地，所述的显微镜通过电荷藕合器件图像传感器(CCD)连接计算机，便于观察和存储。
基于声表面波的润滑油中磨粒分离方法，步骤如下：
(1)组装分离系统的微流通道
将基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置的微流通道的两个进口分别与装有待分离的润滑油样品和不含磨粒的纯润滑油样品的微量泵连接，微流通道的出口分别连接磨粒收集容器和一个废弃润滑油收集容器连接，其中一个废弃润滑油收集容器连接到靠近叉指电极一侧的微流通道出口；
(2)组装分离系统的叉指电极
将信号发生器的输出信号经功率放大器与基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置的叉指电极的两极连接，调节信号发生器和功率放大器，使信号发生器发出的激励信号的频率f满足f＝v/λ,其中v表示声表面波在压电基底表面的传播速度，λ表示叉指电极间的距离；
(3)分离磨粒
开启微量泵，向微流通道内的两个进口注入润滑油，微量泵推动的润滑油样品和纯润滑油进入基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置的主通道内，同时，聚焦型叉指电极在激励信号的作用下产生沿压电基底表面传播的聚焦型声表面波，润滑油流经声表面波作用范围时，磨粒受声辐射力作用而发生偏移，偏移距离与磨粒的尺寸密切相关，偏移距离与磨粒的体积成正比关系，因此不同尺寸磨粒偏移的距离不同，最后流向微流通道的对应位置的出口进入不同的磨粒收集容器，而其余不含磨粒的润滑油从微流通道中靠近叉指电极的一侧出口流出进入废弃润滑油收集容器，从而实现了润滑油中磨粒的分离。
进一步地，将基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置固定在显微镜的载物台上，通过显微镜的物镜观察确保微流通道中的分离区域处于显微镜视场内并且无倾斜，能够实时观测磨粒的分离过程。
进一步地，所述的显微镜通过电荷藕合器件图像传感器(CCD)连接计算机，便于观察和存储。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明充分利用声表面波能量密度高、容易集成等优点，又与通过软光刻技术加工特定几何形状的微流通道相结合，实现了润滑油中磨粒的在线连续分离，为磨粒精准检测奠定了基础。本分离装置和方法取消了物理滤网等结构、避免了脏堵，并且该装置和方法集成度高、在线分离效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1中基于声表面波的润滑油中磨粒分离系统的结构示意图；
图中：1、基底；2叉指电极；3 PDMS；4出口；5主通道；6声表面波作用区域；7叉指电极焦点；8进口；9、微量泵；10、信号发生器；11、功率放大器；12、显微镜；13、磨粒收集容器；14、废弃润滑油收集容器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，一种基于声表面波的润滑油磨粒分离装置，包括压电基底1，压电基底1的材料为铌酸锂(128°YX-LiNbO3)；在压电基底1上加工聚焦型叉指电极2和微流通道，所述的微流通道的主通道5与叉指电极2的中轴线垂直，并且微流通道的几何中心与叉指电极2的焦点重合，以保证润滑油中的磨粒在流经该区域时受声辐射力最强而发生不同程度的偏移；
叉指式电极2是溅射的双层结构，底层铬(5纳米)和上层铂(80纳米)，既降低了叉指电极的阻抗，又提高了叉指式电极2与压电基底1的粘附性能。叉指式电极2包括50对弧形叉指，指条宽度为20微米，相邻指条间距也为20微米，交叉长度为7毫米，在外部激励信号正弦电压驱动下，产生沿压电基底1表面传播的频率为49.5MHz的声表面波，聚焦型声表面波在沿压电基底1表面传播过程中，其强度在聚焦型叉指电极1的几何焦点处最大；
以叉指电极2的几何焦点为中心布置微流通道，微流通道包含两个进口8通道、一个主通道5和四个4出口通道，叉指电极2的几何焦点位于主通道5内，微流通道的两个进口8通道和四个出口4通道布置于主通道5的两侧并与主通道5连通；微流通道为待分离润滑油样品流通通道，为磨粒不同程度的偏移提供空间并将分离后的磨粒以及不再包含磨粒的润滑油送至各自的出口8。
微流通道采用具有良好透光性的PDMS 3制作，便于对分离过程进行光学监测和记录，通过软光刻技术加工在压电机底上，保证微流通道与压电基底牢固结合且无泄漏。PDMS3的横截面为不规则的矩形即“凹”型，PDMS 3的高度为100微米，不同部位的宽度值不同，即靠近叉指电极部分设置凹槽结构，以达到降低PDMS 3材料对声能量的吸收、充分利用叉指式电极上激发的声能量的目的。微量通道中待分离润滑油样品和纯润滑油样品流入通道宽度为200微米，主通道为500微米，各出口通道为100微米。
