CN110715899A - 用于油液状态监测的光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于油液状态监测的检测装置，包括：光纤，具有第一端和第二端，所述第二端具有端面。传感器主体，具有反射面和能够容纳油液样本的间隙，所述光纤的第二端嵌入所述传感器主体，具有隔所述间隙与所述反射面间隔分开的端面。从光纤射出的光线可以穿过所述油液样本，并被所述反射面反射回光纤中。通过对各个信号的干涉测量，可确定油液的状态。

Description

用于油液状态监测的光纤传感器
本申请为申请号201380081750.X、申请日2013年12月17日，发明名称为“用于油液状态监测的光纤传感器”的分案申请。
技术领域
本发明涉及油液状态监测(oil condition monitoring)，具体来说，涉及一种用于检测油液或类似物中水的存在和水含量的传感器。本发明还涉及一种监测油液中水的存在的方法。
背景技术
光学传感器已用在确定残渣存在的油液状态监测中，或监视润滑剂的劣化等其他方面。这种装置可被操作，该操作可通过使透过小间隙(gap)的光闪耀，并使用合适的光学传感器分析传输的光来进行分析。可选的传感器可以利用光的散射在包括可见范围之外的不同频率上进行操作。油液状态监测的重要之处在于，在润滑系统可能发生故障之前提供反馈。从而采取修理，或者更新润滑剂等行动。
油液中的水分是许多机械系统的心腹之患。来自大气或直接进入到系统中的最少量的水可在使用期间被油液吸收。只要水处于被吸收的状态，且油尚未饱和，则不足为患。然而，随着水的浓度接近饱和水平，乳化状态和自由状态的水则会出现，这可能会造成极大的危害，特别是当问题久拖不决时。在轴承中，水相对于油液中不可压缩性会导致油膜的破坏，进而导致轴承的过度磨损。油液中仅含百分之一的水会减少轴承高达百分之九十的平均寿命。针对滚珠轴承或滚动体轴承，产生的局部压力会导致水的自然气化，从而导致诸如微腐蚀(micropitting)之类的冲蚀磨损。水在油液中的饱和程度根据油液中温度和类型可能变化很大，能在10ppm到10000ppm之间变化。能够测量水的存在(游离且溶解)的现有传感器包括电容传感器和Karl Fischer滴定传感器。这两种方法都需要传感器花费相当长的时间来达到平衡，并且对状态迅速改变的情形，并不理想。光谱分析已采用傅立叶变换红外光谱学(FTIR)进行，但是，相对于使用新油液产生的光谱，这种需要对传感器进行校准的光谱分析方法，相对复杂和程序繁琐。
在申请号为PCT/EP2012/075437的待审(co-pending)申请中，已经提出这样的传感器：通过这种传感器，油液中的水可方便地被检测到，并且由此对设备的校准可被简化。在申请号为PCT/EP2012/075395的待审申请中，一种替代性做法被提出，该做法提出使用成本-效益LED(cost-effective LED's)。这些文档的内容通过引用而全部并入于此。在这两种情况下，传感器有一个间隙，该间隙用于在发射器与接收器之间通过在油液中样本中传输光。来自发射器的光穿透油液，被接收器检测到，被检测到的光代表的光信号被分析，以确定信号波动量。信号波动中的阶跃变化可以指示油液中饱和度。
虽然前述提出的装置已被发现能准确地运行，但是，既可以提高它们对外部因素的灵敏度，又可以简化它们的构造，这样的装置是期望的。
发明内容
根据本发明，提供一种用于油液状态监测的检测装置，包括：光纤，具有第一端和第二端，所述第二端具有端面；传感器主体，具有反射面和能够容纳油液样本的间隙，所述光纤的第二端嵌入所述传感器主体，具有隔所述间隙与所述反射面间隔分开的端面，使得光纤射出的光线可以穿过所述油液样本，并被所述反射面反射回光纤中。作为提出的构造的结果，相较于先前设计，传感器对外部因素不太敏感。用于感测构造中的光纤对弯曲相当敏感。随着光纤的弯曲曲率改变，穿过光纤的信号的幅度改变很大。使用现有感测系统的一种结果是，整个系统在操作期间应当不受几何改变的约束。根据现在申请的检测装置，信号通道包括镜子，以及光纤内部反射的第一光信号与镜子反射的第二光信号之间的光干扰可被监测到。在这种方式中，因光纤曲率改变产生的幅度信号改变可以被排除。
