基于VC++的油液磨粒超聲在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李一寧，張培林，徐超，張?jiān)茝?qiáng)，孫玉振

(軍械工程學(xué)院七系，河北石家莊 050003)

裝備潤(rùn)滑油中磨粒的信息，對(duì)于掌握裝備的磨損情況十分重要。傳統(tǒng)的油液分析技術(shù)主要是對(duì)油液進(jìn)行離線分析［1］，但存在許多不足，需要先進(jìn)行油液采樣，然后再對(duì)油液進(jìn)行分析，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且分析之后得到的數(shù)據(jù)不具有實(shí)時(shí)性，因此，裝備油液在線監(jiān)測(cè)是該領(lǐng)域研究的主要方向［2］。

油液在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)主要有:(1)監(jiān)測(cè)過(guò)程的連續(xù)性;(2)監(jiān)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性;(3)監(jiān)測(cè)結(jié)果與被監(jiān)測(cè)對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的同步性［3］。

目前，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有以下幾種:光學(xué)測(cè)量技術(shù)、電磁測(cè)量技術(shù)、電化學(xué)測(cè)量技術(shù)和超聲波測(cè)量技術(shù)［4］。

采用超聲波測(cè)量技術(shù)對(duì)油液中的磨粒進(jìn)行在線分析，需要對(duì)磨粒超聲散射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析處理，識(shí)別出信號(hào)所對(duì)應(yīng)磨粒的大小等信息，最后將監(jiān)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。VC++是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件之一，可以開(kāi)發(fā)各種層次的軟件系統(tǒng)，且開(kāi)發(fā)出的系統(tǒng)具有執(zhí)行速度快、容易維護(hù)、界面友好等優(yōu)點(diǎn)［5］。因此，文中采用基于VC++的技術(shù)設(shè)計(jì)了一套超聲磨粒在線監(jiān)測(cè) (UOWDM)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。

1UOWDM硬件系統(tǒng)

UOWDM系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。軟件系統(tǒng)在硬件系統(tǒng)的支持下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、處理信號(hào)和結(jié)果顯示等功能，兩者相互作用、相互影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)油液中磨粒的測(cè)量與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。

UOWDM系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由聚焦式超聲波傳感器、超聲波檢測(cè)卡、計(jì)算機(jī)、屏蔽信號(hào)線等部分組成。

圖1 硬件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)利用檢測(cè)卡激發(fā)傳感器發(fā)射高能脈沖超聲波，聲波在潤(rùn)滑油中傳播，遇到磨粒時(shí)超聲波發(fā)生散射［6］;傳感器接收背向散射波，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)線傳給采集卡并進(jìn)行放大與A/D轉(zhuǎn)換;由計(jì)算機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，識(shí)別出信號(hào)所對(duì)應(yīng)磨粒的大小、數(shù)量等信息;最后通過(guò)磨粒信息對(duì)裝備磨損狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)并將監(jiān)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。

2UOWDM軟件系統(tǒng)

UOWDM系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和結(jié)果顯示模塊三部分組成，軟件系統(tǒng)完成的主要功能如圖2所示。通過(guò)VC++軟件平臺(tái)進(jìn)行編程，將3個(gè)模塊有機(jī)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)整體。

圖2 軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

點(diǎn)擊開(kāi)關(guān)啟動(dòng)UOWDM系統(tǒng)，VC++程序控制信號(hào)采集模塊開(kāi)始采集磨粒的散射回波信號(hào)，并通過(guò)函數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理分析，最后通過(guò)函數(shù)調(diào)用結(jié)果顯示模塊，將結(jié)果在線地顯示在顯示界面上，以達(dá)到對(duì)裝備磨損狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的目的。

(1)信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊在裝備不停機(jī)的情況下，實(shí)時(shí)對(duì)油液中的磨粒散射回波信號(hào)進(jìn)行采集，能夠在線反映油液中的磨粒信息［7］。

超聲波在潤(rùn)滑油中傳播，遇到磨粒時(shí)會(huì)發(fā)生散射，背向散射波到達(dá)傳感器表面時(shí)會(huì)激發(fā)傳感器產(chǎn)生電信號(hào)，VC++程序調(diào)用函數(shù)驅(qū)使采集卡采集電信號(hào)，然后調(diào)用信號(hào)放大與A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)，使散射回波信號(hào)變成離散數(shù)據(jù)，VC++程序調(diào)用存儲(chǔ)函數(shù)把離散數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)緩存區(qū)，信號(hào)采集模塊同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)離散數(shù)據(jù)。磨粒的散射信號(hào)就存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩存區(qū)，以便數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行調(diào)用和處理分析。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊為3個(gè)模塊中的核心部分，由于采集到的原始數(shù)據(jù)不能直接表達(dá)出裝備的運(yùn)行狀態(tài)，只有對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到裝備潤(rùn)滑油中磨粒的特征參數(shù)，才能得到設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的有效信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)［8］。

超聲回波離散數(shù)據(jù)以二進(jìn)制數(shù)的形式儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)緩存區(qū)，VC++程序調(diào)用數(shù)據(jù)讀取函數(shù)讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

由于油液介質(zhì)和散射的影響，超聲散射回波有很大的衰減，信號(hào)很微弱，混合在隨機(jī)噪聲中［9］，對(duì)判斷回波信號(hào)、特征提取與識(shí)別造成很大影響。因此，VC++首先調(diào)用信號(hào)降噪函數(shù)，濾除信號(hào)中包含的噪聲，把超聲原始信號(hào)還原出來(lái)，為下一步提取磨粒特征參數(shù)做準(zhǔn)備。然后，VC++程序調(diào)用特征參數(shù)提取函數(shù)，把降噪后的超聲回波信號(hào)包含的磨粒特征參數(shù)有效地提取出來(lái)，進(jìn)行識(shí)別。最后，VC++程序調(diào)用磨粒識(shí)別函數(shù)，針對(duì)提取出來(lái)的磨粒特征參數(shù)對(duì)磨粒進(jìn)行識(shí)別。

數(shù)據(jù)處理模塊循環(huán)提取數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并把處理結(jié)果傳遞給結(jié)果顯示模塊，確保結(jié)果顯示界面能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)地表征潤(rùn)滑油的信息，從而在線反映裝備的運(yùn)行狀態(tài)。

(3)結(jié)果顯示模塊

結(jié)果顯示模塊把數(shù)據(jù)處理模塊分析得到的結(jié)果通過(guò)圖形顯示在界面上，如圖3所示，并具有故障報(bào)警功能:當(dāng)裝備磨損狀態(tài)正常時(shí)，綠燈閃亮;當(dāng)油液中的磨粒超標(biāo)時(shí)，紅燈閃亮，進(jìn)行報(bào)警，提醒操作人員進(jìn)行檢查。這樣操作人員能夠?qū)崟r(shí)掌握裝備的工作狀態(tài)，及時(shí)對(duì)裝備進(jìn)行維護(hù)。

圖3 結(jié)果顯示界面

完成硬件平臺(tái)搭建與軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)之后，用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)在線反映裝備潤(rùn)滑油中磨粒的大小和數(shù)量，達(dá)到對(duì)潤(rùn)滑油在線監(jiān)測(cè)的目的。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套以聚焦式超聲波傳感器、超聲波檢測(cè)卡、計(jì)算機(jī)等部件為硬件平臺(tái)，VC++為開(kāi)發(fā)環(huán)境的UOWDM系統(tǒng)。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了在線磨粒監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:UOWDM系統(tǒng)能夠在線測(cè)量油液中磨粒的尺寸和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備磨損狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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