CN112986077B - 一种用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置，该装置用于检测液压油、滑油等油液中的金属颗粒污染物。利用新型电桥的不平衡性保证油液检测电路初始状态时输出电压为“零点位”，一旦有金属颗粒污染物经过检测线圈，电路输出端输出电压值产生波动，极大的提升对铁磁性和非铁磁性颗粒污染物的检测精度；利用新型电桥的两个检测线圈分别作为两个检测单元，实现双通道检测，提高检测油液的通量。本发明通过传感单元、信号处理模块和显示模块结合为第一数据测量单元，可以实现油液检测便携化，通过传感单元、信号处理模块、无线数据传输模块和计算机结合为第二数据测量单元，可以实现油液检测远程化。

Description

一种用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置

技术领域

本发明涉及油液系统故障检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置。

背景技术

液压系统元件是建筑工程机械、工程车辆、矿山机械、农业机械、塑料机械、冶金机械、航空、船舶等行业的配套产品。液压系统中润滑油作为机械设备的血液，在设备中内部流通，保证其正常运行。但是一旦润滑油受到污染，造成的影响将加剧设备故障的速度，最终导致机械零部件失效，引起液压故障。据有关资料显示，液压系统中约80％的工作不稳定以及各类故障的出现与液压系统中液压油的污染有关。其中，油液中固体颗粒污染物造成的故障占总污染种类的80％。因此，分析磨粒所蕴含的摩擦学信息对机械设备健康状况监控至关重要。磨粒能够直接反应摩擦学表面的磨损机理，通过对磨粒的分析，可以检测磨损状态，实现对机械设备运行状态监控和预警。当机械系统正常工作时，油液中磨粒的浓度和大小较为稳定，粒径通常为10～20μm，当出现异常磨损时，油液中磨粒的浓度增加，其大小将增至50～100μm，具有潜在危险。

目前，常规的油液检测技术主要包括实验室检测法和颗粒计数法，实验室检测法包括铁谱分析法和光谱分析法，颗粒计数法包括声学检测法、电容检测法、电感检测法和光学检测法等。颗粒计数法是当颗粒通过检测装置时产生脉冲，根据脉冲的数量和幅值的大小对油液中的颗粒进行计数、属性判断和尺寸测量，对液压系统的磨损状况做出准确的分析。其中，声学检测法和光学检测法精度较高，但是，其易受环境噪声和油液透光度影响，不适用于环境噪声较大，油液透光性差的大型机械系统的检测。电容检测法具有较高的检测精度，但易受水分的气泡的影响。相比较而言，电感检测法不易受其他因素，更适用于油液中的金属颗粒检测。电感检测法中，根据线圈结构的类型可分为单线圈结构传感芯片、双线圈结构传感芯片、三线圈结构传感芯片。单线圈结构传感芯片利用单个通电线圈在流体管道上，测量管道内磨粒通过时对其产生的电感变化量。由于信号输出端的基础电感远大于磨粒电感，此非差动结构的单线圈结构传感芯片灵敏度和可靠性低。双线圈结构传感芯片利用一个参考线圈和检测线圈串联，外接信号处理电路，从而实现初始电位“零点位”。但是外接的信号处理电路，增加了双线圈结构传感芯片的复杂程度。三线圈结构传感芯片利用三个线圈绕制在管道上，可以两个线圈作为激励线圈，一个线圈作为检测线圈，也可以两个线圈作为检测线圈，一个线圈作为激励线圈。其核心即，保证初始状态时磁场相互抵消检测线圈输出“零点位”。但三线圈结构在制作过程中，无法保证左右两端线圈的对称性，初始电压基值存在不平衡电压，无法输出“零电位”。

发明内容

根据上述提出现有的油液检测电路初始状态时无法直接获取“零点位”，导致检测精度不足以及电路复杂，不利于油液检测装置便携化、远程化，以及检测通量有限的问题，而提供一种用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置。

