車載潤滑油污染度實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 勇， 黃健鵬， 張 威

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 100072）

0 引 言

潤滑油在車載動(dòng)力系統(tǒng)總成中扮演重要的角色，其性能直接影響著動(dòng)力系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。潤滑油長期使用后會(huì)發(fā)生劣化變質(zhì)、使用性能下降，易加速汽車的磨損，造成汽車故障[2]。潤滑油液性能品質(zhì)已成為保障汽車動(dòng)力系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。

隨著信息科技的進(jìn)步，潤滑油檢測技術(shù)正朝著一體化、自動(dòng)化、微型化與智能化多方向發(fā)展。美國福特汽車公司曾根據(jù)潤滑油的粘度衰減與導(dǎo)電性能的變化關(guān)系，檢測潤滑油的劣化程度，但測量效果不好。美國卡特彼勒公司成功將紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)于其工程機(jī)械上，取得良好的效果[3]。近年，西方發(fā)達(dá)國家嘗試把油液監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于商用汽車，部分高端車型（如美國通用別克等）將其作為基本配置，保證了車載潤滑油的使用安全[4]。我國在油液監(jiān)測技術(shù)的研究和工業(yè)應(yīng)用方面也取得較大的發(fā)展。國內(nèi)先后有曹凱[5]利用介電常數(shù)法監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油性能的研究、陳銘[6]關(guān)于車用內(nèi)燃機(jī)潤滑系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)、張曉飛[7]基于潤滑油電學(xué)特性測量的油液在線監(jiān)測技術(shù)研究?？傮w來說，我國的油液檢測監(jiān)測技術(shù)還不夠成熟，尤其是在線檢測方面缺少可靠有效的產(chǎn)品。

為此，本文開發(fā)了一套制造成本低、檢測效果好的車用在線潤滑油液污染度檢測系統(tǒng)。同時(shí)還引用磁場設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)可以檢測表征汽車磨損程度的金屬污染物，從而評估汽車的磨損程度，增強(qiáng)系統(tǒng)的檢測功能。

1 系統(tǒng)檢測原理

汽車潤滑油的光譜特性受污染物的影響，當(dāng)發(fā)射光通過潤滑油時(shí)，潤滑油中污染物會(huì)吸收或散射一部分發(fā)射光，使原發(fā)射光譜發(fā)生變化，如圖1所示。傳統(tǒng)光學(xué)測量方法中只采用一種頻率光檢測，檢測效果不夠精確[8]。為了提高檢測準(zhǔn)確度，本文采用多波段的檢測方法，對其所有波段進(jìn)行積分，從而判斷其污染程度。

圖1 新舊潤滑油的光譜變化

由于有色光譜均是由紅綠藍(lán)三原色組成，因此所測光譜可以選取最常見的典型波長值λr、λg、λb來等效。通過測量任一頻率光的光譜三刺激值，就可以利用光譜方程積分算出其理論光譜能量值[9]。本系統(tǒng)采用白光，波長為380～780nm。代入數(shù)據(jù)，進(jìn)行矩陣變換[10]，得到以下矩陣方程，其中R、G、B可通過光電探測器測量得到。

對上述參數(shù)進(jìn)行無量綱化處理，以便簡化計(jì)算：

無量綱化后可以看出：x+y+z=1。這樣可以消除參數(shù)z，只需將x，y作為反映潤滑油污染度的參數(shù)。通過檢測系統(tǒng)的磁場作用，潤滑油的金屬污染度可以通過潤滑油整體污染度與非金屬污染度的比較關(guān)系得到[11]。為了研究設(shè)備磨損情況，定義磨損參數(shù)W來反映設(shè)備的磨損量，其計(jì)算公式為

式中：x、y——開啟磁場時(shí)所測得的光譜參數(shù)；

x′、y′——關(guān)閉磁場時(shí)所測得的光譜參數(shù)。

磨損參數(shù)W與磁性金屬在潤滑油中含量和分布狀態(tài)有關(guān)。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊式設(shè)計(jì)，其中包括光源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊與磁場模塊等，其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。為了適應(yīng)汽車行駛中的環(huán)境變化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的可靠性、抗震性與密封性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，包括封裝外殼、油池、傳感器探頭、LED光源、光電探測器、微型電磁鐵和控制電路板。系統(tǒng)封裝外殼一端為攻管螺紋，方便安裝在需要監(jiān)測的設(shè)備上。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 檢測系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

選用美國Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F500型單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心。它屬于工業(yè)級(jí)單片機(jī)，具有8～12位多通道 ADC、16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器陣列 PCA、64K Flash存貯器等豐富的片內(nèi)資源，并擁有高速的指令處理能力（50MIPS），與標(biāo)準(zhǔn)8051完全兼容?？梢源_保有效地控制其他模塊，并留有足夠的資源擴(kuò)展新的模塊。

3.1 光源模塊電路設(shè)計(jì)

檢測光源選用GREE公司生產(chǎn)的發(fā)光二極管，具有壽命長、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，其光譜分布如圖4所示。電壓的不穩(wěn)定直接影響二極管的發(fā)光，從而引起檢測誤差。因此光源系統(tǒng)選用CAT4201芯片提供穩(wěn)定的電壓，最大限度降低檢測系統(tǒng)的測量誤差。CAT4201電學(xué)性能、光源模塊的電路圖如圖5、圖6所示。

圖4 CREE LED光譜分布曲線圖

圖5 CAT4201電學(xué)特性

圖6 光源模塊電路圖

圖7 光電探測器光譜響應(yīng)性能圖

圖8 光電探測器與單片機(jī)連接電路圖

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)

