下面介绍几种常用的铁谱仪的结构与工作原理。
       一、分析式铁谱仪
       分析式铁谱仪是最早开发出来的铁谱仪，它包含了铁谱技术的全部基本原理。分析式铁谱仪的用途是用来分离机器润滑油样中的磨粒，并能使磨粒依照尺寸大小有序地沉积在一显微镜玻璃基片上，从而制成铁谱片，然后利用铁谱显微镜等观测和分析仪器，实现对磨粒的定性、定量铁谱分析。
       分析式铁谱仪的结构与工作原理简图如图1所示。它将从润滑系统中取得的分析油样经稀释处理后取样到玻璃管中，经微量泵将分析油样输送到安放在磁场装置上方的玻璃基片的上端，玻璃基片的安装与水平面成一定倾斜角，以便在沿油流方向形成一逐步增强的高强度磁场，同时又便于油液沿倾斜的基片向下流动，从玻璃基片下端经导流管排入废油杯中。分析油样中的可磁化金属磨粒在流经高梯度强磁场时，在高梯度磁力、液体黏性阻力和重力联合作用下，按磨粒尺寸大小有序地沉积在玻璃基片上，并沿垂直于油样流动方向形成链状排列。在分析油样从基片上流过之后，经用四氯乙烯溶液洗涤基片，清除残余油液，使磨粒固定在基片上便制成了可供观察和检测的铁谱片。

     三、在线铁谱仪
       在线铁谱仪可以直接安装在机器的循环润滑油路上，在现场实现在线检测并实时显示润滑油中的磨粒浓度，以监测机器的状态。它克服了分析式和直读式铁谱仪需从机器中先采取油样，再送到铁谱分析室进行分析的不足，图7为安装在润滑油系统中的在线铁谱仪示意图。

