CN1300570C - 基于双光路的在线油液监测传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种油液监测传感器。基于双光路的在线油液监测传感器，其特征是：Y型光纤耦合器(2)的输入端由光纤与光源(1)相连，Y型光纤耦合器(2)的输出端分为二路，分别与第一入射光纤、第二入射光纤(11)的一端相连，第二入射光纤(11)的另一端与第三自聚焦透镜(5)相接触，第三自聚焦透镜(5)与参考油池(7)由光纤相连通，第四自聚焦透镜(6)与参考油池(7)由光纤相连通，第二出射光纤(12)的一端与第四自聚焦透镜(6)相接触，第二出射光纤(12)的另一端与第一光探测器(9)相连，第一光探测器(9)由数据线与计算机相连接，参考油液位于参考油池(7)内。它具有油液污染度在线监测的特点。

Description

基于双光路的在线油液监测传感器
技术领域
本发明涉及一种光纤在线油液监测传感器。
背景技术
油液监测技术是一种有效的工况监测和故障诊断的方法，它通过采集设备的润滑油或工作介质的样品，利用光、电、磁学等手段，分析样品的理化指标和携带的设备摩擦副的磨损和污染物颗粒，定性和定量地描述设备的磨损状态(包括部位、形式、程度)，找出诱发因素，并预测发展趋势。油液监测技术主要包括油液中磨损微粒分析技术和油液本身的物理化学性能及状态分析两部分。
传统的油液监测技术主要是采用离线取样的分析方法。离线取样分析需要昂贵的精密仪器(如精密电子天平、显微镜和自动颗粒计数器等)，且检测时间长。
在线油液监测技术通过安装在油液管路(旁路)中的传感器，利用光、电、磁学等手段采集设备的润滑油或工作介质的状态信息，分析样品的携带的设备摩擦副的磨损和污染物颗粒和污染指标，定性和定量地描述设备的磨损状态(包括部位、形式、程度)，找出诱发因素，并预测发展趋势。
在线油液监测技术主要包括信息采集技术和信息处理技术。在线油液监测技术的信息采集部分主要由在线监测的核心部分传感器和分析处理单元组成。包括如下内容：
1)监测参数的选择：对所要监测的设备进行分析，选定具体的监测参数，如温度、压力、污染度等；
2)信号获取：通过传感器将反映油液的状态信息(如光、电和声等)转换成可供采集的电信号；
3)信号的传输：由传感器采集并传出的信号一般是比较微弱的，因此需要采用信号放大器对信号进行放大；
4)信号的转换：对一些需要采用数字信号的信息处理系统，还需使用A/D转换器将传感器采集的模拟信号转换成数字信号。
对机械设备的油液进行在线监测，是机械设备维护和故障早期诊断及预防的有效措施之一。在线油液监测通过收集在用润滑油中所含的有关状态信息，对机械运行状况进行分析判断和磨损故障的诊断。在线监测系统的关键在于传感器的选择，根据传感器的工作原理不同，油液在线监测可方法分为以下几类：压差及流量分析法、电学方法、磁性方法、光学方法、声学方法和其它方法。
光学方法：
激光入射到具有一定粒度分布的颗粒时将出现夫琅和费衍射现象。当光照射到悬浮液时，一部分被吸收，另一部分则发生散射，剩下的直接穿过油液，被光敏接收元件接收，当入射光的光强一定时，通过测量分析输出的光强可以得出油液的污染度。
采用光学方法开发的传感器中最具代表性的是美国海军研究所的光学技术部开发的LaserNet Fines光学磨粒监测仪。该系统可用于离线分析，也可用于在线监测。另外还有美国生产的HIAC/ROYCO光电型磨粒在线监测仪和日本生产的一种利用“积分球”油液污染在线监测仪。
光学方法传统的单通道测量结构由光源、光纤探头、透镜、光探测器、数据采集和信号处理等部分组成如图1所示。
在图1中，由光源产生的光通量I0，通过光导纤维和透镜将光准直引入测量区域，即布置于光路上的样品区域。油液管路中装有石英玻璃作为观察窗口，未被颗粒散射和吸收的部分出射光由透镜会聚，经第二根光纤导出到光探测器单元，即光电接收管的光敏表面上。利用光电信号放大器可以测量出载有信息的光通量。
在单通道系统中，直接测量光通量值；但是单通道测量方法在实际中是很难获得应用。入射光强I0实际上指干净油通过时的光强，而必须测定该值才能按照公式(Bouguer-Lambert吸收定律：I＝I0e-τL)求出反映油液污染度的参数。因为现场中油样不同，或由于激励电流不同而导致光源强度不同，即出现不同的入射光强I0。另一方面对于在线检测系统，油液管路中总有颗粒存在即无法测出无颗粒时的入射光强I0值，而且样品池的玻璃片极易受到污染而改变入射光强。