本发明采用的技术手段如下：

一种用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置，包括第一数据测量单元和第二数据测量单元，所述第一数据测量单元和第二数据测量单元均包括共用的微流控芯片、嵌入微流控芯片中的传感单元、信号处理单元；其中：

所述微流控芯片包括载玻片、设置在载玻片上的PDMS基底、设置在PDMS基底内部的微流道入口、微流道出口以及连通微流道入口和微流道出口的矩形微流道；

所述传感单元包括对称设置在所述矩形微流道两侧且串联的第一电阻和第二电阻、串联的第一检测线圈和第二检测线圈；串联的第一电阻和第二电阻与串联的第一检测线圈和第二检测线圈并联，形成第一接线端口、第二接线端口、第三接线端口以及第四接线端口；

所述信号处理单元集成了激励模块、数据采集模块以及通信模块；激励模块连接所述第一接线端口和第三接线端口，用于为所述传感单元提供激励信号；数据采集模块连接所述第二接线端口和第四接线端口，用于对所述传感单元输出的信号进行处理；

所述第一数据测量单元还包括显示模块，显示模块连接所述数据采集模块，用于显示波形信号；

所述第二数据测量单元还包括外接的无线数据传输模块以及计算机；无线数据传输模块接收所述信号处理单元处理后颗粒污染物对应的波形信号，并远程传输至计算机。

进一步地，所述第一电阻和第二电阻的电阻值相同，且包括定值电阻或可调电阻的一种或两种的结合。

进一步地，所述第一检测线圈和第二检测线圈的阻值相同，且包括单螺线管线圈、双导线线圈或平面电感线圈的一种。

一种基于上述用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置中微流控芯片的制作方法，包括如下步骤：

S1、将微流道模具和传感单元按既定的位置固定在载玻片上；

S2、在载玻片上浇注模型材料PDMS，并将传感单元的第一接线端口、第二接线端口、第三接线端口以及第四接线端口布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S3、将浇注好模型材料的芯片放置在烘箱中，用80℃的温度烘烤1小时，使模型材料固化；

S4、将检测通道模具从固化后的模型材料中抽出，用打孔器在微流道两端分别开孔，形成微流道入口和微流道出口。

一种用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置的数据处理方法，包括：

步骤1、激励模块输出激励信号给传感单元；

步骤2、待检测油样进入传感单元；

步骤3、传感单元输出与颗粒污染物数量和大小相关的电压信号给数据采集模块；

步骤4、数据采集模块对采集到的与颗粒污染物数量和大小相关的电压信号进行处理，再利用数模转换器将处理后的电压信号转换成数字信号，执行步骤5或步骤6；

步骤5、通信模块获取数字信号，将其转化为颗粒污染物对应的波形信号，输出给显示模块；

步骤6、通信模块获取数字信号，将其转化为颗粒污染物对应的波形信号和大小值，输出给无线数据传输模块，无线数据传输模块接收信号处理模块处理后的颗粒污染物对应的波形信号，远程传输至计算机。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置，利用电桥的不平衡性，采用比较法测量，实现初始状态输出“零电位”，提升对铁磁性和非铁磁性的检测精度；

2、本发明提供的用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置，采用两个检测线圈分别作为两个检测单元，实现双通道同步检测，提高检测油液的通量；

3、本发明提供的用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置，能够同时实现油液检测远程化监测和便携化检测。

基于上述理由本发明可在油液系统故障检测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明微流控芯片与传感单元结构图。

图3为本发明传感单元结构图。

图4为本发明传感单元与信号处理模块的连接示意图。

图5为本发明检测方法流程图。

图6为本发明实施例提供的检测45μm铁颗粒信号图。

图中：1、微流道入口；2、第一电阻；3、微流道出口；4、PDMS基底；5、第一检测线圈；6、第二电阻；7、载玻片；8、传感单元；9、信号处理单元；10、显示模块；11、无线数据传输模块；12、计算机；13、激励模块；14、数据采集模块；15、通信模块；16、第二检测线圈；17、第一接线端口；18、第二接线端口；19、第三接线端口；20、第四接线端口。

