專利名稱：短沉積距離圖像型在線鐵譜裝置與方法
技術領域：
本發(fā)明涉及設備磨損顆粒監(jiān)測裝置和方法，特別涉及一種短沉積距離圖像型在線鐵譜裝置與方法。
背景技術：
現(xiàn)有鐵譜技術是利用高強度和高梯度磁場從油液中將鐵磁性磨粒分離出來，并使它們按照尺寸大小實現(xiàn)有序沉積，然后對之進行分析及研究的一種技術。鐵譜技術監(jiān)測磨粒尺寸范圍較寬，能夠通過觀察磨粒形貌特征了解設備的磨損機理和磨損部位，并利用磨粒濃度及粒度分布判斷機器的整體磨損水平，是一種進行設備全生命周期狀態(tài)監(jiān)測和剩余壽命估計的有效方法。
鐵譜技術包括離線鐵譜技術和在線鐵譜技術兩種。離線鐵譜技術利用永磁體產生的磁場實現(xiàn)磨粒的采集，按照粒度大小將磨粒有序沉積在譜片或者沉積管上。通過對多個磨粒沉積區(qū)進行光密度測量，可以直接推算油液的磨粒濃度和粒度分布，被稱之為直讀式離線鐵譜。如果借助于鐵譜顯微鏡進行磨粒形貌的觀察和分析，則被稱之為分析式離線鐵譜。由于是一種非在線使用的技術，只能對被監(jiān)測設備進行定期采樣，操作過程需要人工干預，比較耗時，而且設備價格昂貴，對操作者的經驗要求也較高。在線鐵譜技術通過電磁鐵產生可控磁場在線自動進行磨粒沉積，不需對油液進行稀釋，省去了離線鐵譜的人工干預環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)密集采樣，提高了獲得故障特征磨粒的概率，消除了離線方法操作過程中的人為影響因素。
西安交通大學分別在1990年和2001年獲得兩項在線鐵譜技術方面的專利，分別為“電磁光電在線式鐵譜儀”(專利號90223714.4)和“在線監(jiān)測鐵譜儀”(專利號01240347.4)。在前一項專利中采用光電傳感器來檢測磨粒遮光面積，以此來反映不同粒度磨粒的數(shù)量，但是不能獲得磨粒的圖像信息；后一項專利中采用與前一項專利相同的電磁鐵裝置，不同之處在于通過傳像光纖束將沉積磨粒的信息傳遞到CMOS圖像傳感器上，不僅可以測量磨粒的濃度信息，而且可以得到圖像信息，但是僅能檢測小范圍內的磨粒，軟硬件系統(tǒng)復雜，安裝使用困難。2005年，西安交通大學申請了“在線數(shù)字圖像型電磁永磁混合勵磁鐵譜傳感器”發(fā)明專利(專利公開號CN 1673733A)，公開了一種在線數(shù)字圖像型電磁永磁混合勵磁鐵譜傳感器，通過混合勵磁方式和CMOS圖像傳感器的使用，可以大大減小在線鐵譜傳感器的體積和功耗，并能夠實時獲取磨損磨粒的鐵譜圖像信息。
上述三個專利中油液均沿垂直于工作氣隙中磁感應強度方向流動，沉積磨粒時，勵磁強度恒定，在磁場力、重力、浮力和油液流動的綜合作用下，磨粒在整個磁極長度方向上按照粒度大小實現(xiàn)分散有序沉積，依靠在油流方向布置多個傳感器件來進行不同粒度磨粒的檢測，需要磁極具有較長的長度，從而限制了傳感器體積的減小。在成像的光源方面，僅使用了透射光源模式，進行磨粒圖像采集時不能反映出磨粒表面的形貌特征。

發(fā)明內容
為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種短沉積距離圖像型在線鐵譜裝置與方法，其中鐵譜傳感器中油流方向平行于工作氣隙中磁感應強度方向，通過計算機在線調節(jié)鐵譜傳感器的磁場強度和流量，實現(xiàn)采集區(qū)域內大、小磨損磨粒的分別沉積，代替了過去勵磁參數(shù)固定、通過選擇適當磁感應強度的空間位置來沉積不同磨粒的方法，減小了磨粒在工作氣隙上方的沉積距離，只需要一個圖像傳感器就可以實現(xiàn)磨粒圖像采集，自動得到磨粒的粒度分布、濃度和形貌信息，體積小、自動化成度高，易于操作，適合工業(yè)現(xiàn)場使用。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的短沉積距離圖像型在線鐵譜裝置，包括計算機、D/A卡、功放和油泵，計算機通過D/A卡與功放相連，功放的一個輸出通道與鐵譜傳感器的線圈相連并為其提供勵磁電流，功放的另一個通道與油泵相接，通過計算機控制功放的輸出電壓調節(jié)工作磁場強度和油液流量，鐵譜傳感器通過USB接口與計算機相連。
