[发明专利]用于检测磨损金属的MEMS实现方式

说明书

本申请要求于2015年1月6日提交的美国临时专利申请号62/100,201的权益，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及分析元素，包括机械系统中的金属。因此，本发明允许检测例如润滑剂中的诸如金属的磨损元素，以确定机械系统是否正在恶化，甚至接近故障。本发明涉及一种集成的微机电(MEMS)装置，例如激光诱导击穿光谱(LIBS)装置、选择阵列波导光谱仪或火花诱导击穿光谱，以及使用该装置的方法。

背景技术

常常通过静态的周期性方法来检测润滑流体的状况，通常需要从系统中去除流体，通常通过提取流体样品送到世界各地的测试实验室，这些实验室已建立了测量润滑流体的各方面的数量的程序和方法，包括各种参数的历史时间序列。通常的做法是对流体进行这种基于时间的纵向监测，以检测随时间变化的变化，以了解封闭环境内的性能变化。例如，特定的颗粒以递增的浓度存在可以指示被润滑的系统内的某些潜在组件的磨损程度和性能水平。

该测试通常测量流体随时间的特性的变化，包括检测下面的润滑流体和添加剂的变化和劣化，以及检测由于正常运行导致的运动部件的正常(预期)和异常(意外)“磨损”。静态样品通常发送到执行多项测试的设施，多项测试包括检测外来材料和物体的存在。在某些情况下，例如当润滑流体更换时，润滑过滤器和油通常被发送以用于测试和详细分析。对于样品和过滤器，这是一个破坏性的“毁坏”分析，使得过滤器和样品不能恢复使用，而是经过评估并随后被除去。通常在实验室中进行的测试包括金属和非金属颗粒的检测，水或其他非润滑剂液体的存在，碳烟和其他组分，并且在某些情况下验证润滑剂的基础化学性质仍然完整。在完成测试后，将生成一份书面(或电子)报告并传递给利益相关者。结果通常需要几天或几周的时间才能提取到利益相关者审查。

许多低成本的润滑流体测量产品和技术是可用的，包括电机油样本的用户静态“检查”，其测量电阻抗特性的变化(当在传感器两端施加小电源时的电容和电阻，其中足够的样品大小的润滑剂将传感器电极桥接到检测器两端)。这种方法在油的演化过程中的时间点进行油底壳液体性质的单维测量(即静态测量)，仅当操作者手动提取待测试的油样品时提供洞察，并且只有随时间适当地记录和跟踪数据才能指示电气属性的变化。该方法具有许多缺点，包括间隔采样(仅当操作者进行测量时)，以及由引入到流体中的多个污染物的存在引起的反作用力的可能性，以掩盖润滑剂的真实状态/状态。例如，在汽车发动机的情况下，内燃机的正常运转将由于发动机的运转而产生碳副产物(这是油的脱色)。如果一辆车只生产这种碳“烟灰”，则由于引入烟灰，阻力会改变(增加)。如果同时发动机正在经历不利的“磨损”，使得在内部运动部件之间产生小的金属颗粒作为异常状态，则这些颗粒会降低阻力，因为金属是比基础润滑剂更好的导体。在同时生产烟灰和金属颗粒的情况下，它们可以部分或完全抵消一些或所有可测量的影响——从而提供润滑剂和底层发动机的真实状况的虚假指示。

润滑剂的设计旨在超越其说明的范围工作，并通过添加“添加剂”进一步增强，以延长流体的使用寿命和安全裕度。了解润滑寿命对于系统的安全运行至关重要。通常以非常保守的(即短的)建议间隔执行液体的更换，为操作者提供宽的安全余地。通常，润滑剂可以以较长的间隔工作，或者在特定设备在恶劣环境中操作的情况下(例如在战场上使用的军事设备或采矿作业等)可能需要更激进的更换周期。根据设备/系统制造商确定的规格，确定润滑流体何时不能继续执行是很重要的。只要润滑流体处于安全操作范围内，可以无限期地运行，不需要更换新鲜的润滑流体。

提供流体性能的更精确的测量可以使润滑剂和润滑剂保护的设备的寿命最大化。随着设备和碳氢化合物润滑剂的成本增加，提供润滑剂的更长和更精确的寿命以及早期检测和通知将要发生的设备性能恶化(包括电机，过滤器和系统中的其他部件))的价值也增加。这种方法可以在事先检测到关键设备故障时潜在地挽救生命。此外，如果流体失效并对设备造成破坏，该系统潜在地消除修理/更换潜在/破损的设备所需的资源和时间损失。这种方法也避免了比实际需要更频繁地完成油更换所需的服务和资源的损失。