滑油金屬磨粒傳感技術研究現狀及發展趨勢

張 寧，楊思遠

(中國電子科技集團公司第四十九研究所，哈爾濱 150001)

磨粒的大小是機械零部件磨損狀態、磨損程度的重要標志，與磨損過程密切相關。尺寸超過100 μm的金屬磨粒的數量可以直觀反映出發動機的磨損程度[1]，對其進行可靠且及時地監測可以進一步了解摩擦副物質損失的數量及發生磨損的形式，有利于及時對故障進行預警，從而最大程度地降低空難發生的概率。

1 滑油金屬磨粒傳感器

目前，市場上常見的滑油磨粒傳感器主要是基于光學檢測、電磁檢測以及超聲波檢測等分析原理制成的。

1.1 光學檢測

光學檢測法主要包括陰影法和光譜分析法。

陰影法檢測精度高，但不能區分金屬的性質，而且容易受到氣泡的影響。

光譜分析法通過檢測滑油中金屬原子電磁輻射的波長及強度，分析滑油中金屬元素的種類及含量，因為金屬原子在各個能級之前進行遷移的時候，往往伴隨著能量的改變，會釋放或吸收一定頻率的波。不同元素受到激發時所發出的光波有所不同，根據其波長所對應的輻射強度，即可判斷該種元素的含量，以此方法還可以判斷潤滑油中金屬元素種類。通過元素的含量及種類對磨粒進行分析，來判斷包括軸承、連桿、飛輪在內的發動機各重要部件的磨損情況。小于5 μm的金屬磨粒都可以通過光譜分析測量。對于粒徑為0.01～1 μm的磨粒光譜分析法也有著較高的分析效率。該方法不僅適用于快速檢測銅、鋁、鈦、鐵、鈷、鎳等常用金屬，還能夠檢測包括碳在內的一些非金屬元素的百分含量，且可靠性和檢測效率都很高。

光譜分析常用的兩種方法分別為原子發射光譜法(AES)和原子吸收光譜法(AAS)。前者是利用外力的作用，使被測原子受熱呈現出不穩定的狀態，使其外層電子從高能級向較低能級遷移。由于不同的元素所發射的光譜有所不同，可以先通過分光器進行分離，然后進行定性和定量的測量。這種方法的缺點是只可以檢測到較小的磨粒，對于較大的磨?；蚴且蚱谀p所產生的磨粒無法進行檢測。且這種方法需要對油液進行復雜的處理，造價過高，因而應用不是十分廣泛。原子吸收光譜法是利用氣態原子的最外層電子較為活潑、容易在外界光和熱的作用下吸收能量、產生能級躍遷的特性進行檢測。這種檢測方法的技術成熟度、測量精度都比較高，經過多年的改進，性價比有所提高。但不足的是分析速度較慢，適用元素的范圍比較窄，且被測樣品數量較少時無法做到準確測量[2]。

1.2 電磁檢測

電磁檢測主要包含磁感應檢測、電容檢測、電荷檢測和電感檢測等技術手段。電磁式金屬磨粒傳感器可與油路串聯，具有液流充分、結構簡單、可區分金屬性質、不受氣泡和振動影響等優點。檢測時感應裝置的響應速度較快，結果精確，成為了在線滑油金屬磨粒檢測的主要研究方向和研究內容[3]。

Zuo[4]等人利用電容、一個感應線圈和兩個對稱的激勵線圈組成探頭并加以外殼封裝制成了差動式電磁感應金屬磨粒傳感器。勵磁線圈和電容組成LC振蕩電路，產生動態振蕩磁場，并接收外部輸入的正弦信號，圖1所示電磁法測試原理示意圖。

圖1 電磁法測試原理示意圖Fig.1 Sketch map of principle of electromagnetic testing

兩個磁場分別作用在中間的感應線圈上，如果兩個勵磁線圈產生的磁場完全對稱，則感應線圈中點的磁場完全抵消，感應電動勢為零。當金屬顆粒通過線圈中心管時，磁線圈中心磁導率發生變化引起感應線圈的磁通量變化，產生感應電動勢。通過測得的感應電動勢大小和相位能夠判斷出通過磁場中心線的金屬粒子的大小、速度和鐵磁性。

Du[5]等人將電感-電容(LC)共振方法應用于電感式脈沖磨粒傳感器，在電路中增加一個電容器，構成一個并聯LC諧振電路，從而提高了傳感器的靈敏度。在接近于共振頻率的激勵頻率作用下，共振峰值處的阻抗產生急劇變化，從而使得由金屬碎屑顆粒引起的LC電路的阻抗變化被放大，信噪比和靈敏度也有了顯著提高。用此LC電路對粒徑范圍為32～96 μm的鐵顆粒和75～172 μm的銅顆粒進行測試，結果表明，平行LC共振法對應的鐵和銅顆粒的檢測限分別為20 μm和55 μm，而非共振法的檢測限分別為45 μm和125 μm。共振法的測試結果顯然優于非共振法。

1.3 超聲波檢測

聲波在油液中接觸到不規則的金屬磨粒時，會發生反射和散射產生回波。研究表明，超聲波回波的幅值與磨粒尺寸的三次方呈線性關系，這一關系是可以被量化的，且與磨粒的外形與材料成分有關?；诖耍暡ń饘倌チ鞲衅鲬\而生。超聲波金屬磨粒傳感器主要分為兩類，一類是聲衰減型超聲磨粒傳感器，一類是背向聲散射型磨粒傳感器。某單位跟據聲場聲壓分布原理開發的超聲波磨粒檢測傳感器采用油液雙出口型結構，這種傳感器的檢測下限可達45 μm，通過改變聚焦參數，還可用于檢測粒徑范圍為3～2 000 μm的金屬磨粒，且檢測的相對誤差能夠控制在10%以內。超聲方法還可用于檢測不透明油液中粒徑大于250 μm的磨粒，但只有在滑油液中存有少許泡沫的時候可以測量[6]。綜合來看，超聲波技術的檢測精度不高，且超聲波容易破壞顆粒物，造成油品的二次污染。基于超聲技術制成的傳感器多為離線檢測，檢測結果相對滯后，且檢測結果受傳感器探頭的安放位置、超聲波頻率的選擇等因素的影響過大，故而應用不夠廣泛。

2 結論與展望

目前，國內外的金屬磨粒傳感器大多應用的是電磁檢測原理。相較于前兩者，電磁式金屬磨粒傳感器的結構簡單，適用范圍較寬，發展前景更加廣闊。但電磁式傳感器也會出現誤檢和漏檢狀況，這也成為亟待解決的問題。加拿大GasTOPS MetalSCAN、美國MACOM Techalerttm10等機構[7]對于滑油金屬磨粒傳感器的研究處于行業領先地位。中國國防科技大學、燕山大學等也取得了一些研究成果，但相較于國外還存在較大的差距，精度、穩定性及檢測范圍等關鍵參數仍有待提高，研發路途任重道遠。