图7 安装在润滑系统中的线铁谱仪

       在线铁谱仪主要由探测器和分析器两部分组成。探测器安装在监测对象的润滑油循环系统的油路上，分析器则安装在控制室内。探测器由高梯度的磁场装置和沉淀管、流量控制器及一个表面感应电容传感器等构成。当探测器接通油路后，润滑油流经沉淀管时，油中磨粒在高梯度磁场的作用下沉积到沉淀管的内表面，表面感应电容传感器可以连续测出D L,Ds数值，分析器绘出相应大、小磨粒浓度及磨粒尺寸分布状况。由于润滑油是连续流过探测器的，所以磨粒的沉积量与润滑油流过的总量有关。当达到预先设定的磨粒浓度值时，流量自动切断，一次测量便告结束。沉淀管被自动冲洗，待冲掉沉积的磨粒后再开始下一个测量循环。每次测量的循环持续时间取决于润滑油中的磨粒浓度。磨粒浓度读数值根据沉积量与润滑油流过沉淀管的油量之比来确定。在线铁谱仪一般有两种磨粒浓度读数范围：粗读数值为0～1000μL/L(ppm），它用于高磨损率的情况；精读数值为0～100μL/L ppm），用于低磨损率的情况。
       分析器具有逻辑运算功能，可以运算、存储和显示测量数据。当磨粒浓度超过预定值时，可以发出报警信号或停机信号。每次测量循环完成后，数据记录存储单元将被最新的数据刷新。
       试验表明，在线铁谱仪测定润滑系统中的磨粒浓度能够较好地评定系统内所含的磨粒数量，且与分析式铁谱仪的监测结果有着较好的对应关系。而在线铁谱仪测定出的L-S（即大磨粒浓度值与小磨粒浓度值之差）能较好地描述润滑系统发生磨损的严重程度。根据在线铁谱仪的工作原理及特点，特别适用于各种现场机械设备的工况监测，如离心式压缩机、燃气轮机、蒸汽透平、齿轮箱、液压系统、泵站等。
       四、旋转式铁谱仪
       工业应用中发现，分析式铁谱仪存在如下几个问题。
       (1)由于蠕动泵的挤压作用，常使油样中的磨粒在输送时受到机械损伤，特别是大磨粒常会破碎。
       (2)对于磨粒浓度较高的油样，如果油样不作适当的稀释，可能会在铁谱片的入口处造 成磨粒堆积，此时不仅会影响对磨粒的观察和分析，而且形成的附加磁场还会改变磨粒的尺寸分布；而高度稀释后，又可能导致对判断磨损状态有重要研究价值的磨粒漏失，造成判断误差。
       (3)油样制备程序复杂，对操作者的技术要求较高。
       1983年，英国Swansea大学研制出了一种利用磁场力和离心力共同作用而进行磨粒沉积的旋转式铁谱仪，简称RPD。
       图8是旋转式铁谱仪的结构原理。它主要由圆形永久磁铁组、变速电机及多用途转盘等组成。转盘上装有油样注射器、清洗液注射器和用于安放沉积磨粒的方形玻璃基片的压头。圆形永久磁铁组由两个同轴的垂直布置的永久磁铁构成。在圆形永久磁铁的上方，装有一个外形有一定楔角的橡皮座，供安放方形玻璃基片。安放基片时，先把基片放在橡皮座上，再用基片压头轻轻下压，使橡皮座中的空气迅速排出形成真空，玻璃基片便会牢牢地吸附在橡皮座上。铁谱片制成后取下基片时，只要拉动橡皮座侧边的充气杆，使橡皮座变形，真空会立即消失，可以很方便地取下玻璃基片。制片时，基片与其下方的磁铁是用一台变速驱动电机带动旋转来进行工作的。
       旋转式铁谱仪的工作过程如下：首先用油液注射器把约1m1的分析油样输送到置于回转圆形磁铁上方的方形玻璃基片的中心，放置在磁铁上的基片和磁场装置会一起通过传动轴由可调速的驱动电机带动回转，使滴在基片中心的油液迅速向四周流散，油液中的磨粒在圆形磁铁磁场力和离心力的作用下，按其尺寸大小沉积排列在基片上，分别形成内、中、外三个同心沉积圆环。然后用清洗液注射管将清洗溶剂注人到基片上，以清除基片上的残余油液。清洗后，继续转动谱片，以利于清洗液迅速蒸发和谱片甩干，并将磨粒固定在基片上，这样就制作成了铁谱片。之后，可以采用光学显微镜或扫描电镜等仪器来观察磨粒形貌和分析磨粒成分，或者采用粒子计数器来测定铁谱片上磨粒的计数指标。

图8 旋转式铁谱仪的结构原理示意图 

图9   磨粒在RPD铁谱片上的分布

       通过对旋转铁谱仪铁谱片磨粒的观测发现，谱片上的磨粒是按其尺寸大小分别在基片上排列成内、中、外三个同心圆环磨粒链（见图9 )，它们之间有明显的间隔。一般内环沉积的磨粒，尺寸大多数在1～50μm，少数大到几百微米，甚至上至千微米。因此，内环沉积的磨粒包含了油样中全部尺寸范围的磨粒。中环沉积的磨粒尺寸通常在1～20μm。外环沉积的磨粒尺寸更小，一般是＜10μm的小磨粒。[NextPage]
       采用旋转铁谱仪制备的铁谱片，除了可在光学显微镜、扫描电镜上进行磨粒形貌观察外，还可在图像分析仪上进行磨粒尺寸分布分析和磨粒成分分析，以及在粒子计数器上进行磨粒的铁谱定量分析。
       使用经验表明，旋转式铁谱仪是一种简便、快捷、廉价的磨粒分离工具。对于含有大量磨粒和污染物的油样，采用旋转式铁谱仪来制作铁谱片可不必稀释油样，而对于磨粒含量较少的油样则可通过增加油样量来制作谱片。同时，利用旋转式铁谱仪来制作铁谱片不仅能克服磨粒沉积的堆积问题，而且还可以避免分析式铁谱仪中磨粒受蠕动泵的机械挤压作用而发生破碎的问题。

