一種在線實時磁性顆粒監測系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種在線實時磁性顆粒監測系統，包括封裝好的質量稱重傳感器，石英傳感器晶片、鉻鍍層、金鍍層及磁鐵，所述質量稱重傳感器的內部設有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個電極分別設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置在所述質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部，且能在所述質量稱重傳感器內移動，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成敏感鍍層。本發明具有更好的靈敏度及穩定度及較短的測試時間，而且結構簡單，使用方便。
【專利說明】一種在線實時磁性顆粒監測系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在線實時磁性顆粒監測系統，屬于質量稱重傳感器領域。
【背景技術】
[0002]機器設備比如飛機發動機需要手持式鐵量儀就地檢查設備的狀態。比如飛機在將落后準備再次起飛前，需要監測發動機潤滑油中的磁性顆粒，比如鐵磁顆粒濃度。一般當飛機發動機潤滑油中的鐵磁顆粒達到5PPM，就需要更換潤滑油。很多實驗室設備可以測量到如此低的濃度，但是在線式的實時鐵量儀具有方便，操作簡單，實時監測的優勢。
[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:石英晶體內部每個晶格在不受外力作用時呈正六邊形，若在晶片的兩側施加機械壓力，會使晶格的電荷中心發生偏移而極化，則在晶片相應的方向上將產生電場；反之，若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形，這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，這種現象稱為壓電諧振。它其實與LC回路的諧振現象十分相似:當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個PF到幾十PF ;當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感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，再通過主機將測得的諧振頻率轉化為電信號輸出。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，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量成正比的結論。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量改變Λ M0通過這一關系式可得到QCM電極表面的質量變化。
[0005]QCM主要由石英晶體傳感器、信號檢測和數據處理等部分組成。石英晶體傳感器的基本構成大致是: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，在它的兩個對應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構。在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，其產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]質量秤重傳感器被廣泛應用于顆粒稱量，化學及生物傳感器。石英振蕩天平就是一種質量秤重傳感器。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和質量變化值Λ M有如下的關系:AF = Cf*AM，其中AF為石英天平觀察到的稱重物質前后頻率變化值，Λ M為石英天平觀察到的稱重物質前后質量變化值,Cf為石英天平稱量物質質量時的恒定系數。從上述公式上看，QCM的靈敏度是由Cf決定的。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種更高的靈敏度及穩定度的在線實時磁性顆粒監測系統。
[0008]本發明解決上述技術問題的技術方案如下:一種在線實時磁性顆粒監測系統，包括封裝好的質量稱重傳感器，石英傳感器晶片、鉻鍍層、金鍍層及磁鐵，所述質量稱重傳感器的內部設有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個電極分別設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置在所述質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部，且能在所述質量稱重傳感器內移動，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成敏感鍍層。
[0009]本發明的有益效果是:
[0010]本發明具有更高的靈敏度及穩定度及較短的測試時間，而且結構簡單，使用方便。
[0011]在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
[0012]進一步，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磁性材料或者無機物質制成。
[0013]進一步，所述無機物質為金屬元素及金屬合金。
[0014]所述金屬單質為鐵、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 基等配以適當的S1、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及其復合組分)。
[0016]稀土就是化學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個元素密切相關的元素一鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素，稱為稀土元素。
[0017]進一步，所述有機磁性材料是指含有穩定自由基并具有鐵磁相互作用的有機化合物或含過渡金屬的復合物。
[0018]例如，diethyldith1carbamate-Fe(III)chloridecompound, DNPN(Porphyrindendrimers)等。
[0019]進一步,所述磁鐵為永久磁鐵或電磁鐵，最佳為永久磁鐵。
[0020]進一步，所述磁鐵的移動方向與所述石英傳感器晶片所在方向相垂直，當磁鐵靠近所述石英傳感器晶片時，潤滑油中的磁性顆粒會被吸附在所述質量稱重傳感器的敏感鍍層的表面，當磁鐵遠離所述石英傳感器晶片時，磁性顆粒將返回所述質量稱重傳感器所監測的潤滑油系統，所述質量稱重傳感器的初始參數將復原。
[0021]當QCM傳感器的背面放置磁鐵時，這套系統也可以作為磁性顆粒傳感器。當磁性顆粒被磁鐵吸引到QCM表面時，QCM傳感器的頻率不會下降，反而會因為鐵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。當有磁力時，Sauerbrey公式將不再適用。當磁鐵最鄰近QCM下部而不和QCM接觸時,此傳感器具有最大靈敏度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明使用時所在位置的結構圖；
[0023]圖2為本發明使用時的結構圖；
