一種在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，包括封裝好的質(zhì)量稱重傳感器，石英傳感器晶片、鉻鍍層、金鍍層及磁鐵，所述質(zhì)量稱重傳感器的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個(gè)電極分別設(shè)置在所述石英傳感器晶片的上下兩面，所述石英傳感器晶片設(shè)置在所述質(zhì)量稱重傳感器的頂部，所述石英傳感器晶片的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層，所述鉻鍍層的表面上鍍有一層金鍍層，所述磁鐵封裝在所述傳感器內(nèi)部，且能在所述質(zhì)量稱重傳感器內(nèi)移動(dòng)，所述石英傳感器晶片正上方的所述鉻鍍層及所述金鍍層構(gòu)成敏感鍍層。本發(fā)明具有更好的靈敏度及穩(wěn)定度及較短的測試時(shí)間，而且結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。
【專利說明】一種在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，屬于質(zhì)量稱重傳感器領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)器設(shè)備比如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)需要手持式鐵量儀就地檢查設(shè)備的狀態(tài)。比如飛機(jī)在將落后準(zhǔn)備再次起飛前，需要監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油中的磁性顆粒，比如鐵磁顆粒濃度。一般當(dāng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油中的鐵磁顆粒達(dá)到5PPM，就需要更換潤滑油。很多實(shí)驗(yàn)室設(shè)備可以測量到如此低的濃度，但是在線式的實(shí)時(shí)鐵量儀具有方便，操作簡單，實(shí)時(shí)監(jiān)測的優(yōu)勢。
[0003]鐵量儀的傳感器使用聲波傳感器比如石英微天平。石英晶體微天平(QCM)最基本的原理是利用了石英晶體的壓電效應(yīng):石英晶體內(nèi)部每個(gè)晶格在不受外力作用時(shí)呈正六邊形，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，會(huì)使晶格的電荷中心發(fā)生偏移而極化，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場；反之，若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。它其實(shí)與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似:當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個(gè)PF到幾十PF ;當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來等效，一般L的值為幾十mH到幾百mH。由此就構(gòu)成了石英晶體微天平的振蕩器，電路的振蕩頻率等于石英晶體振蕩片的諧振頻率，再通過主機(jī)將測得的諧振頻率轉(zhuǎn)化為電信號輸出。由于晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。
[0004]1959年Sauerbrey在假定外加持量均勻剛性地附著于QCM的金電極表面的條件下，得出了 QCM的諧振頻率變化與外加質(zhì)量成正比的結(jié)論。對于剛性沉積物，晶體振蕩頻率變化Λ F正比于工作電極上沉積物的質(zhì)量改變?chǔ)?M0通過這一關(guān)系式可得到QCM電極表面的質(zhì)量變化。
[0005]QCM主要由石英晶體傳感器、信號檢測和數(shù)據(jù)處理等部分組成。石英晶體傳感器的基本構(gòu)成大致是:從一塊石英晶體上沿著與石英晶體主光軸成35° 15’切割(AT — CUT)得到石英晶體振蕩片，在它的兩個(gè)對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，石英晶體夾在兩片電極中間形成三明治結(jié)構(gòu)。在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。
