CN1673733A - 在线数字图像型电磁永磁混合励磁铁谱传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线数字图像型电磁永磁混合励磁铁谱传感器，包括铁心、线圈和磁极，其中线圈套装在铁心上，在铁心上固定有磁极，在两块铁心的间隙中设置有永久磁铁，在磁路中至少设置一个辅助工作气隙，在磁极中间留有主工作气隙，磁极的主工作气隙中安装有导光玻璃，在磁极中间安装有平板光源，平板光源与磁极以及导光玻璃相连接；磁极上安装有流道，流道内有镜头，镜头与一个或多个CMOS图像传感器相连，CMOS图像传感器连接在印刷电路板上，印刷电路板上有输出端口。本发明通过混合励磁方式和CMOS图像传感器的使用，可以大大减小在线铁谱传感器的体积和功耗，并能够实时获取磨损磨粒的铁谱图像信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，特别涉及一种在线图像型电磁永磁混合励磁铁谱传感器。
背景技术
铁谱分析是指利用高强度和高梯度磁场的作用，将机器摩擦副产生的铁磁性磨粒从油液中分离出来，使其按照粒度有序地沉积，并对磨粒沉积情况进行分析，用于机械摩擦磨损机理和状况的分析，油液性能评价，达到监测机械运行状态，避免故障，改进摩擦副设计等目的，是机械故障诊断和全生命周期设计最直接和最有效的方法。
离线铁谱仪和在线铁谱传感器是进行铁谱分析的工具。离线铁谱仪对于被监测设备的油液进行定时抽检，制成谱片，使用铁谱显微镜或其他相应仪器设备离线完成铁谱分析工作。离线铁谱仪不能将油液中的磨粒信息转换成电信号，在取样、制片和结果分析等方面，依赖于操作人员的经验和其他仪器设备，自动化程度和集成度低，操作复杂、耗时。在线铁谱传感器直接安装在设备的油液循环系统中，借助于在线铁谱传感器，将油液中的磨粒信息转换为电信号，可以对机械的摩擦磨损状态进行连续的、自动的和直接的监测，理论上可以获得较离线铁谱仪更好的监测效果。已有的在线铁谱仪仅仅根据沉积磨粒的遮光面积，估算沉积磨粒的情况。
在线铁谱传感器需要在线多次进行磨粒沉积，因此沉积磨粒的磁场必须是可控的，而且磨粒沉积的信息必须转换为电量，这两个问题是减小铁谱传感器体积，提高铁谱传感器性能的主要难点。
1990年，西安交通大学研究开发出在线电磁铁谱仪，并获得了中国专利(90223714.4)“电磁光电在线式铁谱仪”。在线电磁铁谱仪，利用电磁铁代替离线铁谱仪采用的永久磁铁，产生可控的沉积磨粒磁场，实现磨粒的反复沉积。在检测方面，通过对磨粒遮光面积的测量，获得与磨粒沉积量以及粒度分布有关的模拟电压。为了有效地沉积油液中的磨粒，电磁铁尺寸大，而且检测磨粒遮光面积显然不能较好地反映磨粒沉积的图像信息。
2001年，西安交通大学获得了中国专利(01240347.4)“在线监测铁谱仪”。该专利仍然利用电磁铁励磁，实现磨粒的反复沉积，但是在检测上，该铁谱仪除了测量沉积磨粒的遮光面积，还使用光纤将沉积磨粒的局部图像传导到CMOS器件上，得到沉积磨粒几何信息的数据文件。实现了在线铁谱传感器的磨粒沉积几何信息的电测量，但是受检测光路和传输方式设计的限制，该发明仅仅对沉积磨粒局部进行图像采集，无法在比较大的范围内获得沉积磨粒的图像信息，数据采集和处理软硬件复杂，而且由于使用电磁铁励磁，传感器体积大，给在线使用带来很多困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种在线数字图像型电磁永磁混合励磁铁谱传感器，其体积小、安装维护方便，自动化程度和集成度高。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明包括铁心、线圈和磁极，其中线圈套装在铁心上，在铁心上固定有磁极，在两块铁心的间隙中设置有永久磁铁，在磁路中至少设置一个辅助工作气隙，在磁极中间留有主工作气隙，磁极的主工作气隙中安装有导光玻璃，在磁极中间安装有平板光源，平板光源与磁极以及导光玻璃相连接；磁极上安装有流道，流道内有镜头，镜头与一个或多个CMOS图像传感器相连，CMOS图像传感器连接在印刷电路板上，印刷电路板上有输出端口。
