白敬彩，王新環(huán)，王國(guó)柱，杜志勇

(1.河南工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003；2.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作 454000)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，工廠自動(dòng)化生產(chǎn)的完善，大型機(jī)械設(shè)備在生產(chǎn)中扮演的角色越來(lái)越重要[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)是機(jī)械設(shè)備動(dòng)力的源泉，發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行是設(shè)備穩(wěn)定工作的重要保證。而優(yōu)質(zhì)的潤(rùn)滑油能讓發(fā)動(dòng)機(jī)高效、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦潤(rùn)滑油變質(zhì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命將受到影響，更嚴(yán)重的情況會(huì)造成裝置停車(chē)，帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)潤(rùn)滑油的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油檢測(cè)設(shè)備體積大、且檢測(cè)周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足現(xiàn)代化檢測(cè)的需要，因此設(shè)計(jì)了一種諧振式油品檢測(cè)系統(tǒng)，將傳感器技術(shù)與集成電路技術(shù)結(jié)合在一起，通過(guò)采集傳感器發(fā)生諧振時(shí)的阻抗值計(jì)算出待測(cè)潤(rùn)滑油的黏度和密度，以黏度和密度這2個(gè)參數(shù)來(lái)判斷潤(rùn)滑油的優(yōu)劣[2-3]。

1 石英音叉油液黏度密度測(cè)量原理

1.1 黏度測(cè)量原理

將石英音叉?zhèn)鞲衅骺醋饕粋€(gè)機(jī)械振臂，當(dāng)傳感器在待測(cè)潤(rùn)滑油中振蕩時(shí)，記錄此時(shí)的黏滯阻尼系數(shù)R(η)，則有

R(η)=α2R

(1)

式中：α2為機(jī)電耦合系數(shù)；R為發(fā)生諧振時(shí)傳感器的阻抗。

由式(1)可知，只要測(cè)得石英音叉?zhèn)鞲衅髟跐?rùn)滑油中發(fā)生諧振時(shí)的等效阻抗R，就可計(jì)算得到黏滯阻尼系數(shù)R(η)。而黏滯阻尼系數(shù)R(η)與潤(rùn)滑油黏度η的平方根成正比，因此只要測(cè)得石英音叉?zhèn)鞲衅靼l(fā)生諧振時(shí)的等效阻抗R，就可以測(cè)得潤(rùn)滑油的黏度η。

1.2 密度測(cè)量原理

將石英音叉?zhèn)鞲衅鞑迦氪郎y(cè)的潤(rùn)滑油中時(shí)，音叉臂上會(huì)沾滿油珠，根據(jù)納維葉-斯托斯克方程可得

(2)

式中:w為單個(gè)油珠的半徑；Δmbead為單個(gè)油珠的質(zhì)量；η為油液黏度；ρ1為油液密度。

由式(2)可知，通過(guò)估算出單個(gè)潤(rùn)滑油油珠的質(zhì)量，就可以計(jì)算得到潤(rùn)滑油的密度[4-5]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

諧振式油品檢測(cè)電路主要由阻抗測(cè)量模塊，微控制器以及人工交互模塊組成[6]。其中阻抗測(cè)量模塊是系統(tǒng)的核心，以阻抗測(cè)量芯片AD5933為核心，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路來(lái)消除AD5933自身直流電壓偏置和輸出阻抗的影響。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.1 阻抗測(cè)量電路

阻抗測(cè)量電路是系統(tǒng)的核心部分，阻抗測(cè)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著系統(tǒng)的測(cè)量精度[7]。系統(tǒng)選用基于矢量電流電壓原理的阻抗轉(zhuǎn)換芯片AD5933來(lái)測(cè)量阻抗。為了實(shí)現(xiàn)阻抗的高精度測(cè)量，系統(tǒng)為AD5933設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的供電電路和時(shí)鐘電路，AD5933芯片內(nèi)部集成了波形發(fā)生器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DSP處理器，是一款專(zhuān)用的高精度阻抗測(cè)量芯片。阻抗測(cè)量電路如圖2所示。

圖2 阻抗測(cè)量電路

系統(tǒng)利用高精度穩(wěn)壓芯片MT7102產(chǎn)生AD5933所需的3.3 V電壓，該穩(wěn)壓芯片的精度高達(dá)±0.5%，電壓紋波在10 mV以內(nèi)。利用外部晶振為AD5933提供高精度的時(shí)鐘信號(hào)源，Refvout、VIN、REB用于連接信號(hào)調(diào)理電路來(lái)消除直流偏置電壓和輸出阻抗對(duì)測(cè)量精度的影響[8]。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

AD5933輸出的正弦波信號(hào)的電壓幅值是由芯片內(nèi)部程序設(shè)定的，當(dāng)正弦波輸出的峰峰值在1.98 V時(shí)，AD5933的VOUT引腳輸出的直流偏置大約1.48 V，而VIN引腳的電壓約為供電電壓的1/2，即1.65 V，則在AD5933的VIN和VOUT引腳之間就會(huì)產(chǎn)生0.17 V的直流電位差。該電位差會(huì)影響阻抗的測(cè)量精度，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確[9]。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路來(lái)消除直流偏置和輸出阻抗造成的誤差。信號(hào)調(diào)理電路主要是由高精度、低溫漂、低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器TSZ122組成，TSZ122是高精度雙運(yùn)放，采用單5 V供電。為了消除輸出阻抗的影響，將TSZ122的B運(yùn)算放大器按照電壓跟隨器的方式連接，再通過(guò)高通濾波器來(lái)濾除電路中的直流偏量，高通濾波器的截止頻率設(shè)為0.2 Hz。TSZ122的A運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)成I-V轉(zhuǎn)換電路來(lái)替代AD5933內(nèi)部的I-V轉(zhuǎn)換電路，提高了轉(zhuǎn)換精度。石英音叉?zhèn)鞲衅鬟B接到TSZ122的INA-和OUTB引腳之間，實(shí)現(xiàn)阻抗的測(cè)量。信號(hào)調(diào)理電路圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

