CN117491482A - 一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油液检测领域，公开一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器及检测方法，采用超声检测传感器对滑油系统中的陶瓷磨屑进行在线检测，若干组超声发生器和超声接收器呈环形阵列或呈多级联式设置在传感器内，每一组对应一个聚焦区，且都设置有多个压电陶瓷晶片，声波拆分为多个子波组成多路发射/接收单元；利用滑油作为传播介质，当对应聚焦区内的滑油中存在陶瓷磨削时，所述超声接收器接收到的信号发生畸变，通过信号处理器对超声接收器接收到的信号进行放大、除噪，对处理后的信号进行分析，间接评估滑油系统中磨屑的数量和尺寸，预测航空发动机轴承的剩余寿命。本发明的检测方法简单可靠，具有较高的微小陶瓷磨屑的检出能力。

Description

一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器及方法

技术领域

本发明涉及油液磨屑检测技术领域，尤其涉及一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器及方法。

背景技术

航空发动机滑油系统中的磨屑数量及大小，是表征其轴承磨损程度或失效的一个关键参数。由于绝大多数轴承采用铁磁性材料制成，故监测航空发动机运行转动时的油液磨屑，大都采用电磁检测方法，且能可靠地预警铁磁性轴承的失效时间。随着技术的进步，陶瓷轴承的出现，使航空发动机的设计有了更多的选择。陶瓷轴承的耐磨性，远高于常规的铁磁性材料制作的轴承，但同时也带来另一个问题，即监测滑油中的陶瓷磨屑，已不能采用现有的电磁监测技术。这是因为陶瓷磨屑不具备导电导磁性，故无法实施在线监测。而作为现代航空发动机结构健康安全监测，滑油中的轴承磨屑监测至关重要。针对于航空发动机油液陶瓷磨屑在线无损检/监测技术，至今还没有相关研究报道。本发明在现有技术的基础研究一种滑油陶瓷磨屑的检测方法实现航空发动机结构健康安全监测。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器及方法，本发明是这样实现的：

一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器，采用超声检测传感器对飞机发动机滑油系统中的陶瓷磨屑进行在线检测，所述超声检测传感器串联在滑油系统的油路上，其包括传感器壳体和设置在传感器壳体内的若干组一一相对设置的超声发生器和超声接收器，且每一组超声发生器和超声接收器对应一个检测聚焦区，若干组超声发生器和超声接收器呈阵列式设计，若干个检测聚焦区全面覆盖油液流过超声检测传感器的全部区域；进一步的，每一组超声发生器和超声接收器都设置有多个压电陶瓷晶片组成多路发射/接收单元。

其中一种实施方式为，所述超声检测传感器还包括一个与导油管截面适配的环状传感器骨架，若干组超声发生器和超声接收器相互贴合且呈环形阵列布设在环状骨架的内壁，所述超声发生器和超声接收器与油液接触。

作为进一步改进的，在环阵结构中，所述超声发生器和超声接收器的排列方式为超声发生器和超声接收器分别呈单边设置，以圆环中心为轴，相对的超声发生器和超声接收器相互对应；

或，所述超声发生器和超声接收器交错设置，以圆环中心为轴，相对的超声发生器和超声接收器相互对应。

另一种实施方式为，所述超声检测传感器包括一个与导油管截面适配的传感器骨架，所述传感器骨架呈条形格栅状，可容油液通过，相邻的两个格栅条上分别设置有对应的超声发生器和超声接收器，形成多级联式排列。

作为进一步改进的，超声发生器和超声接收器分别沿格栅条延伸的方向阵列设置。

作为进一步改进的，所述压电陶瓷晶片的表面涂覆有绝缘层，所述绝缘层的外部镀设有金属膜，形成多级电容级。

本发明还公开了一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测方法，采用如上所述超声检测传感器进行在线检测，检测时，超声发生器产生声波，通过滑油传输至超声接收器，当对应聚焦区内的滑油中存在陶瓷磨削时，所述超声接收器接收到的信号发生畸变，通过信号处理器对超声接收器接收到的信号进行放大、除噪处理，对处理后的信号进行分析，间接评估滑油系统中磨屑的大小和数量，预测航空发动机轴承的剩余寿命。

作为进一步改进的，具体的检测步骤如下:

S1：采用超声检测传感器，对相应的超声发生器和超声接收器的检测能量聚焦区进行预设和编码(AA’、BB’、CC’……I I’)，定义导油管上串联超声检测传感器的区域为检测区，若干聚焦区全面覆盖检测区；

S2：检测时，通过控制器控制超声波发生器发出声波探测信号，声波探测信号拆分为若干个子波，通过滑油在其所述聚焦区内传输，当碰到陶瓷磨粒时，信号发生畸变产生散射波，由对应的超声接收器接收回波信号；

S3：对每一个聚焦区内收集到的回波信号先进行信号放大和处理，处理的方式为除噪，对每一个聚焦区内收集的回波信号进行隔离处理，去除非本聚焦区内的杂散信号以及管壁回波信号；

S4：将上一级处理后的回波信号进行模电转换，并将检测得的数据传递到分析显示器中，通过颗粒检测模型测算出每个聚焦区中陶瓷磨屑的数量和尺寸。

作为进一步改进的，所述步骤S3的数据筛除中还包括对聚焦区之间重叠检测的信号进行剔除。

作为进一步改进的，若干超声发生器同步进行信号发射，且采用的同频率同波形的信号波；信号波的发射角度根据不同超声发生器所在的位置和预设的聚焦区进行调整；

所述信号波为连续波或脉冲波；当信号波为脉冲波时，可以为矩形波或锯齿波或三角波或尖峰波或阶梯波。

与现有的相比，本申请可以获得包括以下技术效果：

一、本发明针对于发动机油液陶瓷磨屑的在线检测开创了一种新设备、新方法，采用了超声透射检测技术，超声透射方法可以有效检出油液中的陶瓷磨屑，将检测传感器串联在滑油系统的油路中，直接利用油液作为耦合剂，结构简单，结果可靠。

二、本发明通过设置多组相对应的超声发生器和超声接收器，环状阵列设置全面覆盖检测区，同时，超声传感器采用多个压电陶瓷晶片，组成多路发射、接收单元，进一步提高对微小陶瓷磨屑的检测和监测灵敏度，同时获取油液粘稠度的相关信息，提高本发明装置的检测能力。

三、本发明通过设置多级联式的检测结构，形成多个检测通道，全面覆盖检测区，提高检测结果的完整性，通过在压电陶瓷晶片表面涂覆绝缘层，以及进一步的在绝缘层的外表面镀上金属膜层，使其成为多级电容极，当油液中的颗粒浓度发生变化时，电容值也会随之发生变化，通过监测电容值的变化间接测出磨屑浓度，提高本发明的综合评估能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明例或现有技术中的技术方案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，对于本领域普通技术人员而言，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为本发明采用的超声检测传感器的外部结构简要示意图。

图2为图1沿俯视方向的示意图。

图3为图1沿前视方向的示意图。

图4为本发明的环阵型超声检测传感器沿图2中A-A线的截面示意图。

图5为本发明的环阵型超声检测传感器沿图2中B-B线的截面示意图(超声发生器和超声接收器单边排列)。

图6为本发明另一种环阵型超声检测传感器沿图2中B-B线的截面示意图(超声发生器和超声接收器交错排列)。

图7为本发明的多级联型超声检测传感器沿图2中B-B线的截面示意图。

图8为图7的声波检测聚焦示意图。

图9为本发明的多级联型超声检测传感器沿图3中C-C线的截面示意图。

图10为本发明的多级联型超声检测传感器的立体结构示意图。

图11为本发明检测方法的简要流程图。

图中：

10-导油管；

20-超声检测传感器，21-传感器壳体，22-超声发生器，23-超声接收器，24-传感器骨架，241-格栅条；

30-陶瓷磨屑。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在航空发动机设备运行的过程中，零部件之间容易发生接触摩擦，特别是发动机轴承，在极端的工况下，磨损产生颗粒是常有的事，而这些颗粒会随着发动机的滑油系统不断的循环积累，如果不对其进行检测并及时清理容易使设备发生故障。同时，磨粒的数量、大小也是反映发动机设备健康状况的重要参数，因此，对发动机滑油进行在线监测具有重要的意义。

