船舶液压油中微小颗粒的快速检测与计数研究

2015年9月机床与液压Sep.2015第43卷第17期MACHINETOOL3HYDRAULICSVol.43No.17DOI:10.3969/j.in1001-3881.2015.17.005船舶液压油中微小颗粒的快速检测与计数研究曾霖\张洪朋\刘恩辰\刘后祥\崔方宇2(1.大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连116026$2.大连春安船舶管理有限公司，辽宁大连116001)摘要：液压系统在船上具有广泛应用，当液压油污染物中出现粒径大于20&m的颗粒时，说明该系统发生了异常磨损，可能导致故障的发生。利用光阻法，设计并制作了微流控油液颗粒检测芯片，搭建了简单有效的光学检测系统，并经信号放大和数据采集实现了对微小颗粒的检测，最后通过Jaa编程实现了对粒径大于20&m颗粒进行计数。对25~38&m的铁颗粒进行快速检测的结果表明，系统的检测性能良好，证明方法是可行的。关键词：船臟压油；微流控检测芯片；微小颗粒检测与计数；故障诊断中图分类号：TH137文献标志码：A文章编号：1001-3881(2015)17-020-4ResearchonRapidDetectionandAccountingofSmallParticlesinMarineHydraulicOilZENGLin1，ZHANGHongpeng1，LIUEnchen1，LIUHouxiang1，CUIFangyu2(1.MarineEngineeringCollege，DalianMaritimeUniversity，DalianLiaoning116026,China;2.DalianChunanShipManagementCo.，Ltd.，DalianLiaoning116001，China)Abstract：Hydraulicsystemiswidelyusedintheship，whenthediameteroftinyparticlesinhydraulicoilexceeds20&m，itindicatesthattlieabnormalwearoccurredandthemalfunctionmaycause.Themicrofluidicdetectionchipforhydraulicoildetectionwasdesignedandfabricatedusingthelightblockagemethod，asimpleandeffectiveopticaldetectionsystemwasdevelopedwiththesignalamplificationanddatacollectiontoachievethedetectionoftinyparticles，andfinHythenumberofparticlesinwhichthediame­terismorethan20&mwascountedthroughtheJAVAprogramming.Theresultsofrapiddetectionsonironparticleswithdiameterbe­tween25&mand38&mshowthegoodperformanceofthedetectionsystemandprovethatthemethodisfeasible.Keywords：Marinehydraulicoil；Microfluidicdetectionchip；Detectionandcountingofsmallparticles；Faultdiagnosis0前言液压系统以其体积小、廳轻、可现无级变速和过载保护、反应灵敏、便于遥控寿命长等优点广泛应用于工业、民用行业。船舶上液压系统的应用十分广泛。相对于其他液压系统，船舶液压系统具有使用强度大、维护管理要求高和工作环境恶劣等特点[1]。