基于QCM傳感器的液壓油品質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

作者：西安交通大學(xué)（710049）張劍鋒 張優(yōu)云 來源：《電子技術(shù)應(yīng)用》 基于qcm傳感器的液壓油品質(zhì) 在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā) 摘要：提出了一種利用qcm傳感器對液壓油品質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測的新方法，給出了系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計方案，并且設(shè)計了適用于油液中的qcm振蕩電路。 關(guān)鍵詞：石英晶體微天平 單片機 1 應(yīng)用背景 在大型施工設(shè)備中，液壓系統(tǒng)是主要傳動方式之一。液壓油既是傳遞功率的介質(zhì)，又對液壓元件起著潤滑、密封和冷卻作用，因此，液壓油的狀況對于液壓系統(tǒng)的工作狀況和工作性能十分重要。目前更換液壓油常用定期換油的方法，即根據(jù)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性、運行條件和油品質(zhì)量，按確定的周期換油。但是這種方法容易出現(xiàn)該換油時沒有換、不必?fù)Q油時卻進(jìn)行了油液的維護(hù)的形象，造成人力物力的浪費和設(shè)備運轉(zhuǎn)壽命縮短。一般的大型施工設(shè)備（如塔帶機）的液壓系統(tǒng)都是很龐大的，系統(tǒng)中液壓油的油容量少則幾個立方，多則數(shù)十個立方，一次換油費用很高。據(jù)統(tǒng)計，三峽大壩施工中使用的塔帶機每年采用定期換油的方式，換油費用幾十萬美元。因此采用視情維護(hù)方式的不定期換油顯得更加重要，它有助于減少不必要的零部件更換，并能及時采取維修行動，以降低液壓設(shè)備進(jìn)一步損傷，減少停機時間。這必然給液壓油的品質(zhì)分析提出了較高的要求。 本文著重研究液壓油的品質(zhì)監(jiān)測。塔帶機工作環(huán)境惡劣，為能夠做到現(xiàn)場檢測其品質(zhì)，根據(jù)課題要求，我們研制了在線式液壓油品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。這套系統(tǒng)主要是監(jiān)測油品的粘度和溫度的變化，通過這兩個參數(shù)反映油的綜合性能，對油品進(jìn)行實時的監(jiān)測，利用單片機at89c52進(jìn)行現(xiàn)場分析、顯示和報警，大大增強了傳感器的功能。 2 測量原理 石英晶體微天平（qcm）早在1964年就被用于氣相環(huán)境下的微質(zhì)量監(jiān)測，但是將石英晶體運用于液體環(huán)境中是近十年來才發(fā)展起來的。qcm是在石英晶體白片的兩面鍍上一層金屬作為兩極，由外部的一個電子振蕩器來驅(qū)動，當(dāng)在兩極加上一定頻率的電場時，qcm會以一定的頻率振蕩，這個頻率是由電極上的質(zhì)量及液體的粘度和密度決定的。利用qcm進(jìn)行油品品質(zhì)監(jiān)測的機理是基于石英晶體的剪切波與液壓油中的減幅剪切波耦合所建立的一種簡單的物理模型[1]，其推導(dǎo)結(jié)果是： δf=-f(-3/2)(ρ1η1)1/2(πuqρq)1/2 (1) 其中，δf是qcm浸入液體后頻率的變化值，f是qcm的固有頻率，uq和ρq為石英晶體的彈性模量和密度，ρ1、η1為液體的密度和粘度。（1）式可簡化為（2）式，k是一個常數(shù)，即δf與(ρ1η1)1/2成正比關(guān)系。 δf=-k(ρ1η1)1/2 （2） 在現(xiàn)場使用時，只要把qcm傳感器探頭接入液壓系統(tǒng)監(jiān)測點（油液管道或油箱里），就可以在線監(jiān)測油品的精度以及溫度的變化情況。在關(guān)鍵的大型液壓設(shè)備中可以根據(jù)需要在多個監(jiān)測點安裝多個傳感器探頭，以全面了解整個系統(tǒng)的油品變質(zhì)狀況。 3 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 液壓油品質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)大體由以下幾部分組成：單睡機系統(tǒng)；石英晶體（qc）傳感器及其振蕩電路；溫度測量模塊；人機接口模塊（包括鍵盤輸入模塊、顯示模塊及報警電路）；通訊模塊?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示，它充分利用了集成電路最新成果和低功耗設(shè)計思想，使電路板體積小且功耗低。 3.1 單片機系統(tǒng) 單片機采用自帶8k字節(jié)電可擦除式存儲器的at89c52控制器，性能價格比高。為了保證長期穩(wěn)定可靠地工作，本系統(tǒng)采用了性能優(yōu)異的μp監(jiān)控芯片x25045，它集復(fù)位控制器、看門狗定時器和4k串行e2prom于一身，增強了系統(tǒng)的集成度和可靠性。 3.2 溫度測量模塊 系統(tǒng)采用ds1820溫度傳感器作為溫度傳感器件，它是一種1線式數(shù)字傳感器，直接輸出數(shù)據(jù)信號，省云了電路中的a/d轉(zhuǎn)換器，連線簡單，提高了系統(tǒng)的可靠性。具體電路可參