测量影响因素分析：
采用光强调制方式单通道传感器测量油液污染度需考虑以下几点因素：
(1)入射光强测定困难
在目前的光强调制传感器一般采用单光路通道进行测量。但要实现在线连续监测，则必须获得入射光强，而实际上是很难获得入射光强的大小。
(2)油液颜色的影响
由于光学测量受油液颜色的影响比较大，所以测定样品中颜色的不均匀性可能导致数据的波动，造成测量误差。
除上述几点因素外，光源的电源波动、外界杂散光以及光纤耦合处的振动等干扰也将导致测量结果的不稳定。因此，本文提出一种带参考光路的光纤油液监测传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油液污染度在线监测的基于双光路的在线油液监测传感器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：基于双光路的在线油液监测传感器，它包括光源1、第一自聚焦透镜3、测量油池8、第二自聚焦透镜4、第二光探测器10、第一入射光纤、第一出射光纤，第一入射光纤的另一端与第一自聚焦透镜3相接触，第一自聚焦透镜3位于测量油池8的前方，第一自聚焦透镜3与测量油池8由光纤相连通，第二自聚焦透镜4位于测量油池8的后方，第二自聚焦透镜4与测量油池8由光纤相连通，第一出射光纤的一端与第二自聚焦透镜4相接触，第一出射光纤的另一端与第二光探测器10相连，第二光探测器10由数据线与计算机相连接；其特征是：Y型光纤耦合器2的输入端由光纤与光源1相连，Y型光纤耦合器2的输出端分为二路，分别与第一入射光纤、第二入射光纤11的一端相连，第二入射光纤11的另一端与第三自聚焦透镜5相接触，第三自聚焦透镜5位于参考油池7的前方，第三自聚焦透镜5与参考油池7由光纤相连通，第四自聚焦透镜6位于参考油池7的后方，第四自聚焦透镜6与参考油池7由光纤相连通，第二出射光纤12的一端与第四自聚焦透镜6相接触，第二出射光纤12的另一端与第一光探测器9相连，第一光探测器9由数据线与计算机相连接，参考油液位于参考油池7内。
所述的光源1，为单色性好的发光二极管。
所述的Y型耦合器2为1∶1的耦合器。
所述的参考油池7、测量油池8的壳体为石英玻璃。所述的参考油池7和测量油池8为材料、规格、制作工艺均一致的油池。
本发明只使用一个光源，光源的光强可以通过光源驱动电路的可变电阻进行调节。由光源发出的光通过Y型耦合器2将光分成等强度的两束光，其中一路光通过第三自聚焦透镜5耦合进参考油池7，从参考油池7透射出来的光由参考信号的第一光探测器9将其转换成电流信号，通过信号放大和传输系统将信号传输到计算机或信号测量系统中，完成参考信号信号的采集工作。
与此同时，另一路光通过第一自聚焦透镜3耦合进测量油池8，从测量油池8透射出来的光由测量信号的第二光探测器10将其转换成电流信号，通过信号放大和传输系统将信号传输到计算机或信号测量系统中，完成测量信号的采集工作，最后通过信号处理系统，可以得出表征油液污染度的量。
目前的光强调制传感器一般采用单光路进行测量。但要实现在线连续监测，则必须获得入射光强，但实际上是很难获得入射光强的大小。因此本系统采用双光路的测量方法，通过检测光纤通过测量油池的光强和参考油池的光强，分析两路信号的相关性获得有效的信息。采用带参考光路的测量方式也消除了光源波动和元件温漂、时漂的影响。
本发明的有益效果是，双光路光纤在线油液在线监测传感器不需测定入射光强的强度，可以克服由于激励电流不同而导致光源强度不同的问题，同时可以克服不同的油液颜色对光的透射率不同的影响，可以直接接入润滑系统中，实现对油液污染度的在线监测。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为现有的单通道测量结构图
图2是本发明的原理图
图3是在线监测测量系统结构图
图4是传感器的测量探头结构图
图5是本发明的光源LED驱动电路图
图6是本发明的光电探测电路的光电二极管电路图
图7是本发明的光电探测电路的前置放大电路图
