蘇連成，王 航

(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

0 引言

磨損是造成機(jī)械零件失效的主要因素之一。潤(rùn)滑油磨粒的理化特性包含大量設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息，能反映設(shè)備的磨損現(xiàn)狀和趨勢(shì)，是診斷、維護(hù)設(shè)備的重要依據(jù)[1]。

潤(rùn)滑油磨粒檢測(cè)分為離線檢測(cè)與在線檢測(cè)。離線檢測(cè)如鐵譜分析、光譜分析、掃描電鏡等，可以獲得油液的酸度、水分、雜質(zhì)等理化特性參數(shù)，以此準(zhǔn)確判斷設(shè)備的磨損情況，但所需時(shí)間長(zhǎng)。在線檢測(cè)有磨粒分析儀、磨粒計(jì)數(shù)器等，通過(guò)在設(shè)備循環(huán)油路中安裝的磨粒檢測(cè)傳感器，對(duì)潤(rùn)滑油磨粒的尺寸和濃度等理化特性參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷設(shè)備的運(yùn)行工況和狀態(tài)[1-2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于在線油液檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)螺管型差動(dòng)變壓器式磨粒檢測(cè)傳感器及其激勵(lì)電流源，模擬信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)字信號(hào)處理電路，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，激勵(lì)源輸出穩(wěn)定高頻交流信號(hào)用于磨粒傳感器工作。模擬信號(hào)調(diào)理電路對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行前置放大、帶通濾波、真有效值轉(zhuǎn)換和調(diào)零放大；數(shù)字信號(hào)處理電路采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103為處理器平臺(tái)，利用處理器自帶的ADC實(shí)時(shí)采集調(diào)理后的信號(hào)，并對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，繪制數(shù)據(jù)波形顯示于LCD屏上，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)的效果。同時(shí)，SD模塊用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用于進(jìn)一步分析。通過(guò)局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑算法(LOWESS)，進(jìn)一步抑制、消除信號(hào)中的噪聲，通過(guò)極值轉(zhuǎn)換得到信號(hào)的峰峰值，獲取反映磨粒尺寸和濃度的信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 磨粒檢測(cè)傳感器

系統(tǒng)選用自行設(shè)計(jì)的螺管型差動(dòng)變壓器式磨粒檢測(cè)傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，由1個(gè)初級(jí)線圈、2個(gè)次級(jí)線圈和1根磁惰性有機(jī)玻璃管等組成。初級(jí)線圈作為一次繞組，二次繞組為結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的2個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián)而成，它們與初級(jí)線圈的距離相等[3]。

圖2 磨粒傳感器結(jié)構(gòu)

該傳感器油管內(nèi)徑為0.6 cm，油液流速設(shè)定為50～400 mL/min。采用STC89C52控制輸出6 kHz的正弦波，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器將其幅值放大到10 V，作為交流激勵(lì)電源。此磨粒傳感器靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高，能夠滿足系統(tǒng)的信號(hào)采集工作要求。

2.2 模擬信號(hào)調(diào)理電路

設(shè)計(jì)如下模擬調(diào)理電路，如圖3所示，用于放大傳感器微弱的電壓信號(hào)，同時(shí)抑制外界噪聲。

圖3 模擬調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 前置放大電路

磨粒傳感器輸出的電動(dòng)勢(shì)是mV級(jí)別，十分微弱，加之工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲大，前置放大電路選擇儀表放大器AD620AN，其具有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，且對(duì)共模噪聲的抑制效果好，十分適合對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大[4]。

前置差分放大電路如圖4所示，其增益計(jì)算公式為G=(R1+R2)/RG+1，其中R1、R2為放大器內(nèi)部增益電阻，外接電阻RG為外部增益電阻，G為增益倍數(shù)，范圍可以設(shè)置為1～1 000。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，選取RG的阻值為1 kΩ，此時(shí)信號(hào)放大50倍。