鐵譜傳感器中設置流道，流道中油液流動方向平行于磁極在工作氣隙中產生的磁感應強度的方向，流道中設置油腔，油腔寬度是油腔高度的3～7倍。
流道的上底面上方安裝有反射光源。
短沉積距離圖像型在線鐵譜方法，用計算機控制磁場和流量的變化，在同一測量區(qū)域實現(xiàn)不同尺寸磨粒的沉積方法首先選擇需要采集的磨粒類型然后，如果需要采集尺寸為20微米～100微米的大磨粒，計算機控制鐵譜傳感器工作在200安匝～800安匝低強度磁場狀態(tài)，油泵以2ml/min～10ml/min的流量高速抽油，油液抽取完畢，油泵停止抽油，圖像傳感器進行尺寸為20微米～100微米的大磨粒的圖像采集；如果需要采集尺寸為5微米～20微米的小磨粒，鐵譜傳感器工作在1000安匝～1600安匝高強度磁場狀態(tài)，油泵以0.1ml/min～2ml/min的流量低速抽油，油樣抽取完畢，油泵停止抽油，圖像傳感器進行尺寸為5微米～20微米的小磨粒的圖像采集；最后，將采集的磨粒圖像傳送到計算機中進行數(shù)據分析；如果繼續(xù)采集，則返回到采集磨粒類型選擇，否則結束。
本發(fā)明涉及的在線鐵譜裝置，鐵譜傳感器只有一個沉積磨粒的檢測區(qū)域，該區(qū)域具備反射光源和透射光源，通過計算機對磁場和流量的控制，借助單個CMOS圖像傳感器的使用，就可以實現(xiàn)大、小粒度磨粒圖像的在線實時采集，得到磨粒的粒度分布、濃度和形貌信息，即同時具有分析式鐵譜和直讀鐵譜的功能，而且減小了在線鐵譜傳感器的體積。


圖1是本發(fā)明的原理圖；圖2是本發(fā)明的工作流程圖；圖3是本發(fā)明鐵譜傳感器結構示意圖；圖4是本發(fā)明圖像信號采集部分與流道的裝配圖；圖5是本發(fā)明的流道結構示意圖。
具體實施例附圖是本發(fā)明的具體實施例；下面結合附圖對本發(fā)明的內容作進一步詳細說明參照圖1所示，本發(fā)明裝置的結構原理和工作原理是本發(fā)明包括計算機1、D/A卡2、功放3和油泵4，計算機1通過D/A卡2控制功放3的輸出，功放3與鐵譜傳感器5相連，進行勵磁以及光源控制，同時，計算機1通過D/A卡2和功放3與油泵4相接，進行油泵4的流量控制。這樣在計算機1的控制下，通過調節(jié)工作磁場強度和油液流量，實現(xiàn)大、小磨粒在同一區(qū)域的分別沉積，代替了過去勵磁參數(shù)固定、通過選擇適當磁感應強度的空間位置來沉積不同磨粒的方法。當待測油樣在油泵4的作用下進入鐵譜傳感器5時進行磨粒采集，并將在線鐵普圖像輸出通過USB端口傳送到計算機1中進行分析。
參照圖2所示，本發(fā)明方法的工作流程是首先選擇需要采集的磨粒類型如果需要采集尺寸為20微米～100微米的大磨粒，計算機1控制鐵譜傳感器5工作在200安匝～800安匝低強度磁場狀態(tài)，油泵4以2ml/min～10ml/min的流量高速抽油，在這種條件下只有大磨粒才能沉積，待達到設定的采樣量，油泵4停止抽油，進行大磨粒的圖像采集；如果需要采集尺寸為5微米～20微米的小磨粒，鐵譜傳感器5工作在1000安匝～1600安匝高強度磁場狀態(tài)，油泵4以0.1ml/min～2ml/min的流量低速抽油，在這種條件下小磨粒會沉積下來，待達到設定的采樣量，油泵4停止抽油，進行小磨粒的圖像采集；將采集到的磨粒圖像傳送到計算機1中進行數(shù)據分析，如果繼續(xù)采集，則返回到采集磨粒類型選擇，否則結束。