图8是本发明的光电探测电路的低通滤波电路图
图中：1.光源、2.Y型光纤耦合器、3.第一自聚焦透镜、4.第二自聚焦透镜、5.第三自聚焦透镜、6.第四自聚焦透镜、7.参考油池、8.测量油池、9.第一光探测器(参考信号的)，10.第二光探测器(测量信号的)，11.第二入射光纤，12.第二出射光纤，13.探头外壳，14.池体。
具体实施方式
如图2、图3、图4所示，基于双光路的在线油液监测传感器，它主要由光源1、Y型光纤耦合器2、第一自聚焦透镜3、第二自聚焦透镜4、第三自聚焦透镜5、第四自聚焦透镜6、参考油池7、测量油池8、第一光探测器9、第二光探测器10、第一入射光纤、第一出射光纤、第二入射光纤11、第二出射光纤12构成，Y型光纤耦合器2的输入端由光纤与光源1相连，Y型光纤耦合器2的输出端分为二路，分别与第一入射光纤、第二入射光纤11的一端相连，第一入射光纤的另一端与第一自聚焦透镜3相接触，第一自聚焦透镜3位于测量油池8的前方，第一自聚焦透镜3与测量油池8由光纤相连通(光纤的两端分别与第一自聚焦透镜3的后方、测量油池8的前方壳体相接触，测量油池8的壳体为石英玻璃，如图1、图2，左边为前方。)，第二自聚焦透镜4位于测量油池8的后方，第二自聚焦透镜4与测量油池8由光纤相连通(光纤的两端分别与第二自聚焦透镜4的前方、测量油池8的后方壳体相接触，)，第一出射光纤的一端与第二自聚焦透镜4相接触，第一出射光纤的另一端与第二光探测器10相连，第二光探测器10由数据线与计算机相连接；第二入射光纤11的另一端与第三自聚焦透镜5的前方相接触，第三自聚焦透镜5位于参考油池7的前方，第三自聚焦透镜5与参考油池7由光纤相连通(光纤的两端分别与第三自聚焦透镜5的后方、参考油池7的前方壳体相接触，)，第四自聚焦透镜6位于参考油池7的后方，第四自聚焦透镜6与参考油池7由光纤相连通(光纤的两端分别与第四自聚焦透镜6的前方、参考油池7的后方壳体相接触，)，第二出射光纤12的一端与第四自聚焦透镜6的后方相接触，第二出射光纤12的另一端与第一光探测器9相连，第一光探测器9由数据线与计算机相连接。使用时，参考油液位于参考油池7内，参考油池7为封闭状态；测量油池8为开放状态。如图4所示，第一自聚焦透镜3、第二自聚焦透镜4、第三自聚焦透镜5、第四自聚焦透镜6分别固定在探头外壳13上，第一入射光纤、第一出射光纤、第二入射光纤11、第二出射光纤12分别位于探头外壳13的光纤孔内，参考油池7、测量油池8并排设在池体14上。
第一光探测器9、第二光探测器10的电路——光电探测接收电路主要由光电二极管、前置放大电路和滤波电路组成，第一出射光纤、第二出射光纤12分别与各自相对应的光电二极管相接触，光电二极管直接跨接在前置放大电路的运放的两输入端，前置放大电路的输出端与巴特沃斯四阶有源低通滤波器相连接，巴特沃斯四阶有源低通滤波器的输出端由数据线与计算机相连接。第三自聚焦透镜5将一路光耦合进参考油池7，然后透射光由第四自聚焦透镜6将参考油池7的测量光耦合进第一光探测器9，由此可得到参考光的大小。第一自聚焦透镜3将一路光耦合进测量油池8，然后透射光由第二自聚焦透镜4将测量油池8的测量光耦合进第二光探测器10，由此可得到测量光的大小。
所述的光源1，为单色性好的发光二极管。
所述的Y型耦合器2为1∶1的耦合器(多模)。
所述的参考油池7、测量油池8的壳体为石英玻璃。所述的参考油池7和测量油池8为材料、规格、制作工艺等均一致的油池。
本发明的信号输出可以直接通过数据线与计算机相连接，由计算机处理，本发明还可由模拟信号检测装置直接获得信号大小。参考油池7、测量油池8还可以“串联”在油液管路中，对润滑(或液压等)系统中的油液的污染状况进行在线监测。
为了提高入射光的强度，发光二极管装有聚光材料，提高入射到油液中光的强度，保护二极管。
考虑到要求较高的灵敏度，采用光纤相关参数为：内径62.5μm，外径125μm的多模石英光纤。石英光纤在850nm，1300nm与1550nm处的衰减已接近理论最小值，因此石英光纤低损耗传输窗口是850nm，1300nm与1550nm。
光纤的直径大约在1.7mm左右，可以提供大约2mm2视场，对于监测油液中的10～500μm的磨粒基本上是可以的。
