彭 娟，喻其炳，高陳璽，李 川

(重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶400067)

油液中的固體顆粒污染物會(huì)造成元件磨損，引起用油設(shè)備工作性能下降。對(duì)于液壓系統(tǒng)，特別是航空航天產(chǎn)品中所使用的精密液壓系統(tǒng)，油液中顆粒污染物含量控制對(duì)系統(tǒng)工作的可靠性至關(guān)重要;對(duì)于泵類(lèi)元件，污染物將增加伺服閥滯后量，加劇磨損、發(fā)熱、降低效率，進(jìn)而大大縮短元件壽命。據(jù)前蘇聯(lián)統(tǒng)計(jì)資料，每100次飛機(jī)失事中，有20起是由于液壓系統(tǒng)污染引起的。油液中因儀器元件疲勞、腐蝕、磨損等剝落的金屬碎片或顆粒物的含量，可以客觀反映用油系統(tǒng)部件的健康狀況。利用油液顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)得到顆粒污染物的相關(guān)參數(shù)，以此獲悉機(jī)械部件磨損情況，可有效預(yù)防事故的發(fā)生，故對(duì)油中污染顆粒監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究具有非常重要的意義。

隨著油液污染控制技術(shù)的發(fā)展，油液顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)從出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)歷了四、五十年的發(fā)展歷程，并發(fā)展成為一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)，傳感器技術(shù)，化學(xué)分析等技術(shù)為一體的高新技術(shù)，油液顆粒物監(jiān)測(cè)儀則被廣泛應(yīng)用于機(jī)械故障檢測(cè)。

目前，油液顆粒污染物監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備的研究主要分為:側(cè)重于實(shí)驗(yàn)室離線監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備;集中于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)和便攜式監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器。著重介紹油中顆粒物在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，并以全油流顆粒監(jiān)測(cè)傳感器為重點(diǎn)，介紹其硬件結(jié)構(gòu)和常用傳感信號(hào)處理方法。最后對(duì)全油流顆粒監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用前景做出展望。

1 全油流顆粒監(jiān)測(cè)傳感器的研究進(jìn)展

1.1 油液顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展概況

1965年，美國(guó)國(guó)家流體動(dòng)力協(xié)會(huì)(NFPA)通過(guò)對(duì)全美的液壓系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)可靠性調(diào)查發(fā)現(xiàn):液壓系統(tǒng)的故障至少有75%是由于油液及其污染造成的［1］。20世紀(jì)60年代，美國(guó)、英國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家根據(jù)本國(guó)工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、航空、航天、化工、教育、科研等發(fā)展的需要，開(kāi)始研究油液污染監(jiān)測(cè)技術(shù)［2］。對(duì)于油液污染程度的檢測(cè)，最早是采用“目測(cè)法”或“重量法”這樣一類(lèi)粗略的方法，監(jiān)測(cè)其中的“機(jī)械雜質(zhì)”。

進(jìn)入20世紀(jì)70年代和80年代，國(guó)外在油液污染監(jiān)測(cè)技術(shù)研究上進(jìn)展巨大，光譜分析法、能譜分析法、射線分析法、顆粒計(jì)數(shù)器法相應(yīng)發(fā)展起來(lái)，使油液污染度監(jiān)測(cè)技術(shù)取得巨大飛躍［3］。

油液顆粒物在線監(jiān)測(cè)技術(shù)因其具有的監(jiān)測(cè)反饋及時(shí)、過(guò)程簡(jiǎn)單、儀器經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)在眾多監(jiān)測(cè)技術(shù)中脫穎而出，主流技術(shù)包括:濾膜(網(wǎng))堵塞法、光電法、超聲波法、庫(kù)爾特法等。這幾種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，也各有不足，例如濾膜(網(wǎng))堵塞法不受油液顏色、氣泡及乳化液的影響［4］，但儀器價(jià)格昂貴，運(yùn)行成本較高;超聲波法對(duì)顆粒物監(jiān)測(cè)精度高;庫(kù)爾特法不受顆粒形狀、折光率和油液的顏色影響，然而當(dāng)油液中有水分存在時(shí)，監(jiān)測(cè)精度將受到影響等。因?yàn)樯鲜鲈颍土黝w粒監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器的研究受到了廣泛重視。