參照圖3所示，本發(fā)明鐵譜傳感器包括鐵心6、線圈7和磁極8，其中線圈7套在鐵心6上，磁極8固定在鐵心6上，磁極8上方安裝有流道15，流道15中油流方向平行于工作氣隙中磁感應強度的方向；流道15上固定有鏡頭14，鏡頭14與CMOS圖像傳感器19相連，CMOS圖像傳感器19固定在電路板11上，電路板11上有USB數(shù)據傳輸端口12與計算機1相連；磁極8中間有工作氣隙，導光玻璃16安裝在工作氣隙中，并且導光玻璃16的下表面與透射光源17連接。
在進行磨粒采集時，鐵心6、線圈7和磁極8共同產生的磁場作用在油腔27中，油液流動方向平行于工作氣隙中磁感應強度的方向，油腔27中工作氣隙上方區(qū)域沉積磨粒的磁場最強，所以當油液從管接頭10進入流道油腔27后，磨粒主要在這個區(qū)域短距離內沉積，由CMOS圖像傳感器19對沉積磨粒進行圖像采集，經過電路板11上的USB數(shù)據傳輸端口12將磨粒圖像傳送到計算機1中進行分析。在計算機1的控制下，通過調節(jié)線圈7中勵磁電流和油泵4流量，在這個磨粒沉積區(qū)可以實現(xiàn)大、小粒度磨粒的分別沉積，所以在工作氣隙上方只需安裝一個CMOS圖像傳感器19就可以實現(xiàn)大小磨粒圖像的采集，大大減小了磁極8的長度，從而減小了鐵譜傳感器5的體積。由于采用電磁勵磁的方式，當圖像采集完畢后，將工作磁場降為零，進行流道15中沉積磨粒的沖刷，為下次磨粒采集作準備，實現(xiàn)磨粒的反復沉積。
透射光源17采用平板發(fā)光二極管陣列，符合CMOS圖像傳感器19的光譜響應范圍，具有光強分布均勻、安裝方便、可靠性高的特點。導光玻璃16采用光學玻璃制作，嵌入到工作氣隙中，不僅起到了為CMOS圖像傳感器19傳導透射光的作用，而且還可以防止污染物進入磨粒圖像采集區(qū)。
參照圖4所示，流道15的中部開了一個槽26，嵌入下底面18，在槽26的底面上又開了一個槽24，嵌入上底面21，上下底面共同組成流道15的油腔27；鏡頭14通過螺紋連接固定在上底面21的上方，并與CMOS圖像傳感器19相連，CMOS圖像傳感器19固定在電路板11上，電路板11上有USB數(shù)據傳輸端口12；流道15的兩端開有兩個通孔25，安裝有連接螺釘9用來實現(xiàn)流道15、磁極8和鐵心6的連接固定；在通孔25的內側開有孔22，安裝管接頭10；在連接孔22的內側，又開了兩個孔23，用于反射光源20電源線的安裝。
在上底面21上粘貼有兩個反射光源20，在進行磨粒圖像采集時，可以提供反射光，這樣就可以觀察到磨粒的表面形貌特征?？紤]到安裝空間非常有限，反射光源20可以采用SMD封裝形式的發(fā)光二極管。
流道15采用不導磁的材料加工而成，為了保證具有一定的連接強度，可以采用黃銅來加工制作流道15。上底面21和下底面18采用高透光率的光學玻璃制作，利于透射光源17和反射光源20作用下CMOS圖像傳感器19對磨粒圖像的采集。上下底面與流道15之間通過環(huán)氧樹脂進行粘接，保證了油腔27具有良好的密封性。
流道15中油腔27寬度是高度的3～7倍，根據理論分析，在這種參數(shù)選擇條件下，流道15中的油液流速分布近似是二維的，可以大大簡化流道15的設計工作。為了使油腔27中的磁場足夠強，下底面18的厚度應該盡可能的減小，同時為了保證下底面18具有一定的強度，下底面18與磁極8的上表面之間留有一定的空隙。
參照圖5所示，流道15的中部開了一個槽，嵌入下底面18，在槽26的底面上有開了一個槽24，嵌入上底面21，上下底面共同組成流道15的油腔27；上底面21安裝有反射光源20；流道15的兩端開有兩個通孔25，安裝有連接螺釘9用來實現(xiàn)流道15、磁極8和鐵心6的連接固定；在通孔25的內側開有孔22，安裝管接頭10；在連接孔22的內側，又開了兩個孔23，用于反射光源20電源線的安裝。