圖4 前置放大電路圖

2.2.2 帶通濾波電路

本系統(tǒng)采用二階Butterworth濾波結(jié)構(gòu)[2]，根據(jù)激勵(lì)源及有效信號(hào)的頻率，將中心頻率、上限頻率和下限頻率分別設(shè)定為f0=6 kHz、fH=10 kHz、fL=2 kHz。帶通濾波器由下限頻率為2 kHz的高通濾波器和上限頻率為10 kHz的低通濾波器串聯(lián)組成，采用運(yùn)算放大器LMC6482IN，電路原理圖如圖5所示。

圖5 帶通濾波電路圖

2.2.3 真有效值轉(zhuǎn)換電路

由于傳感器系統(tǒng)中含有高頻的激勵(lì)源，會(huì)引入高頻干擾，其信號(hào)頻率與激勵(lì)頻率一致，為6 kHz。這些高頻干擾很難被濾波器濾掉，它們與有效信號(hào)疊加在一起，不利于下一步信號(hào)的加工和數(shù)字部分的處理。為此考慮將輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行真有效值轉(zhuǎn)換，將高頻的交流信號(hào)轉(zhuǎn)化成一個(gè)直流分量，而后對(duì)直流分量再進(jìn)行抵消，可以很好地去除6 kHz的高頻交流信號(hào)對(duì)于有效信號(hào)的影響。

圖6 真有效值轉(zhuǎn)換電路圖

2.2.4 調(diào)零放大電路

信號(hào)經(jīng)過(guò)真有效值轉(zhuǎn)化成了相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓，油液中顆粒經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)以此電壓為參考零點(diǎn)上下波動(dòng)。調(diào)零則是指將此直流電壓調(diào)到某一電壓值，作為電壓新的參考零點(diǎn)，以使得信號(hào)的波動(dòng)范圍處于后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換的有效范圍內(nèi)，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)STM32自帶的A/D模塊允許轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍為0～3.3 V。

實(shí)現(xiàn)電路如圖7所示，硬件采用高精度多旋轉(zhuǎn)微調(diào)式電位器和儀表放大器AD620AN。通過(guò)選用合適外接電阻RG即可對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行再次放大，達(dá)到后續(xù)數(shù)據(jù)處理的要求。系統(tǒng)選取外接電阻R17為2.6 kΩ，其放大倍數(shù)為20倍。

圖7 調(diào)零放大電路圖

2.3 數(shù)字信號(hào)處理電路

數(shù)字信號(hào)處理電路由微處理器單元，其電源/復(fù)位、時(shí)鐘電路，以及其外圍LCD顯示屏模塊，JTAG模塊，SD卡模塊組成，系統(tǒng)使用的A/D模塊為處理器自帶。

綜合功耗、性能，價(jià)格等因素選取STM32F10VET6作為微處理器單元。其內(nèi)核是先進(jìn)架構(gòu)的ARM Cortex-M3，工作頻率為72 MHz，片上資源豐富，集成了大容量的Flash與SRAM，擁有充足的I/O端口，集成了I2C、SPI、USART、DMA、TIM、FSMC、ADC等片上外設(shè)。STM32電路圖如圖8所示。

圖8 微控制器電路圖

本系統(tǒng)用到了STM32片上內(nèi)嵌的12位A/D轉(zhuǎn)換器，它是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于將本系統(tǒng)擾動(dòng)模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)以DMA方式傳輸至內(nèi)存。用JTAG端口下載程序及硬件仿真調(diào)試。用靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器FSMC接口來(lái)控制TFTLCD液晶顯示屏，用于實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)波形及信號(hào)處理得到的特征值等。用SPI接口模式來(lái)驅(qū)動(dòng)SD卡，最高通信速度可達(dá)18 Mbit/s，SD模塊用于存儲(chǔ)信號(hào)數(shù)據(jù)以便在更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上做進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件分為啟動(dòng)程序、底層驅(qū)動(dòng)程序和用戶應(yīng)用程序3部分。系統(tǒng)主程序流程如圖9所示。啟動(dòng)程序用于系統(tǒng)及其服務(wù)的初始化，底層驅(qū)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)外設(shè)和MCU間的通信，用戶應(yīng)用程序是系統(tǒng)功能任務(wù)的集合，包括A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理分析、SD卡存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)波形顯示等。其中數(shù)據(jù)處理分析部分使用局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑算法(LOWESS)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行平滑數(shù)字濾波處理，再通過(guò)極值轉(zhuǎn)換獲取反映磨粒的尺寸與濃度信息。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 局部加權(quán)回歸算法(LOWESS)