1.2 全油流顆粒污染物監(jiān)測(cè)技術(shù)

全油流顆粒監(jiān)測(cè)傳感器(In-line wear debris monitor)是一種機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀況在線監(jiān)測(cè)儀。它安裝在回油線上，作為油液的流動(dòng)通道，當(dāng)金屬顆粒物通過(guò)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生監(jiān)測(cè)信號(hào)［5］。其監(jiān)測(cè)原理是基于電磁干擾的。當(dāng)顆粒通過(guò)感應(yīng)線圈時(shí)引起磁場(chǎng)變化，通過(guò)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)或其他相應(yīng)特征信號(hào)進(jìn)行顆粒監(jiān)測(cè)。如加拿大GasTops公司開(kāi)發(fā)的測(cè)量油液中鐵磁性顆粒的FerroSCAN和測(cè)量金屬顆粒的MetalSCAN傳感器［6］。

電磁式全油流顆粒監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖1，主要由傳感線圈、第一驅(qū)動(dòng)線圈、第二驅(qū)動(dòng)線圈等3個(gè)線圈組成，傳感線圈位于線圈架中央，第一驅(qū)動(dòng)線圈和第二驅(qū)動(dòng)線圈反向串聯(lián)在傳感線圈架兩端，通過(guò)交流電驅(qū)動(dòng)使之產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，使傳感線圈所處位置內(nèi)部磁場(chǎng)相互抵消，即接近于零磁場(chǎng)。傳感線圈與信號(hào)處理單元相連接，當(dāng)流過(guò)的油液中有顆粒物經(jīng)過(guò)時(shí)引起磁場(chǎng)變化，傳感線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)鐵磁顆粒和非鐵磁顆粒對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的不同影響，輸出信號(hào)將產(chǎn)生相反的相位，以此區(qū)分鐵磁顆粒和非鐵磁顆粒;同時(shí)傳感線圈輸出信號(hào)的幅值和顆粒大小成正比，可用于判斷顆粒尺寸。

圖1 全油流顆粒監(jiān)測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

全油流顆粒監(jiān)測(cè)傳感器具有較高的顆粒污染物捕獲效率，能夠有效的區(qū)分顆粒類(lèi)型，可連續(xù)、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)油液系統(tǒng)中磨損金屬顆粒數(shù)量、尺寸及總質(zhì)量，可以監(jiān)測(cè)油液系統(tǒng)中磨損顆粒產(chǎn)生的速率;且對(duì)工作環(huán)境有較強(qiáng)適應(yīng)能力，例如MetalSCAN傳感器便能夠用于惡劣環(huán)境，并擁有在危險(xiǎn)區(qū)域使用的證書(shū)［6］。根據(jù)Li和Liang的研究［7］，全油流顆粒監(jiān)測(cè)傳感器不但在油液顆粒污染物監(jiān)測(cè)中有卓越表現(xiàn)，還可應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)。因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，全油流顆粒監(jiān)測(cè)傳感器在液壓系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中有廣泛的應(yīng)用。

2 全油流顆粒監(jiān)測(cè)技術(shù)信號(hào)處理方法

全油流顆粒監(jiān)測(cè)傳感器具有良好的監(jiān)測(cè)效果，但其監(jiān)測(cè)信號(hào)易被背景噪聲和振動(dòng)信號(hào)干擾，導(dǎo)致錯(cuò)誤警報(bào)信號(hào)的發(fā)生，因而需對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，剔除干擾信號(hào)，提取出顆粒信號(hào)。對(duì)于全油流顆粒監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)的常用處理方法有:傳統(tǒng)閾值法，小波峭度結(jié)合法，分?jǐn)?shù)算子法，自適應(yīng)線性增強(qiáng)法和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法。以下將逐一詳細(xì)介紹各種方法。