在本发明的优选实施例中，在所述端面与反射面之间的所述间隙小于1毫米，优选情况下小于0.5毫米，最优情况下大致在0.2毫米左右。实际的间隙大小可根据正在处理的油液中性质来选择。由于信号在再次进入光纤之前通过间隙两次，所以，在现在申请的构造中，间隙可能是传感器与光源相对时相应间隙的宽度的一半左右。
传感器主体可由任何材料制造，包括金属、塑料及类似物，这些尤其适用于保护传感器主体在机械方面和化学方面免受外部影响。更优选地，传感器主体由陶瓷材料制成，比如，传统用于光纤连接器的套接管。
根据本发明的另一重要方面，光纤可以以刚性方式植入传感器主体中，以避免传递到传感器主体的任何移动或振动。优选地，光纤以至少5毫米的长度植入传感器主体中。
检测装置可使用适合的光源来进行操作，并可进一步包括连接到光纤第一端的光源。更优选地，光源是激光源。激光源可在850纳米至1750纳米范围的频率内工作。
任何适合的检测布置可用于查询传感器。更优先地，所述检测装置还包括连接到光纤第一端的干涉仪，被设置用于将所述端面内部反射的第一光信号与反射表面反射的第二光信号进行比较。由光纤的端面反射的第一光信号作为干扰信号用在干扰仪中。在反射面反射的第二光信号是测量信号，所述干扰测量信号以干扰方式叠加到干扰信号。由光纤弯曲导致的任何幅度改变将以固定比例的方式影响干扰信号和测量信号两者。按照这种方式，由光纤弯曲导致的幅度改变变成已知因素。可通过去除已知因素来计算表示油水饱和程度的实际幅度改变。因此，检测装置不受任何具体几何的限制，并且可在不扰乱校准的情况下发生移动。
本领域技术人员将很清楚光源和干扰仪将被连接入光纤的适合的方式。在一个优选构造中，光源和干扰仪可经由光开关连接。这种光开关可以是半反射镜或棱镜的形式。也可以使用其它相似的分束镜。
本发明还涉及一种对机械系统中的油液进行状态监测的方法，包括：将光纤的端面与反射面以间隔方式进行布置；提供油液的样来本填充所述端面与反射面之间的间隙；通过光纤向所述端面传输光线，使光线的第一部分在所述端面被内部反射为第一光信号，使光线的第二部分穿过油液，被所述反射面反射进入光纤，成为第二光信号。
在一个实施例中，所述光线可选择具有被校准至所述间隙的主频率(primaryfrequency calibrated to the gap)，使得第一光信号和第二光信号彼此相长干涉(constructively interfere)。换言之，光的波长和间隙宽度将被准确地选择，使得光波相位相同(同相)。应当理解，虽然参考了频率的选择，但也可以选择以间隙或者端面相对于反射面的位置来匹配频率。
在本发明的另一实施例中，分析第一光信号和第二光信号的步骤包括扫描频谱，以识别第一光信号和第二光信号叠加在一起的最大值。使用扫描光学分光仪能够使所述系统确定光信号同相的频率。此时，由于溶解的水(dissolved water)的存在，相对幅度变化相对于期望的幅度变化会更好。应当理解的是，较低的组合信号可能归因于第二光信号的衰减或信号异相，并可能被相互抵消。通过扫描信号处于同相位置时的频率信号，这种不确定性可能被避免。应当理解的是，扫描可能被限制在光信号被期望处于同相时的区域，并且一旦建立可能仅会略微变化。
优选地，分析第一光信号和第二光信号的步骤包括：确定第二光信号相对于第一光信号的相对衰减，并将该相对衰减与反映油液中水饱和程度的预定值进行比较。所述检测装置可针对具有预定饱和程度的油提前进行校准。所述预定值可作为查找表(look-uptables)存储在合适的存储器中，并且这些值之间的外推法(extrapolation)可被用于确定瞬间饱和程度。
所述检测装置还可用于识别游离水(free water)变成当前饱和度(即，100％)的点。已经观察到，油液中出现游离水的时间点信号特性的明显变化可被注意到。低于饱和程度时，第二光信号的幅度相对稳定，并且仅在吸收的含水量增加时，稳定性降低。随着水量接近饱和，第二光信号变得相当不稳定，并可出现噪声。在不希望受理论约束的情况下，可信的是，游离水的泡沫可以以类似于液体的空穴或沸腾的方式在油液内形成。随着这些泡沫通过传感器，它们对信号产生干扰，有效导致光的更大吸收和出现更低的第二光信号。上述效果的显著优点在于，所述检测装置可被容易地现场校准为饱和程度，而无需油或传感器特性的知识。此外，传感器在可忽略的延迟情况下，能够提供识别游离水在油液中的存在的实时结果。
