CN114137061A - 一种含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器及油液检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器及油液检测方法，包括：电性连接的油液检测装置和激励‑检测单元；油液检测装置包括微流体芯片和传感单元，微流体芯片包括油液入口，微流道和储油槽；传感单元包括平面线圈和四块具有极高磁导率的矩形材料，平面线圈垂直于微流道，且与微流道同心；四块矩形材料设置于平面线圈一侧，且以相邻材料之间夹角90度围绕微流道外表面环形放置；激励‑检测单元通过绝缘导线与传感单元连接，以给平面线圈施加高频交流电激励。本发明可实现对机械设备金属磨粒的区分检测，简单便捷，具有检测速度快、精度高、成本低等优点，适用范围广泛，可以快速、准确、低成本、免维护的在线检测油液中的金属污染物。

Description

一种含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器及油液检测 方法

技术领域

本发明涉及机械设备油液检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器及油液检测方法。

背景技术

磨损是船舶机械设备的摩擦副在相对运动中其材料不断转移的过程，磨损加剧会导致零件失效，最终引发机械故障。据统计，造成机械故障的各种原因中，约有80％的原因源自于各种形式的磨损。为减少船舶机械设备运行的磨损，润滑油在机械设备中的使用是必不可少的。润滑油具有减少机械磨损、冷却降温、传递动能、密封、减震等作用。磨损产生的颗粒污染物会一直保留于润滑油内，在这些颗粒污染物中75％是金属颗粒，几乎所有的故障都是由金属粒子引起的。润滑油液中金属颗粒的属性可以反映船舶机械设备的磨损情况。因此，润滑油液中金属颗粒的检测对于船舶机械设备的状态监测，延长设备使用寿命都具有非常重要的意义。

现有技术中，关于润滑油的状态监测方法包括化学法、感应法、铁谱法和光学法等。其中，光谱学属于化学方法，是一种离线的、成本高昂的检测方法，而且耗时。这种检测方法不能提供对油液的实时监测。感应法提供在线监测，但检测精度低。光学方法提供实时监测，但油液的不透明性会对检测精度有所制约。准确度受到介质折射率和油液中金属颗粒形状的影响。此外，这种检测方法还会对油液造成污染。

发明内容

根据上述提出现有技术中检测成本高昂，耗时，检测参数单一，检测精度低等技术问题，提供一种含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器及油液检测方法。本发明主要通过监测电感峰值来检测油液中的每一个微量杂质。

本发明采用的技术手段如下：

一种含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，包括：电性连接的油液检测装置和激励-检测单元；其中，

油液检测装置包括微流体芯片和传感单元，微流体芯片包括油液入口，微流道和储油槽；传感单元由一个平面线圈和四块具有极高磁导率的矩形材料构成，其中，平面线圈垂直于微流道，且与微流道同心；四块具有极高磁导率的矩形材料设置于平面线圈一侧，且以相邻材料之间夹角90度围绕微流道外表面环形放置；储油槽用于收集储存检测过的油样；

激励-检测单元通过绝缘导线与传感单元连接，以给所述平面线圈施加高频交流电激励。

进一步地，所述微流体芯片由基底和模型材料构成，其中，基底的材料为玻璃，且设置于所述微流道下方，用于固定所述微流体芯片和所述传感单元；模型材料为聚二甲基硅氧烷或者聚甲基丙烯酸甲酯，且模型材料浇注在所述微流体芯片和所述传感单元外部。

进一步地，所述四块具有极高磁导率的矩形材料为坡莫合金，四块坡莫合金均垂直于所述微流道设置，且每两块坡莫合金之间夹角为90度，环绕在所述微流道周围并与所述平面线圈紧紧贴合。