实践表明，75%以上的液压系统故障是由于液压油污染所致[2]，其中颗粒污染物主要来自液腿械内部摩擦和外部粉尘异物的侵人。在液压设备正常工作状况下，液压油中磨损污染物具有恒定的浓度以及较小的粒径尺寸，通常为10~20&m。当发生异常磨损时，磨粒浓度将增加，粒径将变得高达50〜100&m[3]。对液压油中的颗粒进行计数检测不但可以准确知道液压系统的磨损状况，而且能根据颗粒的性质对系统进行诊断，因此人们越来越重视对颗粒计数的研究。近些年来，根据测量计数的原理不一样，有关颗粒计数的研究方法可分为光学检测法、电磁学检测法和声学检测法，其中光学检测法以其灵敏度高、检测速度快、可做颗粒形貌分析等特点，被广泛应用于微小颗粒的计数研究[4_5]，光学检测法中最主要的方法之-便是光阻法，其原理是当颗粒在光断数器中穿过时，光感测器会感应由颗粒阻碍引起的光的强度突变[6-]，其雛取决于颗粒迎光面的截面积大小，颗粒麵积越大，被阻碍的光就会越多。由于将图像识别技术[8-]应用于光阻法可以实现颗粒轮廓的识别，故可作为液压油巾臟細雜压雜磨损方式的判断依据。同时，由于光阻的特点和检测优势，光阻检测法也是微流控芯片技术中颗粒检测的主要方法之-。基于微流控技术的光阻检测装置体积小、受外界环境影响小，现已被广泛应用于生物细胞、细菌的检测和计数研究[10]。根据光阻检测法和微流控技术的特点及优势，本文作者采用光阻检测法在微流控芯片内对船舶压油中的微小颗粒进行检测和计数。通过所搭建的微流控光阻检测系统成功的对船舶液压油中的铁颗粒（粒径20~40&m)进行了快速检测，并结合Jav程序实收稿日期！2014-06-22基金项目：国家自然科学基金资助项目（51205034);交通运输部项目（2013329225260);辽宁省教育厅项目（L2012179)作者简介：曾霖（1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向为微流控芯片技术、机电一体化等。E-imil:b〇[e-mail]。第17期曾霖等！船舶液压油中微小颗粒的快速检测与计数研究•21•现了对颗粒的计数。1检测芯片设计制作与聚焦效果仿真1.1检测芯片的设计与制作微流控颗粒计数芯片设计要点如下！⑴所设计的芯片结构对颗粒应具有聚焦作用，以便固体颗粒单个依次的通过检测区域，不出成堆的通过检测区域或者堵塞微通道的现象。(2)所设计的检测芯片制作过程简单，工作性能可靠。⑶能对微通道内的流量进行简单地控制[11]。根据以上设计要点，微流控芯片结构设计如图1所示。图1检测芯片设计图图中I为鞘液池，（为油液池，）为废液池，流道A为鞘液流道，流道B为油液流道，C为油液与鞘液的汇集聚焦区域，D为检测流道，E为光阻检测区域。流道A(B和C的宽度均为100&m，整个芯片各流道的高度为100&m，流道A与B的夹角为30°。（油液池中的油液和I鞘液池中的鞘液在压力驱动下分别经油液样品流道B与鞘液流道A在汇集区域C处压力聚焦，油液在两侧鞘液的夹流作用下实现聚焦，使油液中的固体颗粒呈单排依次通过流道的检测区域。微流控芯片的制作技术方法主要包括软光刻法、模塑法、激光烧蚀法等。文中采用软光刻法制作检测芯片。软光刻法是目前制作高分子聚合物芯片的主要方法，其主要步骤可分为三步：⑴检测芯片掩膜的打印；⑵微流体芯片模具的制作；（3)PDMS的浇注、固化成型和封接[12]。制作完成的检测芯片实物图如图2所示。图2检测芯片实物图1.2聚焦效果仿真为验证所设计的检测计数芯片的聚焦效果，利用ANSYSCFX对芯片结构C(汇集聚焦区域）内部流体的聚焦效果进行模拟仿真，仿真的主要工作流程如图3所示。图3仿真流程图经过后处理的流速仿真结果图如图4所示。其中的颜色对应不同的速度，浅灰色表示速度慢，深灰色表示速度快。从图中可以看出检测流道内部的速度明显较其他区域高，这是由于油液被聚焦之后宽度减小，在流量不变的情况下，聚焦之后的流速较聚焦前要快。图4流速仿真结果图为了更直观地反映聚焦效果，在后处理时将油液和鞘液都设为常量，则图5所示为油液和鞘液在流道内的流动轨迹图，其中深灰色为鞘液，白色为油液，流动方向为从左到右。