LOWESS算法的原理為：提取一定比例的局部數(shù)據(jù)，利用提取的數(shù)據(jù)加權(quán)擬合多項(xiàng)式回歸曲線，并用最小二乘法做誤差估計(jì)[6-8]。具體步驟為：

(1)對(duì)單參變量樣值{xi,yi},i=1,2,…,n，建立模型：

(1)

式中:βi0、βi1、βid為相對(duì)xi的未知參數(shù);εi(i=1,2,…,n)為獨(dú)立分布的隨機(jī)誤差項(xiàng)；d為預(yù)給定的值。

(2)計(jì)算每個(gè)xi周?chē)悬c(diǎn)xj(j=1,2,…,n)到它的距離：

dij=|xi-xj|

(2)

記hp為dij(j=1,2,…,n)中的第p小的值，p相當(dāng)于提取局部數(shù)據(jù)時(shí)所選擇的數(shù)據(jù)比例(窗口寬度)。令0

(3)給定一個(gè)權(quán)函數(shù)W(x),其滿足4個(gè)條件：

①W(x)≥0,|x|<1；

②W(-x)=W(x)；

③W(x)是一個(gè)非增函數(shù)，x≥0；

④W(x)=0，|x|≥1；

(4)對(duì)每個(gè)點(diǎn)xi，在窗口內(nèi)所有的xk，k=1,2,…,n，計(jì)算權(quán)重：

(3)

(5)估計(jì)參數(shù)，通過(guò)最小化下面的加權(quán)殘差平方和給出：

(4)

(6)得到y(tǒng)i的擬合值：

(5)

本文選擇窗口寬度為35，權(quán)函數(shù)選擇常用的(m,n)型[9]：

該算法的計(jì)算量較大，為了不影響MCU的計(jì)算性能，首先在PC平臺(tái)上計(jì)算出βik的估計(jì)值，然后MCU調(diào)用βik執(zhí)行第六步得到y(tǒng)i的擬合值，其核心代碼如下：

smooth[i]=0;

for(j=0 ；j<35 ；j++)

{

smooth[i]=smooth[i]+beta[j]*adc_data[j];

}

…

const double beta[35] ={1.748862e-04，

1.035433e-03， 3.342658e-03,6.000531e-03，

0.918485e-02,1.395551e-02,1.802200e-02，

2.317254e-02，2.709688e-02,3.295457e-02,

3.488482e-02，3.782422e-02,3.910134e-02，

3.998347e-02,4.077241e-02,4.121233e-02，

4.239551e-02，4.246450e-02，4.239551e-02，

4.121233e-02， 4.077241e-02,3.998347e-02，

3.910134e-02,3.782422e-02,3.488482e-02，

3.295457e-02， 2.709688e-02,2.317254e-02，

1.802200e-02， 1.395551e-02,0.918485e-02，

6.000531e-03， 3.342658e-03，1.035433e-03,

1.748862e-04};

3.3 極值轉(zhuǎn)換

對(duì)平滑后的數(shù)據(jù)進(jìn)行極值轉(zhuǎn)換，并用數(shù)據(jù)波形的峰峰值來(lái)表征油液中磨粒的大小和數(shù)量。其主要過(guò)程是對(duì)平滑后的數(shù)據(jù)進(jìn)行二階求導(dǎo)，對(duì)于二階導(dǎo)數(shù)前后符號(hào)變化的點(diǎn)，則判斷為一個(gè)極值點(diǎn)，相鄰兩個(gè)極值點(diǎn)幅值的差即為峰峰值[10]。由于磨粒尺寸越大，相鄰極值點(diǎn)的峰峰值也越大，因此峰峰值大小能夠反映磨粒的尺寸信息，而峰峰值的個(gè)數(shù)反映磨粒的數(shù)量。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本油液中磨粒在線檢測(cè)系統(tǒng)由磨粒檢測(cè)傳感器、前端模擬調(diào)理電路及數(shù)字電路部分構(gòu)成。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分2部分，第一部分針對(duì)前端模擬調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)測(cè)試，第二部分搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)功能效果進(jìn)行檢測(cè)和分析。