如图2所示，由上述基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置形成的分离系统，包括信号发生器10、功率放大器11、基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置、微量泵9和显微镜，显微镜通过电荷藕合器件图像传感器(CCD)12连接计算机，便于观察和存储；信号发生器10发出的激励信号输入功率放大器11，激励信号经功率放大器11放大后与基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置上的叉指电极2相连；
微量泵9用于将待分离润滑油和不含磨粒润滑油加入到微流通道进口8；
显微镜置于基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置处，用于观察和监控基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置中的磨粒的分离过程。
将润滑油磨粒分离装置固定在显微镜的载物台上，通过显微镜的物镜观察确保微流通道中的分离区域处于显微镜1视场内并且无倾斜，能够实时观测磨粒的分离过程；显微镜通过CCD 12连接计算机，便于观察和存储。
基于声表面波的润滑油中磨粒分离方法，步骤如下：
(1)组装分离系统的微流通道
如图2所示，将基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置的微流通道的两个进口8分别与装有待分离的润滑油样品和不含磨粒的纯润滑油样品的微量泵9连接，微流通道的出口4分别连接磨粒收集容器13和一个废弃润滑油收集容器14连接，其中一个废弃润滑油收集容器14连接到靠近叉指电极2一侧的微流通道出口4；
(2)组装分离系统的叉指电极
如图2所示，将信号发生器10的输出信号经功率放大器11与基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置的叉指电极2的两极连接，调节信号发生器10和功率放大器11，使信号发生器10发出的激励信号的频率f满足f＝v/λ,其中v表示声表面波在压电基底1表面的传播速度，λ表示叉指电极2间的距离；调节信号发生器产生49.5MHz的正弦波，调节功率放大器使输出信号的幅值为10Vpp；
(3)组装分离系统的显微镜
将基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置固定在显微镜的载物台上，通过显微镜的物镜观察确保微流通道中的分离区域处于显微镜视场内并且无倾斜，能够实时观测磨粒的分离过程；显微镜通过电荷藕合器件图像传感器(CCD)12连接计算机，便于观察和存储。
(4)分离磨粒
开启微量泵9，向微流通道内的两个进口8注入润滑油，微量泵9推动的润滑油样品和纯润滑油进入基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置的主通道5内，同时，叉指电极2在激励信号的作用下产生沿压电基底表面传播的聚焦型声表面波，沿基底传播的声表面波与微流通道相遇时，因微流通道内润滑油液体的粘滞效应，部分声表面波会以瑞利角的方位辐射进微流通道并在微流通道内润滑油中以体波的形式继续传播；待分离润滑油流经叉指电极2焦点区域即润滑油流经声表面波作用范围时，其中的磨粒与在润滑油中传播的体波发生相互作用，磨粒受声辐射力作用而向微流通道中远离叉指电极的一侧偏移，偏移距离与磨粒的尺寸密切相关，偏移距离与磨粒的体积成正比关系，因此不同尺寸磨粒偏移的距离不同，最后流向微流通道的对应位置的出口4进入不同的磨粒收集容器13，而其余不含磨粒的润滑油从微流通道中靠近叉指电极的一侧出口4流出进入废弃润滑油收集容器14，从而实现了润滑油中磨粒的分离。
步骤(3)可以省略。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置，其特征在于，包括：
压电基底，在压电基底上加工聚焦型叉指电极和微流通道，所述的微流通道的主通道与叉指电极的中轴线垂直，并且微流通道的几何中心与叉指电极的焦点重合，以保证润滑油中的磨粒在流经该区域时受声辐射力最强而发生不同程度的偏移；
叉指电极包括若干对弧形叉指，在外部激励信号的作用下产生沿压电基底表面传播的聚焦型声表面波，聚焦型声表面波在沿压电基底表面传播过程中，其强度在叉指电极的几何焦点处最大；