2.1 傳統(tǒng)閾值法

傳統(tǒng)閾值法是去除傳感信號(hào)中噪聲的典型方法，如MetalSCAN傳感器，便是采用的該種方法。其原理是通過(guò)預(yù)先設(shè)定閾值范圍，當(dāng)感應(yīng)信號(hào)的振幅超出該范圍時(shí)，即認(rèn)為監(jiān)測(cè)到的信號(hào)為顆粒信號(hào)。方法具有監(jiān)測(cè)快速、簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn);但在實(shí)際應(yīng)用中，合適的閾值設(shè)定存在較大困難。只有當(dāng)信噪比較高時(shí)，所設(shè)定的閾值才能有效地區(qū)分顆粒信號(hào)。在實(shí)際情況中，顆粒信號(hào)常被嚴(yán)重的噪聲信號(hào)重疊附加，這使得原設(shè)定的閾值失去真實(shí)意義，相關(guān)研究人員曾使用內(nèi)置濾波器的方法避免該問(wèn)題，先利用濾波器濾掉不需要的信號(hào)成分，再根據(jù)閾值法進(jìn)行信號(hào)處理，但內(nèi)置濾波器的加入并不能完全消除噪聲，同時(shí)會(huì)對(duì)顆粒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。故隨后的信號(hào)處理方法多是閾值同其他處理方法相結(jié)合，可達(dá)到較為理想的處理效果。

2.2 小波峭度結(jié)合法

傳統(tǒng)的小波信號(hào)處理方法需要預(yù)設(shè)定閾值，這使其存在了可用閾值難以確定的弊端。由Fan等人提出的小波峭度結(jié)合法［8］，可以有效地避免這一問(wèn)題。方法利用小波函數(shù)的時(shí)頻分解能力，將傳感信號(hào)進(jìn)行分解，在小波域得到對(duì)應(yīng)的尺度分解分量，同時(shí)利用峭度作為小波分量的檢測(cè)指標(biāo)，在每一個(gè)小波尺度上計(jì)算信號(hào)的峭度，因其對(duì)顆粒性號(hào)的敏感性，通過(guò)分析不同尺度分量的峭度值即可監(jiān)測(cè)到顆粒信號(hào)，并從原信號(hào)中提取出來(lái)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，方法可在噪聲和振動(dòng)干擾的環(huán)境中監(jiān)測(cè)到最小粒徑為125μm的鐵磁顆粒和最小粒徑為169μm的非鐵磁顆粒，可有效地獲悉用油設(shè)備的早期故障，達(dá)到較好的預(yù)警效果。但當(dāng)油液中有粒徑相同的顆粒連續(xù)通過(guò)時(shí)，所監(jiān)測(cè)到的顆粒信號(hào)將會(huì)被方法作為噪聲去除掉。

2.3 分?jǐn)?shù)算子法

整數(shù)微積分算子信號(hào)處理方法因?yàn)樘幚硇Ч^粗糙，無(wú)法達(dá)到高精度要求，故Hong和Liang提出了利用雙監(jiān)測(cè)算法進(jìn)行分?jǐn)?shù)算子的監(jiān)測(cè)方法［9］，方法通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分?jǐn)?shù)階微積分，利用一定方法確定微積分階數(shù)，并分別采用正階次微分和負(fù)階次積分。在此基礎(chǔ)上利用包含一個(gè)信號(hào)提取算法以及一個(gè)特征點(diǎn)定位算法的雙監(jiān)測(cè)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)處理，當(dāng)有顆粒經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，首先利用信號(hào)提取算法提取出信號(hào)，然后利用特征點(diǎn)定位算法確定顆粒信號(hào)的3個(gè)特征點(diǎn)，以確定信號(hào)的真實(shí)性。因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)算子本身具有的濾波特性，信號(hào)提取算法能在含有噪聲的環(huán)境中提取出顆粒信號(hào)。方法可以在高噪聲環(huán)境下提取出低振幅的顆粒信號(hào)，可以有效地監(jiān)測(cè)到最小粒徑為56μm的顆粒，在機(jī)械設(shè)備磨損的早期監(jiān)測(cè)中有令人矚目的貢獻(xiàn)。但同時(shí)，微積分階次的確定較為復(fù)雜，是方法使用過(guò)程中的一大難點(diǎn)。