4.1 前端模擬電路的測(cè)試

前端模擬調(diào)理電路包括前置放大電路、帶通濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和調(diào)零放大電路。圖10為傳感器沒(méi)有油液通過(guò)時(shí)的原始輸出信號(hào)時(shí)域波形圖，其信號(hào)峰峰值為39.6 mV，為傳感器的零殘電壓。

圖10 無(wú)油液經(jīng)過(guò)時(shí)的原始信號(hào)

接入前置放大電路后，輸出信號(hào)如圖11所示，可以看出，原始信號(hào)經(jīng)過(guò)50倍放大后的峰峰值為1.72 V，信號(hào)波形含有噪聲干擾，存在較多毛刺。

圖11 前置放大后信號(hào)

接入帶通濾波電路后，輸出信號(hào)如圖12所示，濾波后信號(hào)的峰峰值比前置放大后的信號(hào)峰峰值降低了0.24 V，這是因?yàn)閹V波電路消除了一些噪聲干擾。信號(hào)波形經(jīng)過(guò)濾波后幾乎沒(méi)有毛刺，信號(hào)的主頻6 kHz被很好地保留。

圖12 帶通濾波后信號(hào)

接入真有效值轉(zhuǎn)換電路后，信號(hào)變成直流電壓信號(hào)，輸出波形如圖13所示。之后信號(hào)再進(jìn)入調(diào)零放大電路，通過(guò)調(diào)整變阻器旋鈕可以將直流電壓基準(zhǔn)信號(hào)調(diào)節(jié)到0 V位置，如圖14所示，當(dāng)油液中顆粒經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)所產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)將以此基準(zhǔn)電壓進(jìn)行上下波動(dòng)。

圖13 真有效值轉(zhuǎn)換后信號(hào)

圖14 調(diào)零放大后信號(hào)

4.2 實(shí)時(shí)磨粒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖15所示。潤(rùn)滑油循環(huán)泵站為潤(rùn)滑油循環(huán)提供動(dòng)力，選用18#車(chē)輛曲線齒輪油作為實(shí)驗(yàn)用潤(rùn)滑油，油液出口處安裝FT型燒結(jié)式濾油器，以便潤(rùn)滑油重復(fù)使用。

圖15 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

啟動(dòng)泵站同時(shí)給系統(tǒng)上電，即開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，LCD顯示如圖16所示，其中上半部分為L(zhǎng)OWESS平滑處理后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形區(qū)域，下半部分為對(duì)平滑后信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行極值轉(zhuǎn)換后的峰峰值顯示情況。

圖16 實(shí)時(shí)波形顯示

LCD屏下部分分為紅色、黃色、綠色3個(gè)區(qū)域，分別代表峰峰值為150～100、100～50和50～0。峰峰值越大，代表的顆粒尺寸越大。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)對(duì)油液中顆粒粒度≥75 μm的鐵磁性顆粒有較明顯的檢測(cè)效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

以自制的磨粒傳感器采集原始擾動(dòng)電壓信號(hào)，通過(guò)前端模擬調(diào)理電路，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大，濾除主頻率外的噪聲干擾，并將其轉(zhuǎn)化為真有效值基準(zhǔn)參考電壓信號(hào)。采用局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑算法，進(jìn)一步數(shù)字濾波移植噪聲，并以高性能微控制器STM32作為運(yùn)算和控制平臺(tái)。從而實(shí)時(shí)有效地獲取潤(rùn)滑油液中磨粒的尺寸和濃度信息。