多模态流体状况传感器平台及其系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明包括用于包含于诸如汽车往复式发动机和车辆变速器的循环系统内的流体的各个方面的多模态综合同步测量的实施例。这些循环系统执行不断的内部润滑以及散热和污染物去除，以保护内部运动部件在正常操作中不受固有的摩擦影响以及不会损坏。最常见的是，这以基于碳氢化合物和/或相关的合成物的流体来实现，这些流体能够随时间而失去它们的保护性，并且由于内部及外部事件它们的性能会改变或者分解/变质。在润滑流体内的若干成分能够被测量并且能够提供对系统执行其设计好的任务的效能的洞悉。本文所描述的是用于早期预警通知的实时的、同步的、综合的多模态传感器系统。
【背景技术】
[0002]本发明的领域涉及(但不限于)汽车工业。特别地，本发明的领域涉及机械发动机以及使用在高温环境下工作的运动型润滑流体的大型机械设备。对于这些润滑剂，将是有利的是实时地监测不断变化的流体性质、污染物含量及性能变化，以确保正受到润滑系统保护的设备安全可靠的运行。这种方法应用于汽车、飞机或航天器、工业设备、风力发电机、救生医疗器械以及其他关键器件。流体的状况通常使用静态的周期性方法来检测，这种方法典型地需要从系统中去除流体并且通常通过提取流体的样本发送到世界各地的测试实验室来进行，这些测试实验室已经建立起用于测量润滑流体的众多方面(包括各种参数的历史时间序列)的程序和方法，通常的做法是对流体应用这样的基于时间的纵向监测以检测出随时间的变化，从而了解封闭环境内的性能变化，例如，浓度不断增大的特定粒子的存在能够指示在受到润滑的系统内的某些底层构件的磨损及性能的水平。这种测试典型地测量流体特性随时间的变化，包括检测底层的润滑流体和添加剂的变化和劣化以及对因正常操作所致的移动部分的正常(意料中的)及异常(意料外的)“磨损”。静态样本通常被发送到可执行众多测试的设施，这些测试包括检测是否存在外来材料和物体。在某些情况下，例如当润滑流体改变时，通常要发送润滑滤清器以及机油，用于测试及具体的分析。对于样本和滤清器，这是破坏性的“拆卸式”分析一一使得该滤清器和样本不可再返回使用，而是被评估并随后被去除。在实验室中典型执行的测试包括检测金属及非金属粒子，是否存在水或其他非润滑流体、碳烟及其他成分，并且在某些情况下，验证润滑剂的基本化学性质尚未受影响。书面(或电子)报告在测试完成时被生成并被发送给相关人(stakeholder)。从提取到相关人可查看(review)结果通常需要数天或数周。
[0003]众多低成本的润滑流体测量产品和技术不断涌现到市场上一一包括用于测量电阻抗特性(在小电源被施加于传感器上时的电容和电阻，在该传感器中样本量足够多的润滑剂将传感器电极桥接到检测器上)的变化的机油样本的消费者晶态“检查”(见lubrieheck.com)。这种方法在机油演变的某个时间点对油底壳流体的性质执行单维测量(即，静态测量)，仅提供在操作员手动提取待测试的油样时的洞悉，并且只在对数据进行适当记录并随时间进行跟踪时才指示电性质变化。这种方法具有许多缺点，包括间隔采样(仅在操作员进行测量时)，以及抵消因存在被引入流体内的多种污染物而掩盖润滑剂的真实状况/状况的影响(force)的可能性。例如，在汽车发动机的情形中，内燃机的正常工作会由于发动机的工作而产生碳副产物(这是使油变色的产物)。如果车辆只是正在产生这种碳“烟”，则电阻会由于碳烟的引入而改变(增大)。如果与此同时发动机正经受到不利的“磨损”，到了金属小颗粒作为异常状况产生于内部运动部件间的程度，则这些颗粒将会就降低电阻，因为金属相对是比基础润滑剂更好的导体。在碳烟和金属颗粒两者都同时在产生的情况下，它们能够部分或完全消除一些或所有可测量的效果一一从而提供关于润滑剂和底层发动机的真实状况的错误指示，通过比较进行的测试实验室分析执行众多测试，这些测试将能够单独地检测出在基础润滑流体中存在这两种材料并且提供关于流体及最终系统的状况的准确报告。