2.4 自適應(yīng)線性增強(qiáng)法

針對(duì)前述方法的不足，Bozchalooi和Liang提出了一種自適應(yīng)線性增強(qiáng)的全油流顆粒污染傳感系統(tǒng)的提取方法［10］。方法利用小波處理方法將信號(hào)分解，并作為輸入信號(hào)，并根據(jù)自適應(yīng)算法更新線性增強(qiáng)算法的系數(shù)，再將輸出后的延遲信號(hào)與原信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，以輸入和輸出信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性為依據(jù)，尋找相關(guān)性，以確定信號(hào)類(lèi)型。同時(shí)可通過(guò)線性方法增強(qiáng)顆粒信號(hào)，更有效的捕集顆粒信號(hào)。方法的重要的特征在于能夠在未知環(huán)境中有效工作，并能夠跟蹤輸入信號(hào)的時(shí)變特征，但對(duì)于寬頻噪聲的有效去除尚待改進(jìn)。

2.5 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法最初是由美國(guó)NASA的黃鍔博士提出的一種信號(hào)分析方法，Li和M Liang等將其進(jìn)行調(diào)整［11］，并應(yīng)用于全油流顆粒監(jiān)測(cè)傳感信號(hào)處理。方法的關(guān)鍵是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，首先將監(jiān)測(cè)到的復(fù)雜信號(hào)在子空間內(nèi)分解為有限個(gè)本征模函數(shù)，各個(gè)本征模函數(shù)均包含了原有信號(hào)的不同時(shí)間尺度的局部特征信號(hào)，利用一定方法過(guò)濾出噪聲，然后再將剔除噪聲后的本征模函數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，從而獲得顆粒監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，以此獲得監(jiān)測(cè)顆粒的相關(guān)信息。

方法對(duì)于高階本征模函數(shù)利用具有可變截止頻率的高通濾波器進(jìn)行處理，對(duì)于低階本征模函數(shù)利用相關(guān)系數(shù)去除噪聲。通過(guò)積分變換和模態(tài)分解后重建的信號(hào)能更好地反應(yīng)微弱的顆粒信號(hào)。方法依據(jù)數(shù)據(jù)自身的時(shí)間尺度特征進(jìn)行信號(hào)分解，無(wú)須預(yù)先設(shè)定任何基函數(shù)，具有直觀性、直接性、后驗(yàn)性以及自適應(yīng)性，適合于分析非線性、非平穩(wěn)的油中顆粒污染信號(hào)，具有較高的信噪比適應(yīng)能力。方法不僅可以有效地監(jiān)測(cè)信號(hào)，還可以較完整地保存信號(hào)的形態(tài)。但采用該方法，在信號(hào)處理過(guò)程中有部分參量需要提前設(shè)定，這在一定程度上增加了操作難度。

3 全油流顆粒監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

由于油液顆粒污染物監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)、航天航空技術(shù)、軍事領(lǐng)域的重要性，已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)的高度重視，近年來(lái)獲得了迅猛的發(fā)展，已成為結(jié)合傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、化學(xué)分析技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)等多種技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)為一體的新興技術(shù)，極大程度的簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)操作程序、提高了監(jiān)測(cè)精度。