流道的中部开了一个槽，并在这个槽中的上下方分别嵌入下表面和上表面，形成油腔。上表面上方是镜头，在流道槽的两端开有孔，连接管接头。
铁心、线圈和磁极产生的电磁场与永久磁铁产生的磁场共同作用于流道的油腔，磁场强度的大小通过线圈的电压调节。
流道由不导磁材料制成。
下表面和上表面采用光学玻璃，与流道密封连接。
本发明通过混合励磁方式和CMOS图像传感器的使用，可以大大减小在线铁谱传感器的体积和功耗，并能够实时获取磨损磨粒的铁谱图像信息。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明图像信号采集部分与流道的装配图；
图4是本发明的流道结构示意图。
具体实施例
附图是本发明的具体实施例；
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明：
参照图1所示，本发明的工作原理是：电磁永磁混合励磁单元18在外部电源供电的情况下，产生沉积磨粒和冲刷磨粒所需要的磁场；油液通过接头进入流道5，在磁场作用下对油液中的铁磁性磨损磨粒进行沉积；通过光电信号采集与转换模块19将沉积磨粒的铁谱图像通过标准格式图像文件的形式输出到计算机。
参照图2所示，本发明包括铁心1、线圈2和磁极3，线圈2套装在铁心1上，在铁心1上固定有磁极3，在两块铁心1的间隙中设置有永久磁铁4，永久磁铁4的上方留有辅助工作气隙17，在磁极3中间留有主工作气隙16，磁极3的主工作气隙中安装有导光玻璃15，在磁极3中间下部安装有平板光源9，平板光源9与磁极3以及导光玻璃15的下底面连接；流道5安装在磁极3的上部，流道5的槽中嵌入有镜头10，在镜头10的上方有一个或多个CMOS图像传感器12，CMOS图像传感器12连接在印刷电路板13上，印刷电路板13上有USB输出端口14。
电磁永磁混合励磁的可控磁场，可以实现磨粒的反复沉积。在磨粒沉积时，线圈2在主工作气隙16上方流道5中产生的磁场和永久磁铁4产生的磁场同向叠加，获得沉积磨粒的高磁感应强度和高磁感应强度梯度磁场，在去除磨粒时，两部分磁场反向叠加，使得磨粒沉积区域的磁场为零。因此，电磁永磁混合励磁方式可以获得可控磁场，方便地实现磨粒的反复沉积。由于单位体积永久磁铁产生的磁感应强度远大于电磁铁，所以这种混合励磁方式与单纯使用电磁铁的励磁方式相比，可以大大减小传感器的体积和驱动功率(以及由于功耗所带来的温升)。另一方面，虽然永久磁铁励磁体积小，无需驱动，但是由于其磁场不可控制，无法实现磨粒的反复沉积，因而无法使用单纯的永久磁铁励磁。
在电磁永磁混合励磁的磁路有主工作气隙16和辅助工作气隙17两个气隙。通过调整辅助工作气隙17的参数，可以改变永久磁铁在主工作气隙16中产生的磁场。这样设计的好处是在去除磨粒时，为了使主工作气隙16的磁感应强度为零，所施加的反向电磁励磁仅仅需要抵消永久磁铁在主工作气隙16中产生的磁场，辅助工作气隙17上的磁场基本维持不变。虽然辅助工作气隙17上出现的永久磁铁的磁通不参与磨粒沉积，但是反映在传感器的体积上的影响十分小。另一方面，由于辅助间隙的存在，要使主工作气隙16磁感应强度为零，所需施加电磁励磁仅仅是永磁励磁的一小部分。由于传感器工作在沉积磨粒和去除磨粒频繁交替的工作状态，可以保证长期工作时永久磁铁不被退磁，性能稳定。
