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)。
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。
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。
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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