[0024]圖3為本發明在線實時磁性顆粒監測系統的結構示意圖；
[0025]圖4為圖3中F的局部放大圖；
[0026]圖5為本發明使用的傳感器的頻率隨時間變化的示意圖；
[0027]附圖中，各標號所代表的部件列表如下:
[0028]1、質量稱重傳感器，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、發動機。
【具體實施方式】
[0029]以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。
[0030]一種在線實時磁性顆粒監測系統，如圖2、圖3、圖4所示，包括封裝好的質量稱重傳感器1，石英傳感器晶片2、鉻鍍層4、金鍍層5及磁鐵3，所述質量稱重傳感器I的內部設有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個電極分別設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設置在所述質量稱重傳感器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部，且能在所述質量稱重傳感器I內移動，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、金屬合金或其它磁性無機材料或者有機磁性材料制成。
[0032]所述金屬單質為鐵、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的移動方向與所述石英傳感器晶片2所在方向相垂直，當磁鐵3靠近所述石英傳感器晶片2時，潤滑油中的磁性顆粒7會被吸附在所述質量稱重傳感器I的敏感鍍層6的表面，當磁鐵3遠離所述石英傳感器晶片2時，磁性顆粒7將返回所述質量稱重傳感器I所監測的潤滑油系統，所述質量稱重傳感器I的初始參數將復原。
[0036]每次測試后為了消除吸附在質量稱重傳感器I表面的磁性顆粒7，質量稱重傳感器I內部的磁鐵3可以沿著圖2的A處所示的方向移動。
[0037]當磁鐵3移到足夠遠時候，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，這時磁性顆粒7將從質量稱重傳感器I表面落下，而隨著潤滑油的流動進入潤滑油過濾器9，如圖1所示，B處為本發明所在的位置，然后經過油冷卻裝置10及發動機11，再次進入潤滑油箱8(圖1中箭頭所指方向為潤滑油循環的方向)。
[0038]當潤滑油循環流動時，設備磨損下來的磁性顆粒7隨著油流動的方向而被吸附到質量稱重傳感器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，質量稱重傳感器I的信號是在所述磁鐵3遠離所述石英傳感器晶片2時，磁性顆粒7返回質量稱重傳感器I所監測的潤滑油系統，質量稱重傳感器I的初始參數復原這一過程獲取的。質量稱重傳感器I的信號是頻率的變化量，吸附的磁性材料質量與所述信號的頻率變化量成正比。
[0039]如圖5所示，質量稱重傳感器I持續收集吸附磁性顆粒7，質量稱重傳感器I震蕩頻率也持續增加。圖5中，C處代表Λ f，D處代表Λ t，即代表質量稱重傳感器7從開始工作，開始吸附磁性顆粒7到磁性顆粒7完全離開質量稱重傳感器7的敏感鍍層6表面的時間；E處代表△ &，就是由于磁鐵3離開石英傳感器晶片，導致敏感鍍層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間。C處代表Af，代表E時間內，石英傳感器晶片頻率的變化。所述監測系統的磁性顆粒7濃度與圖5中所述的收集這些材料的時間D-E成反比。
[0040]當循環的油的溫度不斷變化時，問題達到平衡的時間可能需要幾分鐘，也可能油溫一直會處于變化的狀態。所以質量稱重傳感器I的讀數很難穩定。但是當磁鐵3在質量稱重傳感器I內可以移動時，情況就有了變化。磁鐵3從靠近磁性顆粒7到遠離磁性顆粒7使磁力消失，磁性顆粒7脫離QCM表面的時間非常短At，而頻率的變化非常大Af0這樣At時間內QCM失去磁鐵產生的信號就是Af0而這個信號基本不受其他因素(溫度，震動，流動的油)的影響。
[0041]因為測試過程的時間已知，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]真實的磁性顆粒濃度可能和Λ f/V有一定的比例關系，如磁鐵3不能全部吸附流動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。當使用這類傳感器時，傳感器的敏感表面可以在聲表面波石英基底的另外一側。有聲表面波電極的一側是封裝在傳感器內部。磁鐵也是封裝在傳感器內部。其他類型的聲波元件也可以應用此原理。
[0044]對某些聲波器件，當它們的電極只在一側時，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]以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種在線實時磁性顆粒監測系統，其特征在于:包括封裝好的質量稱重傳感器(1)，石英傳感器晶片(2)、鉻鍍層(4)、金鍍層(5)及磁鐵(3)，所述質量稱重傳感器(I)的內部設有石英振蕩電路，所述石英振蕩電路的兩個電極分別設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)設置在所述質量稱重傳感器(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部，且能在所述質量稱重傳感器(I)內移動，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成敏感鍍層(6)。
2.根據權利要求1所述的在線實時磁性顆粒監測系統，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磁性材料或者無機物質制成。
3.根據權利要求2所述的在線實時磁性顆粒監測系統，其特征在于:所述無機物質為金屬兀素及金屬合金。
4.根據權利要求3所述的在線實時磁性顆粒監測系統，其特征在于:所述金屬單質為鐵、鈷或鎳。
5.根據權利要求3所述的在線實時磁性顆粒監測系統，其特征在于:所述金屬合金為鐵合金、鈷合金或鎳合金。
6.根據權利要求3所述的在線實時磁性顆粒監測系統，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的復合組分。
7.根據權利要求2所述的在線實時磁性顆粒監測系統，其特征在于:所述有機磁性材料指含有穩定自由基并具有鐵磁相互作用的有機化合物或含過渡金屬的復合物。
8.根據權利要求1至7任一項所述的在線實時磁性顆粒監測系統，其特征在于:所述磁鐵(3)為永久磁鐵或電磁鐵。
9.根據權利要求8所述的在線實時磁性顆粒監測系統，其特征在于:所述磁鐵(3)為永久磁鐵。
10.根據權利要求1至7任一項所述的在線實時磁性顆粒監測系統，其特征在于:所述磁鐵(3)的移動方向與所述石英傳感器晶片(2)所在方向相垂直，當磁鐵(3)靠近所述石英傳感器晶片(2)時，潤滑油中的磁性顆粒會被吸附在所述質量稱重傳感器(I)的敏感鍍層(6)的表面，當磁鐵(3)遠離所述石英傳感器晶片(2)時，磁性顆粒將返回所述質量稱重傳感器(I)所監測的潤滑油系統，所述質量稱重傳感器(I)的初始參數將復原。
【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 優先權日:2013年8月29日
【發明者】詹姆斯·劉 申請人:北京至感科技有限公司
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