对本领域技术人员而言，可以以很多方式来确定游离水的出现及信号波动中的阶跃变化，是显而易见的。这可以在复查光信号的数据流记录时以可视化地、手动地确定。可选地和优选地，所述方法可通过使用合适的算法的信号处理器来实现。在本发明的一个实施例中，可通过在采样周期内测量光信号的峰值变化的最大峰值来确定波动值。采样周期可根据各种因素来选择，包括对光信号进行测量的采样率，以及基于各种物理因素(诸如，正监控的油液中流速)。应当理解的是，所述采样周期将包括至少两个样本，优选地，包括四个样本，更优选地，至少包括10个样本。
虽然跨频率范围的光可能被用于实现本发明，但是，优选地所述光线包括850纳米至1750纳米范围内的红外光。
优选地，可使用控制器来实现所述处理，其中，所述控制器可以是任何适合的处理装置，诸如，计算机或专用微处理器。除了其它控制任务之外，优选地，控制器被布置为确定所述光信号的波动超出预设值的情况。具体来说，控制器可实现如上所述的信号分析、采样和过滤。
本领域技术人员可理解的是，本发明的传感器可油液中水被记录的多种不同情形下实施。优选地，光传感器位于机械系统的供油管中。所述机械系统可以是电机、齿轮、轴承、轴颈、凸轮或包括以上组件中的一个以上的复杂系统。
附图说明
根据参照以下示例性实施例的附图，本发明的特征和优点将被理解，其中：
图1示出根据本发明的系统的示意图；
图2示出由频谱分析仪接收到的光信号的曲线图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于油液状态监测的检测装置1的示意图。检测装置1包括传感器主体2和光纤4。光纤4具有第一端6和第二端8，其中，第二端8具有半反射端面10，这可使用适当的半反射镜涂层来实现。第二端8穿过传感器主体2嵌入在通道12中，使得端面10与传感器主体2延伸形成的间隙14接触。从通道12的方向看，在间隙14的对面，是面向光纤4的端面10的反射面16
在光纤4的第一端6，光纤4通过半反射镜20被连接到激光源22和频谱分析仪24。半反射镜20用作激光源22与频谱分析仪24之间的光开关，这将在以下进行详细描述。
在使用中，传感器主体2位于机械系统(未示出)内，使得油液A收容于间隙14内。来自激光源22的光线L被耦合进光纤4并通过光纤4引导在端面10射出。光线L中的一部分在内部被端面10的半反射面反射并通过光纤返回，作为第一光信号S1。光线L的剩余部分进入并穿过间隙14中的油液A，触碰到反射面16，反射面16将其反射回间隙14，并进入光纤4的第二端面8，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4和半反射镜20被传输到频谱分析仪24。对频谱分析仪24进行操作以扫描频谱并确定信号S1、S2相长干扰(constructivelyinterfere)的频率。概言之，一旦确定，该频率针对给定配置将保持相对稳定，并能够被标识为在S1+S2的复合信号中的最大值。
第一光信号S1被用作参考信号。第二光信号S2被叠加到第一光信号S1以确认干扰方式。由光纤4弯曲而引起的任何幅度变化将以固定比例方式影响信号S1和信号S2。这种因光纤弯曲而引起幅度变化的情形已成为公知因素。实际的幅度变化可通过消除该公知因素来计算，该实际幅度变化可反映油液在水中的饱和度。基于此，测量系统可不受限于任何固定的几何形状。
图2示出光信号S1和S2以及复合信号S1+S2的曲线图。当信号S1和S2相位相同时，复合信号S1+S2处于最大值，是两个信号的和。在正常情况下，信号S1将相对恒定，这是因为它的反射不依赖于油液中状态。信号S2根据油液内吸收的水量而衰减。信号S2’表示油液A中的水已导致信号S2’衰减的样本。当油液中水的相对饱和度在100％以下时，油液中含水量的增加，S2’的衰减是相对线性变化的。针对衰减的值，可提前提供并存储在合适的存储器(未示出)中的查找表(look-up)里。从而随后能够将测量的值与预校准的值进行比较，以确定油液中相对饱和度。在这种背景下，与发生分离的油液中的最大水含量相比较而言，相对饱和度可被理解为绝对含水量。