[0004]润滑流体必须适应广泛的操作条件一一包括温度、压力、纯度的变化以及状态的变化。润滑剂通常针对特定的操作环境和温度范围进行优化并且以粘度来表示。一些润滑剂被设计用于在多种粘度下工作(例如，10W-30多级粘度机油)。典型地，对流体状况及性质的测量是静态的并且经由在处于静态的/非操作的状态时进行的采样在这种操作环境的外部进行。静态采样不一定会验证在操作状态下的流体的状况一一是处于正常的/典型的操作范围之内还是之外。已存在已为实时地测量润滑流体及其他液体而研发出的昂贵复杂的传感器一一要么用于实验室环境和条件下要么用于即时的传感器润滑信息很关键的价值非常高的机器。诸如Voelker传感器公司之类的公司为机床工业提供了用于实时地测量包括油位(oil level)、氧化(pH值变化)、温度等在内的众多参数的产品。该传感器元件不是基于MEMS的并且具有更大的占用面积(footprint)，并且在尺寸/形状因子(form factor)方面不适合于在汽车机油/润滑系统中工作(“Continuous Oil Condit1nMonitoring for machine Tool and Industrial Processing Equipment，，，Practicing OilAnalysis (9/2003))。
[0005]在集成电路的多模态传感器系统的领域之外，已经存在关于连续的电性质测量的各种实施方式，这些测量由 Halalay (7, 835, 875^6, 922, 064^7, 362，110)、Freese 等人(5，604，441)、Ismail 等人(6.557，396)、Steininger (4，224，154)、Marszalek (6，268，737)以及公开了用于得到关于机油状况的了解的关于电性质的奇异向量分析(电的)或者时间序列测量的其他一些人执行。如同在Lubricheck方法中那样，克服相互依赖的真实测量从而消除可能会报告不正确的机油状况的效果的挑战仍然存在。这恰恰是流体测试协议和实验室应用为了包括频谱分析而进行的在多个维度上的测试以及为了确定油样中的金属及外来物体的含量而进行的测试的原因。
[0006]润滑剂被设计用于在超出它们的规定范围之外使用(perform)并且通过添加“添加剂”来进一步增强以延伸流体的寿命和安全裕度。了解润滑寿命对于系统的安全工作是关键的。流体的更换通常按照很保守的(即，短的)建议间隔来执行，为操作员提供了大的安全裕度。大体上，润滑剂能够工作显著要长得多的间隔，或者在恶劣环境下工作的特定设备(例如，用于战场上或布雷作业中的军事设备等)的情形中可能需要更积极的更换周期。重要的是根据由设备/系统制造商确定的规格来确定润滑流体何时无法继续使用。只要润滑流体处于操作的安全裕度内，它就可以无限期地工作并且不需要以新的润滑流体来替换或更换。
[0007]提供对流体性能更精确的测量能够使润滑剂及其所保护的设备两者的寿命最大化。随着设备和碳氢化合物润滑剂的成本增加，提供润滑剂更长且更精确的寿命以及关于即将发生的设备(包括发动机、滤清器以及系统中的其他构件等)性能劣化的早期检测和通知两者的价值同样会增加。这种方法能够有可能在预先检测到关键设备的故障时挽救生命。此外，如果流体失效并且是设备损坏的部分原因，该系统还有可能省去修理/更换底层/损坏设备所需的资源以及损失的时间。这种方法同样可避免为完成比实际需要更频繁的机油更换所需要的服务和资源的损耗。
【发明内容】
[0008]在实施例中，集成系统被提供用于对从来自在基于流体的封闭系统环境中的多个传感器模态的测量得出的流体的多个性质进行连续监测。适当地，该系统是发动机内润滑监测系统并且该监测是实时的。
[0009]在某些实施例中，该系统被构建成见于往复式发动机的放油底壳(oil drainpan)内的标准尺寸及形状的放油塞(oil drain plug)的形状因子，其中所述系统通过有线的或无线的数据遥测而位于远离接收器之处。适当地，该系统还包含位于远处的接收器。
[0010]在其他实施例中，传感器模态包括电传感器、温度传感器、磁传感器、光学传感器、压力传感器和多轴加速度传感器中的至少两种，适当地，传感器模态中的至少一种包含电感器。在实施例中，传感器模态至少包括磁传感器和光学传感器，并且在其他实施例中，传感器模态至少包括电传感器、磁传感器和光学传感器。
[0011]在某些实施例中，该系统包含于能够支持包含于放油塞机械设计中的高温、高压及高振动的环境的环氧树脂封装内。
[0012]在某些实施例中，该系统还包含寿命有限的电源，该电源给传感器平台的电气构件