光源使用平板光源9，与直接使用发光二极管相比，无需另外使用均光材料制成的配件，光源本身的光强均匀性就可以满足使用要求，光源的光谱与CMOS图像传感器的技术要求匹配好，整体性好，安装、调整和维修方便。
平板光源9固定在主工作气隙16下方，光电信号采集与印刷电路板13固定于流道5的上方。充分利用了励磁部分的空余空间，光电信号采集与转换部分与油液完全隔离，提高了传感器的集成性和可靠性。
传感器仅需要一组低压直流电源为励磁部分和光源供电，沉积磨粒和显示的范围为5-160μm，具有宽的测量范围，满足了多种应用场合的要求。
参照图3所示，流道5的中部开了一个槽，并在这个槽下部嵌入下表面6，在槽上部嵌入上表面7。上表面7上方是镜头10，镜头10固定在镜头架11上，在镜头10的上方有一个或多个CMOS图像传感器12，CMOS图像传感器12连接在印刷电路板13上，印刷电路板13上有USB输出端口14。
流道5使用不导磁材料制成。出于强度、机加工性和加工精度等方面的考虑，流道5采用了不导磁的硬铝或黄铜。为了检测的需要，流道的下表面6和上表面7采用了透光良好的光学玻璃。下表面6和上表面7使用环氧树脂与流道5粘接，保证了良好的密封性。下表面6与磁极3不接触，这样可以减小下表面6的厚度(下表面6的材料是光学玻璃，如果与磁极3接触，玻璃就必需有一定的强度和厚度)，从而减小流道的油腔与主工作气隙的垂直距离，提高了流道油腔的磁感应强度，能够获得更好的沉积效果。
参照图4所示，流道5的中部开了一个槽，并在这个槽中嵌入下表面6和上表面7，形成油腔，在流道5槽的两端开有孔，连接管接头8。
流道5安装在主工作气隙16上方，流道5两端装有管接头8，被监测设备的油液循环流经传感器的可控磁场，油液流动方向垂直于磁感应强度方向。流道5、下表面6和上表面7一起构成一个油腔，油腔处于主工作气隙产生的空间磁场中。
油液流经流道5时，在空间磁场的作用下，油液中的磨粒沉积在下表面6上；如果空间磁场为零，已经沉积在下表面6上的磨粒则被流经的油液带走，形成干净的沉积面，因而可以实现反复沉积磨粒。
Claims (5)
1、在线数字图像型电磁永磁混合励磁铁谱传感器，包括铁心(1)、线圈(2)和磁极(3)，其中线圈(2)套装在铁心(1)上，在铁心(1)上固定有磁极(3)，其特征在于，在两块铁心(1)的间隙中设置有永久磁铁(4)，在磁路中至少设置一个辅助工作气隙(17)，在磁极(3)中间留有主工作气隙(16)，磁极(3)的主工作气隙(16)中安装有导光玻璃(15)，在磁极(3)中间安装有平板光源(9)，平板光源(9)与磁极(3)以及导光玻璃(15)相连接；磁极(3)上安装有流道(5)，流道(5)内有镜头(10)，镜头(10)与一个或多个CMOS图像传感器(12)相连，CMOS图像传感器(12)连接在印刷电路板(13)上，印刷电路板(13)上有USB输出端口(14)。
2、根据权利要求1所述的在线数字图像型电磁永磁混合励磁铁谱传感器，其特征在于，流道(5)的中部开了一个槽，并在这个槽中嵌入下表面(6)和上表面(7)，形成油腔，在流道(5)槽的两端开有孔，连接管接头(8)。
3、根据权利要求1所述的在线数字图像型电磁永磁混合励磁铁谱传感器，其特征在于，铁心(1)、线圈(2)和磁极(3)产生的电磁场与永久磁铁(4)产生的磁场共同作用于流道(5)的油腔，磁场强度的大小通过线圈(2)的电压调节。
4、根据权利要求1所述的在线数字图像型电磁永磁混合励磁铁谱传感器，其特征在于，流道(5)由不导磁材料制成。
5、根据权利要求1所述的在线数字图像型电磁永磁混合励磁铁谱传感器，其特征在于，下表面(6)和上表面(7)采用光学玻璃，与流道(5)密封连接。
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