从图中可以看出，被聚焦之后的油液宽度大概为35&m，由此可知，油液中的固体颗粒也将被聚焦在35&m的宽度范围内，从而实现颗粒呈单排依次通过流道的检测区域。图5流体轨迹图从以上两幅仿真结果图中可以看出，所设计的芯片结构对油液中颗粒的聚焦效果良好，能够保证颗粒依次通检测区域，而不出现颗粒并排或堵塞流道的现•22•机床与液压第43卷象&2检测系统的设计与搭建油液固体颗粒快速检测计数系统主要包括：微流控检测芯片、激光源、光电二极管、微量注射泵、信号放大电路、数据采集板等级部分组成。检测计数系统的搭建即根据各组成部分的功能以及整个系统的需要，将各组成部分搭建在一起。检测系统总图如图6所示。图6检测系统总图实验检测计数系统在搭建过程中，通过Solid-Woks软件绘制出三维图形，并使用3D打印机打印出实验所需的激光器支架、带有光纤插口检测芯片托盘以及整个光路系统的支架。3D打印出来的光路检测支架为了能具有更广泛的应用，同时考虑到光电二极管连接牢固性和连接的难易程度，因此激光器发出的光通过一根光纤后，将光照射在光电二极管上。这样设计的支架在以后的实验中光电元件不但可以使用光电二极管，而且可以使用光电倍增管等其他元件。本实验运用3D打印方式制作的支架实物如图7所示。3检测计数实验与数据分析3.1检测计数实验为避免外界光源对实验准确性产生影响，所以实验是在暗室中进行的。实验中将激光固定在支架上，激光器的中心和光纤插头的中心在同一条轴线上，这样便保证光纤能接收到激光器发射出来的光源。在托盘上放置检测芯片，前后移动芯片的位置使激光器发出的光正好经过检测流道。通过胶管将微泵和废液池连接起来，这样便形成了负压驱动聚集。光纤的另一头正对着光电二极管的感应端。将光电二极管连接在放大电路中，信号放大电路将光电二极管产生的电流信号转换成电压信号，并对电压信号进行放大到100mV以上，放大后的电压信号经过数据采集卡采集后，被送入计算机内，通过LabVIEW数据处理软件对数据信号进行处理、分析并显示。实验所用的检测系统如图8所示。图8检测系统实物图实验中，在检测芯片和托盘之间可以放置一张纸片，纸片上开一个小孔，小孔正对着光纤插口中央。纸片可以挡住部分光源，通过调整小孔的大小便可以调节检测信号的幅值，直到得到理想的信号。之所以通过该方法调节光源强度而不是直接调节激光器，是因为！为了得到较为明显的信号脉冲，激光器发出的光源强度应足够大。但是实验检测的颗粒直径较小，最大的粒径为38&m，如此小的微粒经过检测流道时遮挡光线所产生的光电脉冲会比较小，难以检测区分。3.2检测结果与数据分析所用38&m的铁颗粒和洁净船用液压油配置检测油液样品。实验中检测到的信号图如图9所示。图7光路检测支架图9信号检测图第17期曾霖等！船舶液压油中微小颗粒的快速检测与计数研究•23•由信号图可知，信号幅值最大的约为0.4V左右，最小的约为0.15V。由于铁颗粒是用400目和500目的筛子筛选出来的，所以其中最大的铁颗粒粒径为38&m，同时不可避免的存在一些粒径小于38&m的铁颗粒，所以检测的信号幅值大小不。当液压油中出现粒径大于20&m的颗粒时，即表示液压系统很有可能发生了异常磨损，根据油液中固体污染度分级标准有必要对粒径大于20&m的固体颗粒进行计数。信号图中的信号脉冲数量即为铁颗粒数量。用光阻法检测微小颗粒时，微粒尺寸与表征光能变化的电脉冲幅度之间的关系一般由传统公式[13式中！代表当微粒经过检测流道时产生的电压脉冲幅值'O为检测颗粒在光束方向上的投影面积为光电感应元件的有效接收面积；。为当没有颗粒通过检测流道时产生的电压脉冲幅值。若颗粒为球形，则F为颗粒的直径。由信号图可知，38&m颗粒的信号幅值约为0.4V，则由公式⑴计算可得，20&m颗粒的信号幅值约为0.11V，故选取0.1V最低基准信号幅值，所有信号幅值都跟0.V进行对比，如图10所示，虚线所示幅值即为0.1V，对幅值大于0.1V的信号脉冲将进行计数。考虑到该检测系统将来必定向着应用于便携式油液检测设