图1 分析式铁谱仪工作原理简图

图2  铁谱片的磨粒尺寸分布

       图2为铁谱片的磨粒尺寸分布。用于沉积磨粒的玻璃基片又称铁谱基片，在它的表面上制成有U形栅栏，用于引导油液沿基片中心流向下端的出口端到废油杯。由于铁谱片需要在光密度计上测量磨粒的百分覆盖面积以估计出磨粒的分布密度，并在光学显微镜和扫描电镜下观察与分析磨粒的形态、大小、数量和成分，故对玻璃基片的纯度、均匀度及表面清洁度等都有一定要求，通常铁谱基片应经特殊处理。
       分析式铁谱仪的磁铁装置是铁谱仪的核心元件，其构造如图3所示。它是由磁铁副、两磁极和磁座板（磁轭）共五块磁材料拼装成U形的一个永久磁铁装置。由于该磁铁装置设计独特，又采用特殊的磁性材料，产生的磁场是一个高强度和高梯度的发散强磁场。两磁极间约有lmm的气隙，用铝板隔开，磁铁装置气隙中央的磁感应强度可达1.8T，在垂直方向上的磁感应梯度可达0. 4～0.5T/mm。在这样的磁场作用下，当分析油样流经位于磁场装置上方的玻璃基片时，油样中的磨粒在连续增高的磁场力的作用下被磁化并迅速在谱片上沉积。由于玻璃基片是倾斜安装，故油样中的磨粒在进入磁场后，随着流动会受到一个逐渐增强的梯度磁场作用，使大尺寸磨粒首先在人口端沉积，最小尺寸颗粒通常在出口端附近位置上沉积，从而使磨粒能按照其尺寸大小有序地在铁谱片上沉积。

图3  磁铁装置简图

       在磁场的作用下，由于磨粒之间的S极与N极相互吸引，从而使它们在垂直于油液流动方向排列成链状，而已经排列成链状的磨粒因受磁力线和磁场梯度等作用，与其上方继续沉积并排列成链状的磨粒将会相互排斥而分开，故磨粒链之间会保持一定的距离。
       二、直读式铁谱仪
       直读式铁谱仪与分析式铁谱仪非常相似，它们都是利用高梯度强磁场的原理来收集润滑油样中的铁质磨粒。而不同之处在于分析式铁谱仪能在显微镜下观察研究磨料的形貌，而直读式铁谱仪仅能测定磨粒的数量及其大致的尺寸分布。
       图4是直读式铁谱仪原理。在直读式铁谱仪中，磨粒的沉积原理与分析式铁谱仪相似，只是用一根玻璃沉淀管来代替玻璃基片。制备在试管中的分析油样在重力和虹吸作用下，经过毛细管而进人沉淀管。油样中的铁磁性磨粒在沉积管下面的高梯度强磁场作用下，会有序地沉积在玻璃管底部。大于5μm的大磨粒首先沉积，它们一般沉积在沉积管的入口区；1～2μm的小磨粒沉积在较远处。在大、小磨粒沉积位置分别设置有光束发射装置，光束穿过沉积管，被设置在沉积管另一侧的光电传感器所接收，可以直接测定磨粒浓度的读数。直读式铁谱仪测量磨粒浓度的光路系统如图5所示。这一光电转换测量系统测出的是因磨粒沉积而覆盖沉积管底部而造成的光强衰减值，并用直读单位D_L和D_S在液晶数码管上直接显示。D_L和D_S两个光密度读数分别代表大、小磨粒的相对数量，用来表示摩擦副的磨损状态。磨粒在直读式铁谱仪中沉积管内的沉积排列如图6所示。由于磁场力的作用，大磨粒（＞5μm）在沉积管的入口区首先沉积，而小磨粒则按它们尺寸大小实现有序沉降、分布沉积。

图4   直读式铁谱仪原理

图5 直读式铁谱仪测量光路系统简图

       直读式铁谱仪的主要特点是能迅速、方便、较准确地测定出机器分析油样中的大小磨粒的相对数量，能对机器的磨损状态给出定量分析，因而对机器工况监测特别有用。
       使用直读式铁谱仪分析机器润滑油样的步骤如下：
       (1)制备分析油样；
       (2)油样在虹吸作用下经毛细管流过铁谱沉淀管；
       (3)油样中的磨粒在高梯度磁场的作用下进行沉积；
       (4)用光电转换系统测定磨粒的光密度读数，并以D_L、D_S数码直接显示。