还要注意的是：在使用期间，由于套接管的膨胀，油温的任何变化会导致间隙14的宽度变化。这将导致第二光信号相对于第一光信号的相位延迟。因此，在通过分别评估第一信号与第二信号之间的相位变化和幅度变化来进行分析的期间，油温也可能被考虑。
综上，参照前述讨论的实施例，已对本发明进行了描述。要意识到的是：在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本实施例易于本领域技术人员已知的各种修改和可选形式。具体来说，为了在机械系统中实现，检测单元(cell)可位于供油管中，使得油液供应中的一部分经过间隙。此外，可在位于现场或远程的个人计算机或专用控制器或微控制器中进行信号的分析。因此，虽然已经描述了特定实施例，但是这些仅为示例，本发明的范围并不受限于此。

Claims (13)

1.一种用于油液状态监测的检测装置，包括：
光纤，具有第一端和第二端，所述第二端具有端面；
其中，所述端面具有半反射涂层；
传感器主体，具有反射面和能够容纳油液样本的间隙，所述光纤的第二端嵌入所述传感器主体，并且具有隔所述间隙与所述反射面间隔分开的所述端面，
其中，从所述光纤射出的光的第一部分被所述端面向内部反射到所述光纤内而成为第一光信号，
其中，从所述光纤射出的光的第二部分穿过所述端面和所述油液样本，并被所述反射面反射进入所述光纤内而成为第二光信号，以及
连接到所述光纤的第一端的干涉仪，所述干涉仪被设置用于将所述第一光信号与所述第二光信号进行比较，以确定所述第二光信号因所述油液中水的存在而产生的衰减量。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述端面与反射面之间的所述间隙小于1毫米，优选情况下小于0.5毫米，最优情况下大致在0.2毫米左右。
3.根据前述任一权利要求所述的检测装置，其特征在于，所述传感器主体由陶瓷材料制成。
4.根据前述任一权利要求所述的检测装置，其特征在于，所述光纤以至少5毫米的长度被植入传感器主体中。
5.根据前述任一权利要求所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括连接到光纤第一端的光源。
6.根据前述任一权利要求所述的检测装置，其特征在于，所述光源和干涉仪经由光开关连接。
7.根据权利要求5或6所述的检测装置，其特征在于，所述光源是红外激光源。
8.一种在机械系统中进行油液状态监测的方法，包括：
将光纤的端面与反射面以间隔方式进行布置；所述端面具有半反射涂层；
提供油液样本来填充所述端面与反射面之间的间隙；
通过光纤向所述端面传输光线，使光线的第一部分在所述端面被内部反射为第一光信号，使光线的第二部分穿过油液，被所述反射面反射进入光纤，成为第二光信号；
比较所述第一光信号与所述第二光信号，以确定第二光信号因油液中水的存在而产生的衰减量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光线具有被校准到所述间隙的主频率，使得第一光信号和第二光信号彼此相长干涉。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，分析第一光信号和第二光信号的步骤包括扫描频谱，以识别出第一光信号与第二光信号叠加在一起的最大值。
11.根据权利要求8至权利要求10所述的方法，其特征在于，比较第一光信号和第二光信号包括确定第二光信号相对于第一光信号的相对衰减，并将该相对衰减与反映油液中水饱和程度的预定值进行比较。
12.根据权利要求8至权利要求11中的任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述光线包括850纳米至1750纳米范围内的红外光。
13.根据权利要求1至权利要求7中的任一权利要求所述的检测装置，进一步包括能够根据权利要求8至12中的任一权利要求所述的方法来分析光信号的控制器。
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