整個裝置在計算機1的控制下進行工作，一方面計算機通過D/A卡2控制功放3的輸出，調節(jié)線圈7中的勵磁電流和油泵4的工作流量；另一方面，在計算機1的控制下，裝置中各個部件按照上述流程配合工作，共同完成磨粒的采集首先選擇需要采集的磨粒類型如果需要采集尺寸為20微米～100微米的大磨粒，計算機1控制鐵譜傳感器5工作在200安匝～800安匝低強度磁場狀態(tài)，油泵4以2ml/min～10ml/min的流量高速抽油，油液抽取完畢，油泵4停止抽油，圖像傳感器19對沉積在下底面18的大磨粒進行圖像采集；如果需要采集尺寸為5微米～20微米的小磨粒，鐵譜傳感器5工作在1000安匝～1600安匝高強度磁場狀態(tài)，油泵4以0.1ml/min～2ml/min的流量低速抽油，油樣抽取完畢，油泵4停止抽油，圖像傳感器19進行小磨粒的圖像采集；將采集到的磨粒圖像傳送到計算機1中進行數(shù)據分析，如果繼續(xù)采集，則返回到采集磨粒類型選擇，否則結束。按照上述方法使用短沉積距離在線鐵譜裝置，能夠實現(xiàn)油液中大、小磨粒的圖像采集，可以對設備的磨損程度和磨損部位作出判斷，有效地保障了設備的安全、可靠運行。
權利要求
1.短沉積距離圖像型在線鐵譜裝置，包括計算機(1)、D/A卡(2)、功放(3)和油泵(4)，其特征在于，計算機(1)通過D/A卡(2)與功放(3)相連，功放(3)的一個輸出通道與鐵譜傳感器(5)的線圈(7)相連并為其提供勵磁電流，功放(3)的另一個通道與油泵(4)相接，通過計算機(1)控制功放(3)的輸出電壓調節(jié)工作磁場強度和油液流量，鐵譜傳感器(5)通過USB接口與計算機(1)相連。
2.根據權利要求1所述的短沉積距離圖像型在線鐵譜裝置，其特征在于，鐵譜傳感器(5)中設置流道(15)，流道(15)中油液流動方向平行于磁極(8)在工作氣隙中產生的磁感應強度的方向，流道(15)中設置油腔(27)，油腔(27)寬度是油腔(27)高度的3～7倍。
3.根據權利要求1所述的短沉積距離圖像型在線鐵譜裝置，其特征在于，流道(15)的上底面(21)上方安裝有反射光源(20)。
4.一種短沉積距離圖像型在線鐵譜方法，其特征在于，用計算機(1)控制磁場和流量的變化，在同一測量區(qū)域實現(xiàn)不同尺寸磨粒的沉積方法首先選擇需要采集的磨粒類型然后，如果需要采集尺寸為20微米～100微米的大磨粒，計算機(1)控制鐵譜傳感器(5)工作在200安匝～800安匝低強度磁場狀態(tài)，油泵(4)以2ml/min～10ml/min的流量高速抽油，油液抽取完畢，油泵(4)停止抽油，圖像傳感器(19)進行尺寸為20微米～100微米的大磨粒的圖像采集；如果需要采集尺寸為5微米～20微米的小磨粒，鐵譜傳感器(5)工作在1000安匝～1600安匝高強度磁場狀態(tài)，油泵(4)以0.1ml/min～2ml/min的流量低速抽油，油樣抽取完畢，油泵(4)停止抽油，圖像傳感器(19)進行尺寸為5微米～20微米的小磨粒的圖像采集；最后，將采集的磨粒圖像傳送到計算機(1)中進行數(shù)據分析；如果繼續(xù)采集，則返回到采集磨粒類型選擇，否則結束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種短沉積距離圖像型在線鐵譜裝置與方法，短沉積距離圖像型在線鐵譜裝置，計算機通過D/A卡與功放相連，功放的一個輸出通道與鐵譜傳感器的線圈相連并為其提供勵磁電流，功放的另一個通道與油泵相接，通過計算機控制功放的輸出電壓調節(jié)工作磁場強度和油液流量，鐵譜傳感器通過USB接口與計算機相連。用計算機控制磁場和流量的變化，在同一測量區(qū)域實現(xiàn)不同尺寸磨粒的沉積方法。實現(xiàn)采集區(qū)域內大、小磨損磨粒的分別沉積，減小了磨粒在工作氣隙上方的沉積距離，只需要一個圖像傳感器就可以實現(xiàn)磨粒圖像采集，自動得到磨粒的粒度分布、濃度和形貌信息，體積小、自動化成度高，易于操作，適合工業(yè)現(xiàn)場使用。
文檔編號G01N33/26GK1811402SQ20061004177
公開日2006年8月2日 申請日期2006年2月9日 優(yōu)先權日2006年2月9日
發(fā)明者謝友柏, 毛軍紅, 王金濤, 袁崇軍 申請人:西安交通大學