[0006]質(zhì)量秤重傳感器被廣泛應(yīng)用于顆粒稱量，化學(xué)及生物傳感器。石英振蕩天平就是一種質(zhì)量秤重傳感器。石英稱重天平的靈敏度是從Sauerbrey方程得來，石英振蕩天平頻率變化值Λ F和質(zhì)量變化值Λ M有如下的關(guān)系:AF = Cf*AM，其中AF為石英天平觀察到的稱重物質(zhì)前后頻率變化值，Λ M為石英天平觀察到的稱重物質(zhì)前后質(zhì)量變化值,Cf為石英天平稱量物質(zhì)質(zhì)量時(shí)的恒定系數(shù)。從上述公式上看，QCM的靈敏度是由Cf決定的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種更高的靈敏度及穩(wěn)定度的在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，包括封裝好的質(zhì)量稱重傳感器，石英傳感器晶片、鉻鍍層、金鍍層及磁鐵，所述質(zhì)量稱重傳感器的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個(gè)電極分別設(shè)置在所述石英傳感器晶片的上下兩面，所述石英傳感器晶片設(shè)置在所述質(zhì)量稱重傳感器的頂部，所述石英傳感器晶片的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層，所述鉻鍍層的表面上鍍有一層金鍍層，所述磁鐵封裝在所述傳感器內(nèi)部，且能在所述質(zhì)量稱重傳感器內(nèi)移動(dòng)，所述石英傳感器晶片正上方的所述鉻鍍層及所述金鍍層構(gòu)成敏感鍍層。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
[0010]本發(fā)明具有更高的靈敏度及穩(wěn)定度及較短的測試時(shí)間，而且結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。
[0011]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0012]進(jìn)一步，所述磁鐵所吸附的磁性顆粒位于所述敏感鍍層的表面，所述磁鐵所吸附的磁性顆粒由有機(jī)磁性材料或者無機(jī)物質(zhì)制成。
[0013]進(jìn)一步，所述無機(jī)物質(zhì)為金屬元素及金屬合金。
[0014]所述金屬單質(zhì)為鐵、鈷或鎳。所述金屬合金為鐵合金、鈷合金或鎳合金。
[0015]具體包括MnBi, AlNico，AlNiCo, FeCr, FeCrCo, FeCrMo, FeAlC, FeCo, FeCoV.FeCoff, FeCrCo，Re — Co (Re 代表稀土元素)，PtCo, MnAlC, CuNiFe, AlMnAg, M0.6Fe203, M 代表 Ba、Sr、Pb 或 SrCa、LaCa, FeNi (Mo)、FeS1、FeAl, Fe 基、Co 基、FeNi 基或 FeNiCo 基等配以適當(dāng)?shù)腟1、B、P和其他摻雜元素。FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基鐵和鐵氧體。M 0.Fe2O3 (M ^表 NiZn、MnZn、MgZn、Lil/2Fel/2Zn、CaZn 等)，Ba3Me2Fe24041 (Me 代表 Co、N1、Mg、Zn、Cu及其復(fù)合組分)。
[0016]稀土就是化學(xué)元素周期表中鑭系元素一鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、欽(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，以及與鑭系的15個(gè)元素密切相關(guān)的元素一鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素，稱為稀土元素。
[0017]進(jìn)一步，所述有機(jī)磁性材料是指含有穩(wěn)定自由基并具有鐵磁相互作用的有機(jī)化合物或含過渡金屬的復(fù)合物。
[0018]例如，diethyldith1carbamate-Fe(III)chloridecompound, DNPN(Porphyrindendrimers)等。
[0019]進(jìn)一步,所述磁鐵為永久磁鐵或電磁鐵，最佳為永久磁鐵。
[0020]進(jìn)一步，所述磁鐵的移動(dòng)方向與所述石英傳感器晶片所在方向相垂直，當(dāng)磁鐵靠近所述石英傳感器晶片時(shí)，潤滑油中的磁性顆粒會(huì)被吸附在所述質(zhì)量稱重傳感器的敏感鍍層的表面，當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離所述石英傳感器晶片時(shí)，磁性顆粒將返回所述質(zhì)量稱重傳感器所監(jiān)測的潤滑油系統(tǒng)，所述質(zhì)量稱重傳感器的初始參數(shù)將復(fù)原。
[0021]當(dāng)QCM傳感器的背面放置磁鐵時(shí)，這套系統(tǒng)也可以作為磁性顆粒傳感器。當(dāng)磁性顆粒被磁鐵吸引到QCM表面時(shí)，QCM傳感器的頻率不會(huì)下降，反而會(huì)因?yàn)殍F磁力對晶片造成的形變而上升。磁鐵與磁性顆粒的距離越近，此傳感器的靈敏度越高。當(dāng)有磁力時(shí)，Sauerbrey公式將不再適用。當(dāng)磁鐵最鄰近QCM下部而不和QCM接觸時(shí),此傳感器具有最大靈敏度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明使用時(shí)所在位置的結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2為本發(fā)明使用時(shí)的結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖3為本發(fā)明在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4為圖3中F的局部放大圖；