REB和VIN用于連接反饋?zhàn)杩?，OUTB和INA-用于連接石英音叉?zhèn)鞲衅鳒y(cè)量潤(rùn)滑油的黏度和密度，電阻R49和電容C33、C34構(gòu)成高通濾波器濾除直流分量[10]。

2.3 OLED顯示電路

系統(tǒng)選用2英寸的OLED屏幕用于實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，OLED屏幕采用3.3 V供電，功耗僅0.1 W，通過(guò)IIC總線方式與微控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，OLED屏幕可以額外顯示藍(lán)牙連接狀態(tài)、電量信息等。硬件連接圖如圖4所示。

圖4 OLED顯示電路

2.4 藍(lán)牙傳輸電路

藍(lán)牙傳輸電路是將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行分析處理[11]。為了克服傳統(tǒng)有線傳輸?shù)氖`，系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。藍(lán)牙模塊選用的是KE Module，該模式支持?jǐn)?shù)據(jù)透?jìng)?，單包發(fā)送的數(shù)據(jù)在230字節(jié)左右，通過(guò)UART口與微控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。藍(lán)牙傳輸電路圖如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙傳輸電路

藍(lán)牙模塊KE Module采用3.3 V供電，通過(guò)UART串口與微控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，當(dāng)藍(lán)牙與PC機(jī)連接上時(shí)，引腳WORK_STAT會(huì)跳變?yōu)楦唠娖剑A(yù)示當(dāng)前藍(lán)牙已連接。該藍(lán)牙具有命令和透?jìng)?個(gè)模式，而系統(tǒng)只用到了藍(lán)牙的透?jìng)髂Ｊ?，因此將MODE設(shè)為高電平。藍(lán)牙具有向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收PC下發(fā)數(shù)據(jù)的功能，通過(guò)RX_WAKEUP、TX_WAKEUP引腳來(lái)控制藍(lán)牙發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，系統(tǒng)程序主要包括AD5933驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生程序、阻抗檢測(cè)程序、定時(shí)中斷程序、藍(lán)牙傳輸程序、OLED顯示屏顯示程序以及微控制器最小系統(tǒng)程序等。系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行復(fù)位操作，然后通過(guò)IIC總線向AD5933發(fā)送控制指令產(chǎn)生正弦波激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)石英音叉?zhèn)鞲衅?，再通過(guò)AD5933的反饋電路來(lái)采集傳感器發(fā)生諧振時(shí)的阻抗，最終在微控制器內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算分析，得出待測(cè)潤(rùn)滑油的黏度、密度。還可通過(guò)OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示，利用藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊將結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)中進(jìn)行顯示。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深度測(cè)試。首先購(gòu)買(mǎi)市面上的高精度潤(rùn)滑油檢測(cè)儀作為標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀使用創(chuàng)新流體特性傳感器FPS2800B12C4作為檢測(cè)器件，可同時(shí)測(cè)量潤(rùn)滑油的黏度、密度。FPS2800B12C4的性能參數(shù)為：黏度測(cè)量范圍在0.005～0.5 Pa·s之間，測(cè)量精度為±2%；密度測(cè)量范圍在650～1 500 kg/m3之間，測(cè)量精度為±1%。選用的標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑油的黏度、密度必須在上述傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)。利用購(gòu)買(mǎi)的潤(rùn)滑油參數(shù)檢測(cè)不同黏度、密度的潤(rùn)滑油，將其測(cè)得的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值。再利用本文設(shè)計(jì)的諧振式油品檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)潤(rùn)滑油的參數(shù)，將兩者測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分別測(cè)量8組，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)

由表1測(cè)試數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)的諧振式油液檢測(cè)儀能準(zhǔn)確、有效地檢測(cè)出待測(cè)潤(rùn)滑油的黏度和密度值。黏度在0～0.016 Pa·s之間時(shí)，測(cè)量的相對(duì)誤差小于7%；密度在820～950 kg/m3之間時(shí)，測(cè)量的相對(duì)誤差小于8%。實(shí)驗(yàn)誤差在可控范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種諧振式油品檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是利用石英音叉?zhèn)鞲衅靼l(fā)生諧振時(shí)的阻抗與待測(cè)潤(rùn)滑油黏度、密度的關(guān)系來(lái)分析油液的品質(zhì)。通過(guò)高精度阻抗測(cè)量模塊來(lái)測(cè)量傳感器發(fā)生諧振時(shí)的阻抗，以此計(jì)算出待測(cè)潤(rùn)滑油的黏度和密度，最終通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)顯示。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，在0～0.016 Pa·s黏度范圍內(nèi)，系統(tǒng)測(cè)量誤差小于7%；在820～950 kg/m3密度范圍內(nèi)，系統(tǒng)的測(cè)量誤差誤差小于8%。