以叉指电极的几何焦点为中心布置微流通道，微流通道包含两个进口通道、一个主通道和若干个出口通道，出口通道的数量根据实际分离需求设计确定；叉指电极的几何焦点位于主通道内，微流通道的两个进口通道和若干个出口通道布置于微流通道主通道的两侧并与主通道连通。
2.根据权利要求1所述的基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置，其特征在于，所述的压电基板的材质为铌酸锂(128°YX-LiNbO3)。
3.根据权利要求1所述的基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置，其特征在于，所述的微流通道采用具有良好透光性PDMS制作，通过软光刻技术加工在压电机底上，保证微流通道与压电基底牢固结合且无泄漏。
4.根据权利要求1所述的基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置，其特征在于，所述的微流通道采用具有良好透光性的PDMS制作，通过软光刻技术加工在压电机底上，所述的PDMS制作的微流通道在压电机底上呈“凹”型，即靠近叉指电极部分设置凹槽结构。
5.由权利要求1所述的基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置形成的分离系统，其特征在于，包括信号发生器、功率放大器、基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置、微量泵和显微镜；信号发生器发出的激励信号输入功率放大器，激励信号经功率放大器放大后与基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置上的叉指电极相连；
微量泵用于将待分离润滑油和不含磨粒润滑油加入到微流通道入口；
显微镜置于基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置处，用于观察和监控基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置中的磨粒的分离过程。
6.根据权利要求5所述的基于声表面波的润滑油中磨粒分离系统，其特征在于，将润滑油磨粒分离装置固定在显微镜的载物台上，通过物镜观察确保微流通道中的分离区域处于显微镜视场内并且无倾斜，能够实时观测磨粒的分离过程。
7.根据权利要求5所述的基于声表面波的润滑油中磨粒分离系统，其特征在于，所述的显微镜通过CCD连接计算机，便于观察和存储。
8.基于声表面波的润滑油中磨粒分离方法，其特征在于，步骤如下：
(1)组装分离系统的微流通道
将基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置的微流通道的两个进口分别与装有待分离的润滑油样品和不含磨粒的纯润滑油样品的微量泵连接，微流通道的出口分别连接磨粒收集容器和一个废弃润滑油收集容器连接，其中一个废弃润滑油收集容器连接到靠近叉指电极一侧的微流通道出口；
(2)组装分离系统的叉指电极
将信号发生器的输出信号经功率放大器与基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置的叉指电极的两极连接，调节信号发生器和功率放大器，使信号发生器发出的激励信号的频率f满足f＝v/λ,其中v表示声表面波在压电基底表面的传播速度，λ表示叉指电极间的距离；
(3)分离磨粒
开启微量泵，向微流通道内的两个进口注入润滑油，微量泵推动的润滑油样品和纯润滑油进入基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置的主通道内，同时，聚焦型叉指电极在激励信号的作用下产生沿压电基底表面传播的聚焦型声表面波，润滑油流经声表面波作用范围时，磨粒受声辐射力作用而发生偏移，偏移距离与磨粒的尺寸密切相关，偏移距离与磨粒的体积成正比关系，因此不同尺寸磨粒偏移的距离不同，最后流向微流通道的对应位置的出口进入不同的磨粒收集容器，而其余不含磨粒的润滑油从微流通道中靠近叉指电极的一侧出口流出进入废弃润滑油收集容器，从而实现了润滑油中磨粒的分离。
9.根据权利要求8所述的基于声表面波的润滑油中磨粒分离方法，其特征在于，将基于声表面波的润滑油中磨粒分离装置固定在显微镜的载物台上，通过显微镜的物镜观察确保微流通道中的分离区域处于显微镜视场内并且无倾斜，能够实时观测磨粒的分离过程。
10.根据权利要求8所述的基于声表面波的润滑油中磨粒分离方法，其特征在于，所述的显微镜通过CCD连接计算机，便于观察和存储。
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