传统的发动机轴承是采用金属材质，因此，油液中的磨屑颗粒主要为铁磁性金属颗粒，基于各种原理的磨粒监测传感器层出不穷，包括电磁型、光学型、射线型，其中，采用电磁检测的方法是目前较好的用于监测油液磨屑的方法。随着轴承技术发展，新材料的运用等，陶瓷轴承因其性能具有优越性，被应用于发动机中，在设备运行过程中产生陶瓷磨屑，但陶瓷磨屑不具有导电导磁性，显然不能适用原有的在线监测方法。对滑油磨屑的监测也面临新的研发挑战。在国内外专家们的研究中可以看出，超声波对液体中的颗粒有较好的检出效果，但是至今尚未有较好的超声颗粒传感器的设计和相关检测方法。基于此，本发明进一步的，结合轴承技术发展的现状，即随着陶瓷轴承的应用，对采用超声检测方法对飞机发动机滑油系统中陶瓷磨屑的在线检测问题进行研究，具体检测方案如下。

参考附图1-11，一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器，采用超声检测传感器20对飞机发动机滑油系统中的陶瓷磨屑进行在线检测，所述超声检测传感器20串联在滑油系统的油路上，其包括传感器壳体21和设置在传感器壳体21内的若干组一一相对设置的超声发生器22和超声接收器23，且每一组超声发生器22和超声接收器23对应一个检测聚焦区，若干组超声发生器22和超声接收器23呈阵列式设计，若干个检测聚焦区全面覆盖油液流过超声检测传感器20的全部区域；进一步的，每一组超声发生器22和超声接收器23都设置有多个压电陶瓷晶片组成多路发射/接收单元。

现有的采用超声磨粒检测的模型多数为针对单一磨粒建立的，一般模型建立的假设的条件为磨粒处于超声发生器发射声波的聚焦区域内，声波的聚焦区域有限，当颗粒数量较多且分布位置不定时，出现在非聚焦区域中的颗粒就容易被漏检，特别是在发动机油液的陶瓷磨屑30检测中，油液中的磨屑含量不定，磨屑随着油液流动，活动区域也无法预测。在传统的检测方法和模型的基础上，本发明进行改进，通过设置多组相对应的超声发生器22和超声接收器23，通过巧妙的设置，使得声波的聚焦区全面覆盖检测区，同时，超声检测传感器20采用多个压电陶瓷晶片，组成多路发射、接收单元，将发出的声波进一步分解为若干子波，在全面覆盖检测区的同时，又细化每个检测单元，进一步提高对微小陶瓷磨屑的检测和监测灵敏度，同时计算油液内的颗粒含量获取油液粘稠度的相关信息，提高本发明装置的检测能力。

参考附图4-6，其中一种实施方式为环阵式检测，所述超声检测传感器还包括一个与导油管10截面适配的环状的传感器骨架24，若干组超声发生器22和超声接收器23相互贴合且呈环形阵列布设在环状传感器骨架24的内壁，所述超声发生器22和超声接收器23与油液接触。参考附图，检测时，若干个超声发生器22同步发射声波，对应的检测聚焦区覆盖油液流经超声检测传感器20的全部区域，当声波碰到陶瓷磨屑30时，信号发生绕射或散射，再由超声接收器23接收回波信号，通过分析回波信号判断流经超声检测传感器20的油液中的陶瓷磨屑30的含量和尺寸。

作为进一步改进的，参考附图,5，在环阵结构中，所述超声发生器22和超声接收器23的排列方式为超声发生器22和超声接收器23分别呈单边设置，以圆环中心为轴，相对的超声发生器22和超声接收器23相互对应；

或，参考附图6，所述超声发生器22和超声接收器23交错设置，以环状的传感器骨架的中心为轴，相对的超声发生器22和超声接收器23相互对应。

参考附图7-10，另一种实施方式为，所述超声检测传感器20包括一个与导油管10截面适配的传感器骨架24，所述传感器骨架24呈条形格栅状，可容油液通过，相邻的两个格栅条241上分别设置有对应的超声发生器22和超声接收器23，形成多级联式排列。多级联式排列同样具有较好的全面检测的效果。超声发生器22和超声接收器23分别沿格栅条241延伸的方向线阵或面阵设置。