[0026]圖5為本發(fā)明使用的傳感器的頻率隨時(shí)間變化的示意圖；
[0027]附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下:
[0028]1、質(zhì)量稱重傳感器，2、石英傳感器晶片，3、磁鐵，4、鉻鍍層，5、金鍍層，6、敏感鍍層，7、磁性顆粒，8、潤滑油箱，9、過濾器，10、油冷卻裝置，11、發(fā)動(dòng)機(jī)。

【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0030]一種在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，如圖2、圖3、圖4所示，包括封裝好的質(zhì)量稱重傳感器1，石英傳感器晶片2、鉻鍍層4、金鍍層5及磁鐵3，所述質(zhì)量稱重傳感器I的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個(gè)電極分別設(shè)置在所述石英傳感器晶片2的上下兩面，所述石英傳感器晶片2設(shè)置在所述質(zhì)量稱重傳感器I的頂部，所述石英傳感器晶片2的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層4，所述鉻鍍層4的表面上鍍有一層金鍍層5，所述磁鐵3封裝在所述傳感器內(nèi)部，且能在所述質(zhì)量稱重傳感器I內(nèi)移動(dòng)，所述石英傳感器晶片2正上方的所述鉻鍍層及所述金鍍層構(gòu)成敏感鍍層6。
[0031]所述磁鐵3所吸附的磁性顆粒位于所述敏感鍍層6的表面，所述磁鐵3所吸附的磁性顆粒為金屬單質(zhì)、金屬合金或其它磁性無機(jī)材料或者有機(jī)磁性材料制成。
[0032]所述金屬單質(zhì)為鐵、鈷或鎳。所述金屬合金為鐵合金、鈷合金或鎳合金。
[0033]所述金屬合金為AlNiCo或NdFeB。
[0034]所述磁鐵3為永久磁鐵或電磁鐵，最佳為永久磁鐵。
[0035]所述磁鐵3的移動(dòng)方向與所述石英傳感器晶片2所在方向相垂直，當(dāng)磁鐵3靠近所述石英傳感器晶片2時(shí)，潤滑油中的磁性顆粒7會(huì)被吸附在所述質(zhì)量稱重傳感器I的敏感鍍層6的表面，當(dāng)磁鐵3遠(yuǎn)離所述石英傳感器晶片2時(shí)，磁性顆粒7將返回所述質(zhì)量稱重傳感器I所監(jiān)測的潤滑油系統(tǒng)，所述質(zhì)量稱重傳感器I的初始參數(shù)將復(fù)原。
[0036]每次測試后為了消除吸附在質(zhì)量稱重傳感器I表面的磁性顆粒7，質(zhì)量稱重傳感器I內(nèi)部的磁鐵3可以沿著圖2的A處所示的方向移動(dòng)。
[0037]當(dāng)磁鐵3移到足夠遠(yuǎn)時(shí)候，磁性顆粒7和磁鐵3之間的磁力將小于磁性顆粒7的重力，這時(shí)磁性顆粒7將從質(zhì)量稱重傳感器I表面落下，而隨著潤滑油的流動(dòng)進(jìn)入潤滑油過濾器9，如圖1所示，B處為本發(fā)明所在的位置，然后經(jīng)過油冷卻裝置10及發(fā)動(dòng)機(jī)11，再次進(jìn)入潤滑油箱8(圖1中箭頭所指方向?yàn)闈櫥脱h(huán)的方向)。
[0038]當(dāng)潤滑油循環(huán)流動(dòng)時(shí)，設(shè)備磨損下來的磁性顆粒7隨著油流動(dòng)的方向而被吸附到質(zhì)量稱重傳感器I的表面，由于磁力大于重力，傳感器QCM(石英微天平)的頻率將增加，質(zhì)量稱重傳感器I的信號是在所述磁鐵3遠(yuǎn)離所述石英傳感器晶片2時(shí)，磁性顆粒7返回質(zhì)量稱重傳感器I所監(jiān)測的潤滑油系統(tǒng)，質(zhì)量稱重傳感器I的初始參數(shù)復(fù)原這一過程獲取的。質(zhì)量稱重傳感器I的信號是頻率的變化量，吸附的磁性材料質(zhì)量與所述信號的頻率變化量成正比。
[0039]如圖5所示，質(zhì)量稱重傳感器I持續(xù)收集吸附磁性顆粒7，質(zhì)量稱重傳感器I震蕩頻率也持續(xù)增加。圖5中，C處代表Λ f，D處代表Λ t，即代表質(zhì)量稱重傳感器7從開始工作，開始吸附磁性顆粒7到磁性顆粒7完全離開質(zhì)量稱重傳感器7的敏感鍍層6表面的時(shí)間；E處代表△ &，就是由于磁鐵3離開石英傳感器晶片，導(dǎo)致敏感鍍層6表面的磁性顆粒7全部脫離敏感鍍層6表面，石英傳感器晶片所受磁力消失所需的時(shí)間。C處代表Af，代表E時(shí)間內(nèi)，石英傳感器晶片頻率的變化。所述監(jiān)測系統(tǒng)的磁性顆粒7濃度與圖5中所述的收集這些材料的時(shí)間D-E成反比。
[0040]當(dāng)循環(huán)的油的溫度不斷變化時(shí)，問題達(dá)到平衡的時(shí)間可能需要幾分鐘，也可能油溫一直會(huì)處于變化的狀態(tài)。所以質(zhì)量稱重傳感器I的讀數(shù)很難穩(wěn)定。但是當(dāng)磁鐵3在質(zhì)量稱重傳感器I內(nèi)可以移動(dòng)時(shí)，情況就有了變化。磁鐵3從靠近磁性顆粒7到遠(yuǎn)離磁性顆粒7使磁力消失，磁性顆粒7脫離QCM表面的時(shí)間非常短At，而頻率的變化非常大Af0這樣At時(shí)間內(nèi)QCM失去磁鐵產(chǎn)生的信號就是Af0而這個(gè)信號基本不受其他因素(溫度，震動(dòng)，流動(dòng)的油)的影響。