光電探測器TCS3414用來采集光信號(hào)，其光譜響應(yīng)性能如圖7所示，內(nèi)部集成DAC，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)[12]。光電探測器與C8051F500單片機(jī)之間利用I2C根總線進(jìn)行連接：一根是串行數(shù)據(jù)線SDA，另一根是串行時(shí)鐘線SCL。連接電路如圖8所示。

3.3 電源模塊、磁場模塊與PC通信模塊電路設(shè)計(jì)

電源模塊選用SPX3819作為電壓調(diào)節(jié)芯片，以提供C8051F500單片機(jī)與光電探測器正常的工作電壓。磁場模塊由單片機(jī)控制，利用PWM驅(qū)動(dòng)電磁塞，實(shí)現(xiàn)對磁場的控制。磁場模塊用于分離潤滑油中的磁性與非磁性物質(zhì)。PC通信模塊利用RS-232C串口標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC之間的通信。因?yàn)閱纹瑱C(jī)串行口采用標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)不同，需要利用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換[13]。

4 檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)結(jié)合軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件特點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)目的，編寫了相應(yīng)的程序。下位機(jī)程序包括硬件初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序以及PC通信程序。上位機(jī)根據(jù)監(jiān)控的需求，在VC++軟件中編程實(shí)現(xiàn)，令PC可以讀取單片機(jī)上的數(shù)據(jù)并作進(jìn)一步分析處理。該系統(tǒng)由單片計(jì)算機(jī)獨(dú)立控制，完成油液的實(shí)時(shí)監(jiān)測，也可以由PC機(jī)作為控制主體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。圖9與圖10為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的框架圖。

5 檢測系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

5.1 油液污染度監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

收集汽車舊潤滑油作為試驗(yàn)對象，從而測試系統(tǒng)的檢測效果。試樣為11種不同顆粒污染度的油樣，其顆粒濃度由廣州澳凱油品檢測技術(shù)服務(wù)有限公司檢測提供。試驗(yàn)環(huán)境為常溫常壓，每級(jí)油樣檢測10次，考察系統(tǒng)的分辨力與穩(wěn)定性。

圖9 下位機(jī)程序框圖

圖10 上位機(jī)程序框圖

表1 各油樣檢測數(shù)據(jù)

表1為實(shí)驗(yàn)各級(jí)油樣的檢測數(shù)據(jù)，其中油樣10#和油樣11#為污染嚴(yán)重的潤滑油。可以看出各級(jí)油樣檢測標(biāo)準(zhǔn)差 σx、σy、σx′、σy′的變化范圍較小，基本可認(rèn)為沒有變化，表明該檢測系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

圖11 檢測數(shù)據(jù)曲線圖

將采樣的數(shù)據(jù)繪制數(shù)據(jù)圖，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表每級(jí)油樣的平均采樣數(shù)據(jù)，如圖11所示。曲線1為關(guān)閉磁場時(shí)采集的數(shù)據(jù)曲線，代表各級(jí)潤滑油整體的污染度；曲線2為開啟磁場時(shí)采集的數(shù)據(jù)曲線，代表各級(jí)潤滑油非磁性物質(zhì)的污染度。通過數(shù)據(jù)圖可知，檢測結(jié)果有良好的線性關(guān)系，檢測系統(tǒng)除了低污染度的油樣1#與2#外，可以有效地分辨各級(jí)油樣。

汽車動(dòng)力設(shè)備的磨損階段可以分為初期磨損階段、正常磨損階段以及急劇磨損階段。圖11中兩條數(shù)據(jù)曲線非常接近，各級(jí)油樣的磨損參數(shù)W均小于0.02（見表1）。表明實(shí)驗(yàn)的設(shè)備處于正常磨損期，產(chǎn)生的金屬磨損顆粒少。一般來說，急劇磨損階段的磨損量大約是正常磨損量的3倍以上。當(dāng)磨損參數(shù)W達(dá)到正常磨損時(shí)的3倍時(shí)，可以考慮汽車處于急劇磨損階段，需要檢測維護(hù)。

5.2 光源電壓變化影響實(shí)驗(yàn)

汽車行駛的環(huán)境復(fù)雜，電池的供電電壓常常會(huì)發(fā)生波動(dòng)，使得LED光照強(qiáng)度產(chǎn)生變化，影響測量準(zhǔn)確度。為此對光源電壓變化與系統(tǒng)輸出特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)對7#油樣進(jìn)行測試，相應(yīng)的電源電壓為 4，5，6，7，8，9，10V。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 2。

表2 光源電壓變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

可以看出：當(dāng)電壓大于6V時(shí)，系統(tǒng)輸出的x、y值基本沒有變化，測量誤差低于0.2%，可以正常監(jiān)測。當(dāng)電壓小于6V，x、y值迅速衰減，監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)異常。這與LED穩(wěn)壓芯片CAT4201的電學(xué)特性相關(guān)，如圖5所示，當(dāng)電壓低于6V時(shí)，CAT4201的輸出電流迅速減少，使得LED不能正常工作。汽車的供電電壓一般為12V或24V，足以為光源模塊提供高于6V的電壓，使得LED穩(wěn)定地工作。

6 結(jié)束語

通過現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果可以看出：基于光譜特性的檢測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)有效地檢測潤滑油污染程度以及評估設(shè)備的磨損情況，且檢測系統(tǒng)具有良好的測量穩(wěn)定性，能夠滿足汽車在復(fù)雜環(huán)境工作的需求。由于光譜檢測方法具有非接觸性，因而檢測系統(tǒng)的損耗基本可以忽略，這樣可以提高傳感器的可靠性與壽命。檢測系統(tǒng)成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，具有廣闊的市場前景。

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