参考附图9，带有条形格栅状的传感器骨架24形成多个过油通道，当油液流进传感器骨架24时进行分流，利用格栅条侧壁上的超声发生器22和超声接收器23进行油液中陶瓷磨屑30的检测，形成级联式的多个检测通道，全面覆盖检测区，提高检测结果的完整性，同时通过分流分级的方式，对油液流量进行分流，减小检测压力。级联式的检测结构在实现检测区全面覆盖的基础上，与环阵式的相比可以减小声波检测聚焦区的重叠部分，在检测数据的处理上有效的减低了计算工作量。作为进一步改进的，所述压电陶瓷晶片的表面涂覆有绝缘层，所述绝缘层的外部镀设有金属膜，形成多级电容级。本发明通过在压电陶瓷晶片表面涂覆绝缘层，进一步的，在绝缘层的外表面镀上金属膜层，使其成为多级电容极，利用油液中介质变化间接测出磨屑浓度，即当油液中的陶瓷磨屑30数量较多时，经过超声检测传感器20时，压电陶瓷晶片形成的电容极的电容值随之发生变化，通过监测电容值的变化，间接得出油液中陶瓷磨屑30的浓度，提高本发明对磨屑的综合检出和评估能力。

本发明还公开了一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测方法，采用如上所述任一种超声检测传感器进行在线检测，检测时，超声发生器产生声波，通过滑油传输至超声接收器，当对应聚焦区内的滑油中存在陶瓷磨削时，所述超声接收器接收到的信号发生畸变，通过信号处理器对超声接收器接收到的信号进行放大、除噪处理，对处理后的信号进行分析，间接评估滑油系统中磨屑的大小和数量，预测航空发动机轴承的剩余寿命。

本发明采用在航发滑油回油系统管路中采用超声波透射方法，利用陶瓷磨屑对声波传输的阻碍作用，获取陶瓷磨屑的相关信息，采用超声方法可以有效检出油液中的陶瓷磨屑，将检测传感器串联在滑油系统的油路中，直接利用油液作为耦合剂，结构简单，可靠。

作为进一步改进的，其具体的检测步骤如下:

S1：采用超声检测传感器，对相应的超声发生器和超声接收器的检测能量聚焦区进行预设和编码(AA’、BB’、CC’……I I’)，定义导油管上串联超声检测传感器的区域为检测区，若干聚焦区全面覆盖检测区；

S2：检测时，通过控制器控制超声波发生器发出声波探测信号，声波探测信号拆分为若干个子波，通过滑油在其所述聚焦区内传输，当碰到陶瓷磨粒时，信号发生畸变产生散射波，由对应的超声接收器接收回波信号；

S3：对每一个聚焦区内收集到的回波信号先进行信号放大和处理，处理的方式为除噪，对每一个聚焦区内收集的回波信号进行隔离处理，去除非本聚焦区内的杂散信号以及管壁回波信号；

S4：将上一级处理后的回波信号进行模电转换，并将检测得的数据传递到分析显示器中，通过颗粒检测模型测算出每个聚焦区中陶瓷磨屑的数量和尺寸。

由于超声声波发射出时，聚焦区会出现重叠部分，作为进一步改进的，所述步骤S3的数据筛除中还包括对聚焦区之间重叠检测的信号进行剔除。通过模拟计算各超声发生器的声波发射情况，预先计算出聚焦区间重叠的范围，并存档于分析显示器中，分析时，由系统进行重叠信号的自动剔除。避免重复计算油液中的陶瓷颗粒数量，提高检测的准确度。

作为进一步改进的，所述步骤S1中对相应的超声发生器和超声接收器的检测能量聚焦区进行预设和编码(AA’、BB’、CC’……I I’)，其中A、B、C、D……I表示超声发生器，A’、B’、C’、D’……I’表示超声接收器。在环阵型超声检测中，超声发生器和超声接收器的排列方式可以是超声发生器与超声接收器上下对应，或是超声发生器和超声接收器交错设置。在多级联式超声检测中，超声发生器和超声接收器的排列方式可以是同一列上单独排列设置超声发生器或超声接收器，或是同一列上超声发生器和超声接收器交错设置。在超声接收器和超声发生器的数量可以调整。

