車載潤滑油污染度實時檢測系統設計

張 勇， 黃健鵬， 張 威

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640；2.中國北方發動機研究所，天津 100072）

0 引 言

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

隨著信息科技的進步，潤滑油檢測技術正朝著一體化、自動化、微型化與智能化多方向發展。美國福特汽車公司曾根據潤滑油的粘度衰減與導電性能的變化關系，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應于其工程機械上，取得良好的效果[3]。近年，西方發達國家嘗試把油液監測技術應用于商用汽車，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]。我國在油液監測技術的研究和工業應用方面也取得較大的發展。國內先后有曹凱[5]利用介電常數法監測發動機機油性能的研究、陳銘[6]關于車用內燃機潤滑系統的狀態監測技術、張曉飛[7]基于潤滑油電學特性測量的油液在線監測技術研究。總體來說，我國的油液檢測監測技術還不夠成熟，尤其是在線檢測方面缺少可靠有效的產品。

為此，本文開發了一套制造成本低、檢測效果好的車用在線潤滑油液污染度檢測系統。同時還引用磁場設計，使得系統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，增強系統的檢測功能。

1 系統檢測原理

汽車潤滑油的光譜特性受污染物的影響，當發射光通過潤滑油時，潤滑油中污染物會吸收或散射一部分發射光，使原發射光譜發生變化，如圖1所示。傳統光學測量方法中只采用一種頻率光檢測，檢測效果不夠精確[8]。為了提高檢測準確度，本文采用多波段的檢測方法，對其所有波段進行積分，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]。本系統采用白光，波長為380～780nm。代入數據，進行矩陣變換[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。

對上述參數進行無量綱化處理，以便簡化計算：

無量綱化后可以看出：x+y+z=1。這樣可以消除參數z，只需將x，y作為反映潤滑油污染度的參數。通過檢測系統的磁場作用，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系得到[11]。為了研究設備磨損情況，定義磨損參數W來反映設備的磨損量，其計算公式為

式中：x、y——開啟磁場時所測得的光譜參數；

x′、y′——關閉磁場時所測得的光譜參數。

磨損參數W與磁性金屬在潤滑油中含量和分布狀態有關。

2 系統的結構設計

系統采用模塊式設計，其中包括光源模塊、數據采集模塊、電源模塊與磁場模塊等，其設計框圖如圖2所示。為了適應汽車行駛中的環境變化，結構設計中應充分考慮系統的可靠性、抗震性與密封性。系統的結構示意圖如圖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。系統封裝外殼一端為攻管螺紋，方便安裝在需要監測的設備上。

圖2 系統設計框架圖

圖3 系統結構示意圖

3 檢測系統的電路設計

選用美國Cygnal公司生產的C8051F500型單片機作為數據處理系統的核心。它屬于工業級單片機，具有8～12位多通道 ADC、16位可編程定時/計數器陣列 PCA、64K Flash存貯器等豐富的片內資源，并擁有高速的指令處理能力（50MIPS），與標準8051完全兼容。可以確保有效地控制其他模塊，并留有足夠的資源擴展新的模塊。

3.1 光源模塊電路設計

檢測光源選用GREE公司生產的發光二極管，具有壽命長、穩定性好的特點，其光譜分布如圖4所示。電壓的不穩定直接影響二極管的發光，從而引起檢測誤差。因此光源系統選用CAT4201芯片提供穩定的電壓，最大限度降低檢測系統的測量誤差。CAT4201電學性能、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電學特性

圖6 光源模塊電路圖

圖7 光電探測器光譜響應性能圖

圖8 光電探測器與單片機連接電路圖

3.2 數據采集模塊電路設計

光電探測器TCS3414用來采集光信號，其光譜響應性能如圖7所示，內部集成DAC，可以直接輸出數字信號[12]。光電探測器與C8051F500單片機之間利用I2C根總線進行連接：一根是串行數據線SDA，另一根是串行時鐘線SCL。連接電路如圖8所示。

3.3 電源模塊、磁場模塊與PC通信模塊電路設計

電源模塊選用SPX3819作為電壓調節芯片，以提供C8051F500單片機與光電探測器正常的工作電壓。磁場模塊由單片機控制，利用PWM驅動電磁塞，實現對磁場的控制。磁場模塊用于分離潤滑油中的磁性與非磁性物質。PC通信模塊利用RS-232C串口標準實現單片機與PC之間的通信。因為單片機串行口采用標準的TTL電平，與RS-232C標準不同，需要利用MAX232芯片實現電平的轉換[13]。

4 檢測系統的軟件設計

檢測系統結合軟件設計、系統硬件特點與實現目的，編寫了相應的程序。下位機程序包括硬件初始化程序、數據采集程序、數據處理程序以及PC通信程序。上位機根據監控的需求，在VC++軟件中編程實現，令PC可以讀取單片機上的數據并作進一步分析處理。該系統由單片計算機獨立控制，完成油液的實時監測，也可以由PC機作為控制主體，實現自動化控制。圖9與圖10為系統軟件設計的框架圖。

5 檢測系統的試驗研究

5.1 油液污染度監測實驗

收集汽車舊潤滑油作為試驗對象，從而測試系統的檢測效果。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服務有限公司檢測提供。試驗環境為常溫常壓，每級油樣檢測10次，考察系統的分辨力與穩定性。

圖9 下位機程序框圖

圖10 上位機程序框圖

表1 各油樣檢測數據

表1為實驗各級油樣的檢測數據，其中油樣10#和油樣11#為污染嚴重的潤滑油。可以看出各級油樣檢測標準差 σx、σy、σx′、σy′的變化范圍較小，基本可認為沒有變化，表明該檢測系統具有良好的穩定性。

圖11 檢測數據曲線圖

將采樣的數據繪制數據圖，每個數據點代表每級油樣的平均采樣數據，如圖11所示。曲線1為關閉磁場時采集的數據曲線，代表各級潤滑油整體的污染度；曲線2為開啟磁場時采集的數據曲線，代表各級潤滑油非磁性物質的污染度。通過數據圖可知，檢測結果有良好的線性關系，檢測系統除了低污染度的油樣1#與2#外，可以有效地分辨各級油樣。

汽車動力設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中兩條數據曲線非常接近，各級油樣的磨損參數W均小于0.02（見表1）。表明實驗的設備處于正常磨損期，產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。當磨損參數W達到正常磨損時的3倍時，可以考慮汽車處于急劇磨損階段，需要檢測維護。

5.2 光源電壓變化影響實驗

汽車行駛的環境復雜，電池的供電電壓常常會發生波動，使得LED光照強度產生變化，影響測量準確度。為此對光源電壓變化與系統輸出特性進行試驗研究。實驗對7#油樣進行測試，相應的電源電壓為 4，5，6，7，8，9，10V。實驗數據見表 2。

表2 光源電壓變化實驗數據

可以看出：當電壓大于6V時，系統輸出的x、y值基本沒有變化，測量誤差低于0.2%，可以正常監測。當電壓小于6V，x、y值迅速衰減，監測結果出現異常。這與LED穩壓芯片CAT4201的電學特性相關，如圖5所示，當電壓低于6V時，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穩定地工作。

6 結束語

通過現場試驗結果可以看出：基于光譜特性的檢測系統能夠實時有效地檢測潤滑油污染程度以及評估設備的磨損情況，且檢測系統具有良好的測量穩定性，能夠滿足汽車在復雜環境工作的需求。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。檢測系統成本低廉，結構簡單，具有廣闊的市場前景。

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