[0041]因?yàn)闇y試過程的時(shí)間已知，就能知道多少體積的油流過QCM，于是Λ f就是單位體積潤滑油所含的磁性顆粒7，也就是潤滑油中的磁性顆粒濃度。
[0042]真實(shí)的磁性顆粒濃度可能和Λ f/V有一定的比例關(guān)系，如磁鐵3不能全部吸附流動(dòng)中的油所含的磁性顆粒7。
[0043]有些聲波傳感器比如聲表面波，它的電極只在傳感器石英基底的一側(cè)。當(dāng)使用這類傳感器時(shí)，傳感器的敏感表面可以在聲表面波石英基底的另外一側(cè)。有聲表面波電極的一側(cè)是封裝在傳感器內(nèi)部。磁鐵也是封裝在傳感器內(nèi)部。其他類型的聲波元件也可以應(yīng)用此原理。
[0044]對某些聲波器件，當(dāng)它們的電極只在一側(cè)時(shí)，其器件基底可以從背面腐蝕，減少基底厚度，從而提聞傳感器的靈敏度。
[0045]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括封裝好的質(zhì)量稱重傳感器(1)，石英傳感器晶片(2)、鉻鍍層(4)、金鍍層(5)及磁鐵(3)，所述質(zhì)量稱重傳感器(I)的內(nèi)部設(shè)有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個(gè)電極分別設(shè)置在所述石英傳感器晶片(2)的上下兩面，所述石英傳感器晶片(2)設(shè)置在所述質(zhì)量稱重傳感器(I)的頂部，所述石英傳感器晶片(2)的上表面和下表面分別鍍有一層鉻鍍層(4)，所述鉻鍍層(4)的表面上鍍有一層金鍍層(5)，所述磁鐵(3)封裝在所述傳感器內(nèi)部，且能在所述質(zhì)量稱重傳感器(I)內(nèi)移動(dòng)，所述石英傳感器晶片(2)正上方的所述鉻鍍層及所述金鍍層構(gòu)成敏感鍍層(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述磁鐵(3)所吸附的磁性顆粒位于所述敏感鍍層￠)的表面，所述磁鐵(3)所吸附的磁性顆粒由有機(jī)磁性材料或者無機(jī)物質(zhì)制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述無機(jī)物質(zhì)為金屬兀素及金屬合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述金屬單質(zhì)為鐵、鈷或鎳。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述金屬合金為鐵合金、鈷合金或鎳合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述所述金屬合金 % MnBi, AlNiCo, FeCr, FeCrCo, FeCrMo, FeAlC, FeCo, FeCoV, FeCoff, FeCrCo ；或PtCo, MnAlC, CuNiFe, AlMnAg ;或 M0.6Fe203,所述 M 代表 Ba、Sr、Pb 或 SrCa、LaCa, FeN1、FeSi, FeAl, Fe 基、Co 基、FeNi 基或 FeNiCo 基;或 FeNiMo、FeSiAl ;或舭.Fe2O3，所述 M 代表 Ni Zn、MnZn、MgZn、CaZn ；或 Ba3Me2Fe24041，所述 Me 代表 C。、N1、Mg、Zn、Cu 及其 C。、N1、Mg、Zn、Cu的復(fù)合組分。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述有機(jī)磁性材料指含有穩(wěn)定自由基并具有鐵磁相互作用的有機(jī)化合物或含過渡金屬的復(fù)合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述磁鐵(3)為永久磁鐵或電磁鐵。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述磁鐵(3)為永久磁鐵。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的在線實(shí)時(shí)磁性顆粒監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述磁鐵(3)的移動(dòng)方向與所述石英傳感器晶片(2)所在方向相垂直，當(dāng)磁鐵(3)靠近所述石英傳感器晶片(2)時(shí)，潤滑油中的磁性顆粒會(huì)被吸附在所述質(zhì)量稱重傳感器(I)的敏感鍍層(6)的表面，當(dāng)磁鐵(3)遠(yuǎn)離所述石英傳感器晶片(2)時(shí)，磁性顆粒將返回所述質(zhì)量稱重傳感器(I)所監(jiān)測的潤滑油系統(tǒng)，所述質(zhì)量稱重傳感器(I)的初始參數(shù)將復(fù)原。
【文檔編號】G01N5/02GK104165819SQ201410400309
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】詹姆斯·劉 申請人:北京至感科技有限公司