作为进一步改进的，若干超声发生器同步进行信号发射，且采用的同频率同波形的信号波；信号波的散射角度根据不同超声发生器所在的位置和预设的聚焦区进行调整。

根据持续时间的长短、超声波可以分为连续波和脉冲波，本发明中信号波为连续波，也可以为脉冲波；本实施例中，采用脉冲波，其振动持续时间有限，可以间发式波动，配合油液的流速等特点，可以选择脉冲波间隔的时间，可采用的波形根据实际检测情况进行调整，当信号波为脉冲波时，可以为矩形波或锯齿波或三角波或尖峰波或阶梯波，也可以为其他波形。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器，其特征在于，采用超声检测传感器对飞机发动机滑油系统中的陶瓷磨屑进行在线检测，所述超声检测传感器串联在滑油系统的油路上，其包括传感器壳体和设置在传感器壳体内的若干组一一相对设置的超声发生器和超声接收器，且每一组超声发生器和超声接收器对应一个检测聚焦区，若干组超声发生器和超声接收器呈阵列式设计，若干个检测聚焦区全面覆盖油液流过超声检测传感器的全部区域；进一步的，每一组超声发生器和超声接收器都设置有多个压电陶瓷晶片组成多路发射/接收单元。

2.根据权利要求1所述的一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器，其特征在于，所述超声检测传感器还包括一个与导油管截面适配的环状的传感器骨架，若干组超声发生器和超声接收器相互贴合且呈环形阵列布设在传感器骨架的内壁，所述超声发生器和超声接收器与油液接触。

3.根据权利要求2所述的一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器，其特征在于，在环阵结构中，所述超声发生器和超声接收器的排列方式为超声发生器和超声接收器分别呈单边设置，以传感器骨架中心为轴，相对的超声发生器和超声接收器相互对应；

或，所述超声发生器和超声接收器交错设置，以传感器骨架中心为轴，相对的超声发生器和超声接收器相互对应。

4.根据权利要求1所述的一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器，其特征在于，所述超声检测传感器包括一个与导油管截面适配的传感器骨架，所述传感器骨架呈条形格栅状，可容油液通过，相邻的两个格栅条上分别设置有对应的超声发生器和超声接收器，形成多级联式排列。

5.根据权利要求4所述的一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器，其特征在于，超声发生器和超声接收器分别沿格栅条延伸的方向阵列设置。

6.根据权利要求5所述的一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测传感器，其特征在于，所述压电陶瓷晶片的表面涂覆有绝缘层，所述绝缘层的外部镀设有金属膜，形成多级电容级。

7.一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测方法，采用权利要求1-6任一项所述超声检测传感器进行在线检测，其特征在于，检测时，超声发生器产生声波，通过滑油传输至超声接收器，当对应聚焦区内的滑油中存在陶瓷磨屑时，所述超声接收器接收到的信号发生畸变，通过信号处理器对超声接收器接收到的信号进行放大、除噪处理，对处理后的信号进行分析，间接评估滑油系统中磨屑的大小和数量，预测航空发动机轴承的剩余寿命。

8.根据权利要求7所述的一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测方法，其特征在于，具体的检测步骤如下:

S1：采用超声检测传感器，对相应的超声发生器和超声接收器的检测能量聚焦区进行预设和编码(AA’、BB’、CC’……I I’)，定义导油管上串联超声检测传感器的区域为检测区，若干聚焦区全面覆盖检测区；

S2：检测时，通过控制器控制超声波发生器发出声波探测信号，声波探测信号拆分为若干个子波，通过滑油在其聚焦区内传输，当碰到陶瓷磨粒时，信号发生畸变产生散射波，由对应的超声接收器接收回波信号；

S3：对每一个聚焦区内收集到的回波信号先进行信号放大和处理，处理的方式为除噪，对每一个聚焦区内收集的回波信号进行隔离处理，去除非本聚焦区内的杂散信号以及管壁回波信号；

S4：将上一级处理后的回波信号进行模电转换，并将检测得的数据传递到分析显示器中，通过颗粒检测模型测算出每个聚焦区中陶瓷磨屑的数量和尺寸。

9.根据权利要求8所述的一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测方法，其特征在于，所述步骤S3的数据筛除中还包括对聚焦区之间重叠检测的信号进行剔除。

10.根据权利要求9所述的一种在线发动机油液陶瓷磨屑超声检测方法，其特征在于，若干超声发生器同步进行信号发射，且采用的同频率同波形的信号波；信号波的发射角度根据不同超声发生器所在的位置和预设的聚焦区进行调整；

所述信号波为连续波或脉冲波；当信号波为脉冲波时，可以为矩形波或锯齿波或三角波或尖峰波或阶梯波。