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。

如图1所示，本发明提供了用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置，包括第一数据测量单元和第二数据测量单元，所述第一数据测量单元和第二数据测量单元均包括共用的微流控芯片、嵌入微流控芯片中的传感单元、信号处理单元；其中：

如图2所示，微流控芯片包括载玻片7、设置在载玻片7上的PDMS基底4、设置在PDMS基底4内部的微流道入口1、微流道出口3以及连通微流道入口1和微流道出口3的矩形微流道；

如图3、4所示，传感单元8包括对称设置在所述矩形微流道两侧且串联的第一电阻2和第二电阻6、串联的第一检测线圈5和第二检测线圈16；串联的第一电阻2和第二电阻6与串联的第一检测线圈5和第二检测线圈16并联，形成第一接线端口17、第二接线端口18、第三接线端口19以及第四接线端口20；

继续参见图1，信号处理单元9集成了激励模块13、数据采集模块14以及通信模块15；激励模块13连接所述第一接线端口17和第三接线端口19，用于为所述传感单元8提供激励信号；数据采集模块14连接所述第二接线端口18和第四接线端口20，用于对所述传感单元8输出的信号进行处理；

所述第一数据测量单元还包括显示模块10，显示模块10连接所述数据采集模块14，用于显示波形信号；所述第一数据测量单元，通过传感芯片8、信号处理模块9和显示模块10，可实现油液检测便携化(如图1所示)，数据采集模块1)对传感单元8输出的信号进行处理，利用数模转换器将处理后的电压信号转换成数字信号。通信模块15获取数据采集模块14输出的数字信号，将其转化为颗粒污染物对应的波形信号。通信模块15与显示模块10相连，颗粒污染物对应的波形信号显示在显示模块10上。

所述第二数据测量单元还包括外接的无线数据传输模块11以及计算机12；无线数据传输模块11接收所述信号处理单元9处理后颗粒污染物对应的波形信号，并远程传输至计算机12。所述第二数据测量单元通过传感单元8、信号处理模块9、无线数据传输模块11和计算机12，可实现油液检测远程化。第二数据测量单元的信号获取以及信号处理方法同第一数据测量单元相同，共用一个传感单元8和一个信号处理模块9，但外接无线数据传输模块11和计算机12。无线数据传输模块11接收信号处理单元9处理后的颗粒污染物对应的波形信号，远程传输至计算机12。

本发明的检测方式为“单激励，双通道，单处理，双监控”模式。具体的：

信号处理单元9上的激励模块13为传感单元8提供激励信号(例如交流信号、直流信号)，实现单激励。

传感单元8中的第一检测线圈5和第二检测线圈16分别作为两个检测通道，可同时检测油液中的金属颗粒污染物，输出和金属颗粒污染物相关的电压信号，实现双通道检测。

当没有金属颗粒污染物通过第一检测线圈5或第二检测线圈16时，由于阻值相同的第二电阻6和第一电阻2与阻值相同的第一检测线圈5和第二检测线圈16并联在一起，第二接线端口18和第四接线端口20输出电压为0mv。即，检测初始状态时，输出端输出电压值为“零点位”。一旦有金属颗粒污染物经过第一检测线圈5或第二检测线圈16，输出端输出电压值产生波动。信号处理单元9上的数据采集模块14、通信模块15对该波动电压信号进行采集并处理，实现信号单处理。

通过第一数据测量单元和第二数据测量单元分别实现油液检测便携化和远程化监控，实现机械磨损状态双监控。

本发明中的新型电桥对金属颗粒污染物的检测机理如下：

当磁性金属颗粒污染物通过第一检测线圈5时，由于磁性金属颗粒污染物被磁化的强度大于第一检测线圈5产生的电涡流效应，第一检测线圈5所占分压比第二检测线圈16大，第一电阻2和第二电阻6所占分压不变。因此，电流从高电位流向低电位，第二接线端口18和第四接线端口20输出电压峰值增大。

