基于VC++的油液磨粒超聲在線監測系統的設計與實現

李一寧，張培林，徐超，張云強，孫玉振

(軍械工程學院七系，河北石家莊 050003)

裝備潤滑油中磨粒的信息，對于掌握裝備的磨損情況十分重要。傳統的油液分析技術主要是對油液進行離線分析［1］，但存在許多不足，需要先進行油液采樣，然后再對油液進行分析，這種方法費時費力，而且分析之后得到的數據不具有實時性，因此，裝備油液在線監測是該領域研究的主要方向［2］。

油液在線監測的優點主要有:(1)監測過程的連續性;(2)監測結果的實時性;(3)監測結果與被監測對象運行狀態的同步性［3］。

目前，在線監測技術主要有以下幾種:光學測量技術、電磁測量技術、電化學測量技術和超聲波測量技術［4］。

采用超聲波測量技術對油液中的磨粒進行在線分析，需要對磨粒超聲散射信號進行實時采集和分析處理，識別出信號所對應磨粒的大小等信息，最后將監測結果動態實時顯示。VC++是系統開發軟件之一，可以開發各種層次的軟件系統，且開發出的系統具有執行速度快、容易維護、界面友好等優點［5］。因此，文中采用基于VC++的技術設計了一套超聲磨粒在線監測 (UOWDM)系統，該系統通過對超聲回波信號進行在線實時采集與數據處理，并進行結果顯示，實現對裝備運行狀態的在線監測。

1UOWDM硬件系統

UOWDM系統主要由硬件系統和軟件系統兩部分構成。軟件系統在硬件系統的支持下運行，實現實時采集、處理信號和結果顯示等功能，兩者相互作用、相互影響，實現對油液中磨粒的測量與設備運行狀態的在線監測。

UOWDM系統的硬件系統組成結構圖如圖1所示，主要由聚焦式超聲波傳感器、超聲波檢測卡、計算機、屏蔽信號線等部分組成。

圖1 硬件系統組成結構圖

該系統利用檢測卡激發傳感器發射高能脈沖超聲波，聲波在潤滑油中傳播，遇到磨粒時超聲波發生散射［6］;傳感器接收背向散射波，轉換為電信號，通過數據線傳給采集卡并進行放大與A/D轉換;由計算機對采集的信號進行處理，識別出信號所對應磨粒的大小、數量等信息;最后通過磨粒信息對裝備磨損狀態進行評價并將監測結果動態實時顯示。

2UOWDM軟件系統

UOWDM系統的軟件系統主要由信號采集模塊、數據處理模塊和結果顯示模塊三部分組成，軟件系統完成的主要功能如圖2所示。通過VC++軟件平臺進行編程，將3個模塊有機結合起來，構成一個整體。

圖2 軟件系統功能結構圖

點擊開關啟動UOWDM系統，VC++程序控制信號采集模塊開始采集磨粒的散射回波信號，并通過函數調用數據信號處理模塊，對采集信號進行處理分析，最后通過函數調用結果顯示模塊，將結果在線地顯示在顯示界面上，以達到對裝備磨損狀態實時在線監測的目的。

(1)信號采集模塊

信號采集模塊在裝備不停機的情況下，實時對油液中的磨粒散射回波信號進行采集，能夠在線反映油液中的磨粒信息［7］。

超聲波在潤滑油中傳播，遇到磨粒時會發生散射，背向散射波到達傳感器表面時會激發傳感器產生電信號，VC++程序調用函數驅使采集卡采集電信號，然后調用信號放大與A/D轉換函數，使散射回波信號變成離散數據，VC++程序調用存儲函數把離散數據儲存在數據緩存區，信號采集模塊同時進行實時采集和實時存儲離散數據。磨粒的散射信號就存儲在數據緩存區，以便數據處理模塊進行調用和處理分析。

(2)數據處理模塊

數據處理模塊為3個模塊中的核心部分，由于采集到的原始數據不能直接表達出裝備的運行狀態，只有對采集到的原始數據進行處理分析，得到裝備潤滑油中磨粒的特征參數，才能得到設備運行狀態的有效信息，從而實現對裝備運行狀態的在線監測［8］。

超聲回波離散數據以二進制數的形式儲存在數據緩存區，VC++程序調用數據讀取函數讀取數據緩存區的數據，進行數據處理。

由于油液介質和散射的影響，超聲散射回波有很大的衰減，信號很微弱，混合在隨機噪聲中［9］，對判斷回波信號、特征提取與識別造成很大影響。因此，VC++首先調用信號降噪函數，濾除信號中包含的噪聲，把超聲原始信號還原出來，為下一步提取磨粒特征參數做準備。然后，VC++程序調用特征參數提取函數，把降噪后的超聲回波信號包含的磨粒特征參數有效地提取出來，進行識別。最后，VC++程序調用磨粒識別函數，針對提取出來的磨粒特征參數對磨粒進行識別。

數據處理模塊循環提取數據緩存區的數據進行處理分析，并把處理結果傳遞給結果顯示模塊，確保結果顯示界面能夠實時連續地表征潤滑油的信息，從而在線反映裝備的運行狀態。

(3)結果顯示模塊

結果顯示模塊把數據處理模塊分析得到的結果通過圖形顯示在界面上，如圖3所示，并具有故障報警功能:當裝備磨損狀態正常時，綠燈閃亮;當油液中的磨粒超標時，紅燈閃亮，進行報警，提醒操作人員進行檢查。這樣操作人員能夠實時掌握裝備的工作狀態，及時對裝備進行維護。

圖3 結果顯示界面

完成硬件平臺搭建與軟件系統開發之后，用實驗平臺對系統的功能進行了驗證，證明該系統能夠實時在線反映裝備潤滑油中磨粒的大小和數量，達到對潤滑油在線監測的目的。

3 結論

設計了一套以聚焦式超聲波傳感器、超聲波檢測卡、計算機等部件為硬件平臺，VC++為開發環境的UOWDM系統。通過搭建實驗平臺，進行了在線磨粒監測實驗。實驗結果表明:UOWDM系統能夠在線測量油液中磨粒的尺寸和數量，實現對裝備磨損狀態的在線監測。該系統運行穩定可靠，具有較高的實用價值。

［1］姚智剛，王偉鋼，武通海，等.油液綜合監測數據管理及分析系統［J］.潤滑與密封，2009，34(7):97-101.

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［4］馮偉，陳閩杰，賀石中.油液在線監測傳感器技術［J］.潤滑與密封，2012，37(1):99-104.

［5］蔡莎莎，付勝.基于VC++與MATLAB混編的故障信號分析系統設計［J］.微計算機信息，2011，27(11):68-70.

［6］NEMARICH Christopher P，WHITESEL Henry K，SARKADY Antal.On-line Wear Particle Monitoring Based on Ultrasonic Detection and Discrimination［R］.David Taylor Research Center，1989:1-10.

［7］明廷鋒，樸甲哲，張永祥，等.超聲波磨粒監測方法的研究［J］.內燃機學報，2004，44(4):357-362.

［8］賀石中.全新的潤滑理念及油液監測技術［J］.潤滑油，2006，21(3):1-6.

［9］楊順民.超聲在線檢測信號處理方法研究及其通用軟件平臺的研制［D］.太原:中北大學，2005.