进一步地，所述平面线圈由漆包线绕制而成，线圈内径为300-1000微米，漆包线线径为50-200微米，匝数为20-200匝。

进一步地，所述微流道直径为100-800微米。

进一步地，四块所述坡莫合金长均为2000-5000微米，宽均为100-300微米，高均为1000-3000微米。

进一步地，所述激励-检测单元连接平面电感线圈引线端，用于向检测单元施加高频交流电激励，其中电压为1.8-2V，频率为1.5-2MHz。

进一步地，所述金属磨粒检测传感器还包括数据处理分析单元，数据处理分析单元连接所述激励-检测单元，用于实时提取和分析所述平面线圈的信号。

进一步地，所述金属磨粒检测传感器能够实现区分检测油液中大于30微米的铁颗粒和100微米的铜颗粒。

本发明还提供了一种基于上述含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器的油液检测方法，包括如下步骤：

S1、将激励-检测单元与平面线圈引线端相连，向传感单元施加高频交流电激励；

S2、将数据处理分析单元与激励-检测单元相连，实现平面线圈信号的实时提取和分析；

S3、将待检测油液通过油液入口注入；

S4、待检测油液流入微流道内，流经传感单元后流入储油槽；

S5、当油液中存在铁磁性金属颗粒时，数据处理分析单元显示向上的脉冲，当油液中存在非铁磁性金属颗粒时，数据处理分析单元显示向下的脉冲，实现对油液中的金属磨粒的区分检测。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，提供了提高传感器灵敏度的新方法，通过添加坡莫合金高导磁材料，增强平面线圈的磁感应强度，从而提高了检测灵敏度。

2、本发明提供的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，通过检测分析油液中的金属颗粒的信息，判断机械设备磨损情况，预防机械设备出现重大故障。

3、本发明提供的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，具有速度快、精度高、成本低等优点，可以快速、准确、低成本、免维护的在线检测润滑脂中的污染物。

4、本发明提供的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，检测方便，适用范围大，所有机械油液均可使用。

基于上述理由本发明可在机械设备油液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为本发明整体结构图。

图2为本发明传感单元纵剖图。

图3为本发明油液检测装置横剖图。

图4为检测系统图。

图5为铁颗粒检测下限信号图。

图6为铜颗粒检测下限信号图。

图中：1、油液入口；2、微流道；3、储油槽；4、平面电感线圈；5、坡莫合金；6、玻璃基底；7、模型材料；8、激励-检测单元；9、数据处理分析单元。

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，本发明提供了一种含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，包括：电性连接的油液检测装置和激励-检测单元8；其中，

如图3所示，油液检测装置包括微流体芯片和传感单元，微流体芯片包括油液入口1，微流道2和储油槽3；如图2所示，传感单元由一个平面线圈4和四块具有极高磁导率的矩形材料构成，其中，平面线圈4垂直于微流道2，且与微流道2同心；四块具有极高磁导率的矩形材料设置于平面线圈4一侧，且以相邻材料之间夹角90度围绕微流道2外表面环形放置；储油槽3用于收集储存检测过的油样；

激励-检测单元8通过绝缘导线与传感单元连接，以给所述平面线圈4施加高频交流电激励。在本实施例中，所述激励-检测单元8连接平面电感线圈引线端，用于向检测单元施加高频交流电激励，其中电压为1.8-2V，频率为1.5-2MHz。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述微流体芯片由基底6和模型材料7构成，其中，基底6的材料为玻璃，且设置于所述微流道2下方，用于固定所述微流体芯片和所述传感单元；模型材料7为聚二甲基硅氧烷或者聚甲基丙烯酸甲酯，且模型材料7浇注在所述微流体芯片和所述传感单元外部。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图2，所述四块具有极高磁导率的矩形材料为坡莫合金5，四块坡莫合金5均垂直于所述微流道2设置，且每两块坡莫合金5之间夹角为90度，环绕在所述微流道2周围并与所述平面线圈4紧紧贴合。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述平面线圈4由漆包线绕制而成，线圈内径为300-1000微米，漆包线线径为50-200微米，匝数为20-200匝。所述微流道2直径为100-800微米。四块所述坡莫合金5长均为2000-5000微米，宽均为100-300微米，高均为1000-3000微米。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图4所示，所述金属磨粒检测传感器还包括数据处理分析单元9，数据处理分析单元9连接所述激励-检测单元8，用于实时提取和分析所述平面线圈4的信号。