当磁性金属颗粒污染物通过第二检测线圈16时，由于磁性金属颗粒污染物被磁化的强度大于第二检测线圈16产生的电涡流效应，第二检测线圈16所占分压比第一检测线圈5大，第一电阻2和第二电阻6所占分压不变。因此，电流从高电位流向低电位，第二接线端口18和第四接线端口20输出电压峰值减小。

当非磁性金属颗粒污染物通过第一检测线圈5时，电涡流效应大于磁化作用，第一检测线圈5所占分压比第二检测线圈16小，第一电阻2和第二电阻6所占分压不变。因此，电流从高电位流向低电位，第二接线端口18和第四接线端口20输出电压峰值减小。

当非磁性金属颗粒污染物通过第二检测线圈16时，由于电涡流效应大于磁化作用，第一检测线圈5所占分压比第二检测线圈16大，第一电阻2和第二电阻6所占分压不变。因此，电流从高电位流向低电位，第二接线端口18和第四接线端口20输出电压峰值增大。

输出电压峰值的变化次数以及变化量大小即为颗粒污染物浓度和大小信息，从而实现对油液中铁磁性颗粒污染物和非铁磁性颗粒污染物的检测。如图6所示，为本发明实施例提供的检测45μm铁颗粒信号图。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一电阻2和第二电阻6的电阻值相同，且包括定值电阻或可调电阻的一种或两种的结合。可以为两个阻值相同的定值电阻，也可以为一个定值电阻，另一个为可调电阻等组合。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一检测线圈5和第二检测线圈16的阻值相同，且包括单螺线管线圈、双导线线圈或平面电感线圈的一种。可以为两个参数相同的单螺线管线圈，可以为两个参数相同的双导线线圈，也可以两个平面电感线圈等。

本发明还提供了一种用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置中微流控芯片的制作方法，包括如下步骤：

S1、将微流道模具和传感单元按既定的位置固定在载玻片上；

S2、在载玻片上浇注模型材料PDMS，并将传感单元的第一接线端口、第二接线端口、第三接线端口以及第四接线端口布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S3、将浇注好模型材料的芯片放置在烘箱中，用80℃的温度烘烤1小时，使模型材料固化；

S4、将检测通道模具从固化后的模型材料中抽出，用打孔器在微流道两端分别开孔，形成微流道入口和微流道出口。

如图5所示，本发明还提供了一种用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置的数据处理方法，包括：

步骤1、激励模块输出激励信号给传感单元；

步骤2、待检测油样进入传感单元；

步骤3、传感单元输出与颗粒污染物数量和大小相关的电压信号给数据采集模块；

步骤4、数据采集模块对采集到的与颗粒污染物数量和大小相关的电压信号进行处理，再利用数模转换器将处理后的电压信号转换成数字信号，执行步骤5或步骤6；

步骤5、通信模块获取数字信号，将其转化为颗粒污染物对应的波形信号，输出给显示模块；

步骤6、通信模块获取数字信号，将其转化为颗粒污染物对应的波形信号和大小值，输出给无线数据传输模块，无线数据传输模块接收信号处理模块处理后的颗粒污染物对应的波形信号，远程传输至计算机。

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 (5)

1.一种用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置，其特征在于，包括第一数据测量单元和第二数据测量单元，所述第一数据测量单元和第二数据测量单元均包括共用的微流控芯片、嵌入微流控芯片中的传感单元、信号处理单元；其中：

所述微流控芯片包括载玻片、设置在载玻片上的PDMS基底、设置在PDMS基底内部的微流道入口、微流道出口以及连通微流道入口和微流道出口的矩形微流道；

所述传感单元包括对称设置在所述矩形微流道两侧且串联的第一电阻和第二电阻、串联的第一检测线圈和第二检测线圈；串联的第一电阻和第二电阻与串联的第一检测线圈和第二检测线圈并联，形成第一接线端口、第二接线端口、第三接线端口以及第四接线端口；

所述信号处理单元集成了激励模块、数据采集模块以及通信模块；激励模块连接所述第一接线端口和第三接线端口，用于为所述传感单元提供激励信号；数据采集模块连接所述第二接线端口和第四接线端口，用于对所述传感单元输出的信号进行处理；