如图5所示，本发明使用的是LED光源。LED是一种自发射光源，发光直径超过50um，只能与多模光纤有效耦合。为了保证驱动电流的稳定性，图5所示的LED的驱动电路采用反馈控制回路，其中稳流的基本单元采用OP177。OP177是高性能的运算放大器，调节电阻R0可以改变LED的输入电流，从而可以调整LED的输出光功率；电阻R3在电路中起限流作用，如要进一步对LED进行保护，可以在LED上串联一个二极管。
光探测接收电路设计：
第一光探测器9、第二光探测器10的电路——光电探测接收电路主要由光电二极管、前置放大电路和滤波电路组成。光电二极管接收从油液中透射出的光信号然后将其转变成电流信号；前置放大电路将光电二极管传来的微弱电流信号进行放大，然后通过滤波电路后再对信号进行二级放大。光电二极管与前置放大器相连的电缆尽量短且用聚四氟乙烯绝缘。
如图6所示，光电二极管选用零偏置工作(光伏模式)工作。光电二极管既可用零偏置工作(光伏模式)，光伏模式能实现最精确的线性工作，而光导模式则能实现较高的切换速度，但要牺牲线性。
如图7所示，前置放大电路，PIN二极管直接跨接在运放的两输入端。C1为放大器输入端的等效分布电容；R2为反馈电阻；C2反馈电阻两端的分布电容。电路中所用电阻选择温度特性及频率特性较好的低噪声电阻，电容尽量选择低噪声电容。
PIN二极管总是工作在反相偏压下，在没有光照时，仍然有暗电流流过，随着反相偏压的增大，暗电流也将增大。一般PIN的二极管的暗电流在nA量级，应当尽量减小暗电流。为了减小反相偏压，在实际电路中，将PIN管接在运算放大器的反相输入端，利用运算放大器的特点，偏压近似为零，暗电流也将减小到最小。
运算放大器在前放中起到了核心的作用，其性能指标如开环增益、输入偏置电流、失调电流和失调电压、频率响应以及噪声性能均对前放产生影响。实际电路使用的是AD795作为运放，具有较好的效果。
如图8所示，前置放大器完成了对信号的探测和初步处理，得到了与有关的电压信号，但是这个信号还会含有一些交流噪声有用信号会被噪声覆盖。设计一个低频有源滤波器，如图8所示。该电路为巴特沃斯四阶有源低通滤波器。
通过数据线与计算机相连接，由计算机处理，或由模拟信号检测装置直接获得信号大小，由此可得到表征油液污染度的量。
计算机通过对信号的处理，可测定尺寸从5μm到100μm以上的磨粒浓度。获得机器的润滑和磨损状态的信息，定性和定量地描述设备的磨损状态，找出诱发因素，评价机器的工况和预测其故障，并确定故障原因、类型的技术。

Claims (3)

1.基于双光路的在线油液监测传感器，它包括光源(1)、第一自聚焦透镜(3)、测量油池(8)、第二自聚焦透镜(4)、第二光探测器(10)、第一入射光纤、第一山射光纤，第一入射光纤的另一端与第一自聚焦透镜(3)相接触，第一自聚焦透镜(3)位于测量油池(8)的前方，第一自聚焦透镜(3)与测量油池(8)由光纤相连通，第二自聚焦透镜(4)位于测量油池(8)的后方，第二自聚焦透镜(4)与测量油池(8)由光纤相连通，第一出射光纤的一端与第二自聚焦透镜(4)相接触，第一出射光纤的另一端与第二光探测器(10)相连，第二光探测器(10)由数据线与计算机相连接；其特征是：Y型光纤耦合器(2)的输入端由光纤与光源(1)相连，Y型光纤耦合器(2)的输出端分为二路，分别与第一入射光纤、第二入射光纤(11)的一端相连，第二入射光纤(11)的另一端与第三自聚焦透镜(5)相接触，第三自聚焦透镜(5)位于参考油池(7)的前方，第三自聚焦透镜(5)与参考油池(7)由光纤相连通，第四自聚焦透镜(6)位于参考油池(7)的后方，第四自聚焦透镜(6)与参考油池(7)由光纤相连通，第二出射光纤(12)的一端与第四自聚焦透镜(6)相接触，第二出射光纤(12)的另一端与第一光探测器(9)相连，第一光探测器(9)由数据线与计算机相连接，参考油液位于参考油池(7)内。
2.根据权利要求1所述的基于双光路的在线油液监测传感器，其特征是：所述的Y型耦合器(2)为1∶1的耦合器。
3.根据权利要求1所述的基于双光路的在线油液监测传感器，其特征是：所述的参考油池(7)、测量油池(8)的壳体为石英玻璃。
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