但同時(shí)，現(xiàn)有全油流顆粒監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)，沒(méi)有一種在任何場(chǎng)合和要求均能使用的普適技術(shù)，故未來(lái)全油液顆粒監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)是結(jié)合非金屬顆粒監(jiān)測(cè)、金屬顆粒監(jiān)測(cè)能力為一體的高精度的油液污染監(jiān)測(cè)技術(shù)。同時(shí)各種新興的信號(hào)處理技術(shù)將融合入現(xiàn)有技術(shù)，發(fā)揮現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，補(bǔ)充其不足之處，最大程度的去除噪聲對(duì)信號(hào)的干擾，簡(jiǎn)便高效地捕獲顆粒污染信號(hào)。

全油液顆粒監(jiān)測(cè)傳感器自從首次應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)油液污染監(jiān)測(cè)后，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已在汽輪機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、軍事設(shè)備等液壓系統(tǒng)的油液顆粒污染物監(jiān)測(cè)中做出不俗的貢獻(xiàn)。因?yàn)槠涓咝?zhǔn)確的監(jiān)測(cè)能力，有效地對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的早期磨損進(jìn)行預(yù)警，對(duì)防止進(jìn)一步損傷及事故的發(fā)生起到至關(guān)重要的作用。在未來(lái)，全油流顆粒監(jiān)測(cè)傳感器必將成為液壓系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備上至關(guān)重要的一種監(jiān)測(cè)手段。

4 結(jié)語(yǔ)

油液是機(jī)器的血液，監(jiān)控油液中顆粒污染物含量對(duì)于提高用油設(shè)備性能和延長(zhǎng)壽命都十分重要。選擇科學(xué)的監(jiān)測(cè)方法，對(duì)油液中顆粒污染物進(jìn)行快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，有助于及時(shí)有效地控制油液污染、發(fā)現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)的磨損狀況、防止事故的發(fā)生。雖然現(xiàn)有油液顆粒物監(jiān)測(cè)主流技術(shù)各有優(yōu)劣，但全油流顆粒監(jiān)測(cè)的傳感技術(shù)仍取得了不菲成果，同時(shí)對(duì)于其監(jiān)測(cè)信號(hào)的處理仍需進(jìn)一步研究完善，以滿足更高精度、更快速的監(jiān)測(cè)要求，因此油液顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備的研究將仍然是油液污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。

［1］張賢明，鄧菊莉，李川，等.油液污染度測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(11):226-268

［2］NEWELL G E.Oil analysis cost-effective machine condition monitoring technique［J］.Industrial Lubrication and Tribology，1999(3):119-124

［3］TAKUSO M L.Real-time evaluation of wear particles using electro-magnetic forced rotation and laser scattering［J］.Wear，1998(3):273-284

［4］程健云，楊玲嵐.油液污染度檢測(cè)實(shí)踐［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2008(1):71-74

［5］MILLER J，KITALJEVICH D.In-line oil debris monitor for aircraft engine condition assessment［A］.IEEE Aerospace Conf Proc［C］.USA:2000

［6］趙新澤，劉純天.油液分析中傳感器應(yīng)用及評(píng)述［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，24(2):12-16

［7］LI C，LIANG M.Separation of the vibration-induced signal of oil debris for vibration monitoring［J］.Smart Materials and Structures，2011，20(3):16-20

［8］FAN X，LIANG M，YEAP T.A joint time-invariant wavelet transform and kurtosis approach to the improvement of in-line oil debris sensor capability［J］.Smart Materials and Structures，2009，18(4):85-90

［9］HONG H B，LIANG M.A fractional calculus technique for on-line detection of oil debris［J］.Measurement Science and Technology，2008，19(1):78-81

［10］ BOZCHALOOI I S，LIANG M.In-line identification of oil debris signals:an adaptive subband filtering approach.［J］.Measurement Science and Technology，2010，20(9):14-18

［11］ LI C，LIANG M.Extraction of oil debris signature using integral enhanced empirical mode decomposition and correlated reconstruction［J］.Measurement Science and Technology，2011，22(5):70-75