滑油金属磨粒传感技术研究现状及发展趋势

张 宁，杨思远

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001)

磨粒的大小是机械零部件磨损状态、磨损程度的重要标志，与磨损过程密切相关。尺寸超过100 μm的金属磨粒的数量可以直观反映出发动机的磨损程度[1]，对其进行可靠且及时地监测可以进一步了解摩擦副物质损失的数量及发生磨损的形式，有利于及时对故障进行预警，从而最大程度地降低空难发生的概率。

1 滑油金属磨粒传感器

目前，市场上常见的滑油磨粒传感器主要是基于光学检测、电磁检测以及超声波检测等分析原理制成的。

1.1 光学检测

光学检测法主要包括阴影法和光谱分析法。

阴影法检测精度高，但不能区分金属的性质，而且容易受到气泡的影响。

光谱分析法通过检测滑油中金属原子电磁辐射的波长及强度，分析滑油中金属元素的种类及含量，因为金属原子在各个能级之前进行迁移的时候，往往伴随着能量的改变，会释放或吸收一定频率的波。不同元素受到激发时所发出的光波有所不同，根据其波长所对应的辐射强度，即可判断该种元素的含量，以此方法还可以判断润滑油中金属元素种类。通过元素的含量及种类对磨粒进行分析，来判断包括轴承、连杆、飞轮在内的发动机各重要部件的磨损情况。小于5 μm的金属磨粒都可以通过光谱分析测量。对于粒径为0.01～1 μm的磨粒光谱分析法也有着较高的分析效率。该方法不仅适用于快速检测铜、铝、钛、铁、钴、镍等常用金属，还能够检测包括碳在内的一些非金属元素的百分含量，且可靠性和检测效率都很高。

光谱分析常用的两种方法分别为原子发射光谱法(AES)和原子吸收光谱法(AAS)。前者是利用外力的作用，使被测原子受热呈现出不稳定的状态，使其外层电子从高能级向较低能级迁移。由于不同的元素所发射的光谱有所不同，可以先通过分光器进行分离，然后进行定性和定量的测量。这种方法的缺点是只可以检测到较小的磨粒，对于较大的磨粒或是因疲劳磨损所产生的磨粒无法进行检测。且这种方法需要对油液进行复杂的处理，造价过高，因而应用不是十分广泛。原子吸收光谱法是利用气态原子的最外层电子较为活泼、容易在外界光和热的作用下吸收能量、产生能级跃迁的特性进行检测。这种检测方法的技术成熟度、测量精度都比较高，经过多年的改进，性价比有所提高。但不足的是分析速度较慢，适用元素的范围比较窄，且被测样品数量较少时无法做到准确测量[2]。

1.2 电磁检测

电磁检测主要包含磁感应检测、电容检测、电荷检测和电感检测等技术手段。电磁式金属磨粒传感器可与油路串联，具有液流充分、结构简单、可区分金属性质、不受气泡和振动影响等优点。检测时感应装置的响应速度较快，结果精确，成为了在线滑油金属磨粒检测的主要研究方向和研究内容[3]。

Zuo[4]等人利用电容、一个感应线圈和两个对称的激励线圈组成探头并加以外壳封装制成了差动式电磁感应金属磨粒传感器。励磁线圈和电容组成LC振荡电路，产生动态振荡磁场，并接收外部输入的正弦信号，图1所示电磁法测试原理示意图。

图1 电磁法测试原理示意图Fig.1 Sketch map of principle of electromagnetic testing

两个磁场分别作用在中间的感应线圈上，如果两个励磁线圈产生的磁场完全对称，则感应线圈中点的磁场完全抵消，感应电动势为零。当金属颗粒通过线圈中心管时，磁线圈中心磁导率发生变化引起感应线圈的磁通量变化，产生感应电动势。通过测得的感应电动势大小和相位能够判断出通过磁场中心线的金属粒子的大小、速度和铁磁性。

Du[5]等人将电感-电容(LC)共振方法应用于电感式脉冲磨粒传感器，在电路中增加一个电容器，构成一个并联LC谐振电路，从而提高了传感器的灵敏度。在接近于共振频率的激励频率作用下，共振峰值处的阻抗产生急剧变化，从而使得由金属碎屑颗粒引起的LC电路的阻抗变化被放大，信噪比和灵敏度也有了显著提高。用此LC电路对粒径范围为32～96 μm的铁颗粒和75～172 μm的铜颗粒进行测试，结果表明，平行LC共振法对应的铁和铜颗粒的检测限分别为20 μm和55 μm，而非共振法的检测限分别为45 μm和125 μm。共振法的测试结果显然优于非共振法。

1.3 超声波检测

声波在油液中接触到不规则的金属磨粒时，会发生反射和散射产生回波。研究表明，超声波回波的幅值与磨粒尺寸的三次方呈线性关系，这一关系是可以被量化的，且与磨粒的外形与材料成分有关。基于此，超声波金属磨粒传感器应运而生。超声波金属磨粒传感器主要分为两类，一类是声衰减型超声磨粒传感器，一类是背向声散射型磨粒传感器。某单位跟据声场声压分布原理开发的超声波磨粒检测传感器采用油液双出口型结构，这种传感器的检测下限可达45 μm，通过改变聚焦参数，还可用于检测粒径范围为3～2 000 μm的金属磨粒，且检测的相对误差能够控制在10%以内。超声方法还可用于检测不透明油液中粒径大于250 μm的磨粒，但只有在滑油液中存有少许泡沫的时候可以测量[6]。综合来看，超声波技术的检测精度不高，且超声波容易破坏颗粒物，造成油品的二次污染。基于超声技术制成的传感器多为离线检测，检测结果相对滞后，且检测结果受传感器探头的安放位置、超声波频率的选择等因素的影响过大，故而应用不够广泛。

2 结论与展望

目前，国内外的金属磨粒传感器大多应用的是电磁检测原理。相较于前两者，电磁式金属磨粒传感器的结构简单，适用范围较宽，发展前景更加广阔。但电磁式传感器也会出现误检和漏检状况，这也成为亟待解决的问题。加拿大GasTOPS MetalSCAN、美国MACOM Techalerttm10等机构[7]对于滑油金属磨粒传感器的研究处于行业领先地位。中国国防科技大学、燕山大学等也取得了一些研究成果，但相较于国外还存在较大的差距，精度、稳定性及检测范围等关键参数仍有待提高，研发路途任重道远。