所述第一数据测量单元还包括显示模块，显示模块连接所述数据采集模块，用于显示波形信号；所述第一数据测量单元通过传感芯片、信号处理模块和显示模块，实现油液检测便携化，数据采集模块对传感单元输出的信号进行处理，利用数模转换器将处理后的电压信号转换成数字信号；通信模块获取数据采集模块输出的数字信号，将数字信号转化为颗粒污染物对应的波形信号；通信模块与显示模块相连，颗粒污染物对应的波形信号显示在显示模块上；

所述第二数据测量单元还包括外接的无线数据传输模块以及计算机；无线数据传输模块接收所述信号处理单元处理后颗粒污染物对应的波形信号，并远程传输至计算机；所述第二数据测量单元通过传感单元、信号处理模块、无线数据传输模块和计算机，实现油液检测远程化；第二数据测量单元的信号获取以及信号处理方法同第一数据测量单元相同，共用一个传感单元和一个信号处理模块，但外接无线数据传输模块和计算机；无线数据传输模块接收信号处理单元处理后的颗粒污染物对应的波形信号，远程传输至计算机；

所述用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置的检测方式为“单激励，双通道，单处理，双监控”模式，具体的：

信号处理单元上的激励模块为传感单元提供激励信号，实现单激励；

传感单元中的第一检测线圈和第二检测线圈分别作为两个检测通道，同时检测油液中的金属颗粒污染物，输出和金属颗粒污染物相关的电压信号，实现双通道检测；

当没有金属颗粒污染物通过第一检测线圈或第二检测线圈时，由于阻值相同的第二电阻和第一电阻与阻值相同的第一检测线圈和第二检测线圈并联在一起，第二接线端口和第四接线端口输出电压为0mv；即，检测初始状态时，输出端输出电压值为“零点位”；一旦有金属颗粒污染物经过第一检测线圈或第二检测线圈，输出端输出电压值产生波动；信号处理单元上的数据采集模块、通信模块对该波动电压信号进行采集并处理，实现信号单处理；

通过第一数据测量单元和第二数据测量单元分别实现油液检测便携化和远程化监控，实现机械磨损状态双监控。

2.根据权利要求1所述的用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻的电阻值相同，且包括定值电阻或可调电阻的一种或两种的结合。

3.根据权利要求1所述的用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置，其特征在于，所述第一检测线圈和第二检测线圈的阻值相同，且包括单螺线管线圈、双导线线圈或平面电感线圈的一种。

4.一种基于权利要求1-3中任意一项权利要求所述的微流控芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将微流道模具和传感单元按既定的位置固定在载玻片上；

S2、在载玻片上浇注模型材料PDMS，并将传感单元的第一接线端口、第二接线端口、第三接线端口以及第四接线端口布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S3、将浇注好模型材料的芯片放置在烘箱中，用80℃的温度烘烤1小时，使模型材料固化；

S4、将检测通道模具从固化后的模型材料中抽出，用打孔器在微流道两端分别开孔，形成微流道入口和微流道出口。

5.一种基于权利要求1-3中任意一项权利要求所述用于机械设备健康监控的新型电桥油液测量装置的数据处理方法，其特征在于，包括：

步骤1、激励模块输出激励信号给传感单元；

步骤2、待检测油样进入传感单元；

步骤3、传感单元输出与颗粒污染物数量和大小相关的电压信号给数据采集模块；

步骤4、数据采集模块对采集到的与颗粒污染物数量和大小相关的电压信号进行处理，再利用数模转换器将处理后的电压信号转换成数字信号，执行步骤5或步骤6；

步骤5、通信模块获取数字信号，将其转化为颗粒污染物对应的波形信号，输出给显示模块；

步骤6、通信模块获取数字信号，将其转化为颗粒污染物对应的波形信号和大小值，输出给无线数据传输模块，无线数据传输模块接收信号处理模块处理后的颗粒污染物对应的波形信号，远程传输至计算机。

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