本发明实施例还提供了一种基于上述含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器的油液检测方法，包括如下步骤：

S1、将激励-检测单元8与平面线圈4引线端相连，向传感单元施加高频交流电激励；

S2、将数据处理分析单元9与激励-检测单元8相连，实现平面线圈4信号的实时提取和分析；

S3、将待检测油液通过油液入口1注入；

S4、待检测油液流入微流道2内，流经传感单元后流入储油槽3；

S5、当油液中存在铁磁性金属颗粒时，数据处理分析单元显示向上的脉冲，当油液中存在非铁磁性金属颗粒时，数据处理分析单元显示向下的脉冲，实现对油液中的金属磨粒的区分检测。

在本实施例中，如图5、6所示，本发明金属磨粒检测传感器能够实现区分检测油液中大于30微米的铁颗粒和100微米的铜颗粒。

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)

1.一种含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，其特征在于，包括：电性连接的油液检测装置和激励-检测单元；其中，

油液检测装置包括微流体芯片和传感单元，微流体芯片包括油液入口，微流道和储油槽；传感单元由一个平面线圈和四块具有极高磁导率的矩形材料构成，其中，平面线圈垂直于微流道，且与微流道同心；四块具有极高磁导率的矩形材料设置于平面线圈一侧，且以相邻材料之间夹角90度围绕微流道外表面环形放置；储油槽用于收集储存检测过的油样；

激励-检测单元通过绝缘导线与传感单元连接，以给平面线圈施加高频交流电激励。

2.根据权利要求1所述的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，其特征在于，所述微流体芯片由基底和模型材料构成，其中，基底的材料为玻璃，且设置于所述微流道下方，用于固定所述微流体芯片和所述传感单元；模型材料为聚二甲基硅氧烷或者聚甲基丙烯酸甲酯，且模型材料浇注在所述微流体芯片和所述传感单元外部。

3.根据权利要求1所述的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，其特征在于，所述四块具有极高磁导率的矩形材料为坡莫合金，四块坡莫合金均垂直于所述微流道设置，且每两块坡莫合金之间夹角为90度，环绕在所述微流道周围并与所述平面线圈紧紧贴合。

4.根据权利要求1所述的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，其特征在于，所述平面线圈由漆包线绕制而成，线圈内径为300-1000微米，漆包线线径为50-200微米，匝数为20-200匝。

5.根据权利要求1所述的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，其特征在于，所述微流道直径为100-800微米。

6.根据权利要求4所述的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，其特征在于，四块所述坡莫合金长均为2000-5000微米，宽均为100-300微米，高均为1000-3000微米。

7.根据权利要求1所述的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，其特征在于，所述激励-检测单元连接平面电感线圈引线端，用于向检测单元施加高频交流电激励，其中电压为1.8-2V，频率为1.5-2MHz。

8.根据权利要求1所述的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，其特征在于，所述金属磨粒检测传感器还包括数据处理分析单元，数据处理分析单元连接所述激励-检测单元，用于实时提取和分析所述平面线圈的信号。

9.根据权利要求1所述的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器，其特征在于，所述金属磨粒检测传感器能够实现区分检测油液中大于30微米的铁颗粒和100微米的铜颗粒。

10.一种如权利要求1-9任意权利要求所述的含有高磁导率材料的金属磨粒检测传感器的油液检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将激励-检测单元与平面线圈引线端相连，向传感单元施加高频交流电激励；

S2、将数据处理分析单元与激励-检测单元相连，实现平面线圈信号的实时提取和分析；

S3、将待检测油液通过油液入口注入；

S4、待检测油液流入微流道内，流经传感单元后流入储油槽；

S5、当油液中存在铁磁性金属颗粒时，数据处理分析单元显示向上的脉冲，当油液中存在非铁磁性金属颗粒时，数据处理分析单元显示向下的脉冲，实现对油液中的金属磨粒的区分检测。

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