摘 要： 提出了一種利用QCM傳感器對(duì)液壓油品質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的新方法，給出了系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)方案，并且設(shè)計(jì)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(jī)
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(dòng)方式之一。液壓油既是傳遞功率的介質(zhì)，又對(duì)液壓元件起著潤(rùn)滑、密封和冷卻作用，因此，液壓油的狀況對(duì)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(yùn)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(shí)沒有換、不必?fù)Q油時(shí)卻進(jìn)行了油液的維護(hù)的現(xiàn)象，造成人力物力的浪費(fèi)和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)壽命縮短。一般的大型施工設(shè)備(如塔帶機(jī))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(gè)立方，多則數(shù)十個(gè)立方，一次換油費(fèi)用很高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，三峽大壩施工中使用的塔帶機(jī)每年采用定期換油的方式，換油費(fèi)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(shí)采取維修行動(dòng)，以降低液壓設(shè)備進(jìn)一步損傷，減少停機(jī)時(shí)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(cè)。塔帶機(jī)工作環(huán)境惡劣，為能夠做到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)。這套系統(tǒng)主要是監(jiān)測(cè)油品的粘度和溫度的變化，通過這兩個(gè)參數(shù)反映油的綜合性能，對(duì)油品進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，利用單片機(jī)AT89C52進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析、顯示和報(bào)警，大大增強(qiáng)了傳感器的功能。
2 測(cè)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(cè)，但是將石英晶體運(yùn)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(gè)電子振蕩器來驅(qū)動(dòng)，當(dāng)在兩極加上一定頻率的電場(chǎng)時(shí)，QCM會(huì)以一定的頻率振蕩，這個(gè)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(cè)的機(jī)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(jiǎn)單的物理模型[1]，其推導(dǎo)結(jié)果是：
在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，只要把QCM傳感器探頭接入液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(油液管道或油箱里)，就可以在線監(jiān)測(cè)油品的粘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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝多個(gè)傳感器探頭，以全面了解整個(gè)系統(tǒng)的油品變質(zhì)狀況。
3 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
液壓油品質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大體由以下幾部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)；石英晶體(QC)傳感器及其振蕩電路； 溫度測(cè)量模塊；人機(jī)接口模塊(包括鍵盤輸入模塊、顯示模塊及報(bào)警電路);通訊模塊。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它充分利用了集成電路的最新成果和低功耗設(shè)計(jì)思想，使電路板體積小且功耗低。
3.1 單片機(jī)系統(tǒng)
單片機(jī)采用自帶8K字節(jié)電可擦除式存儲(chǔ)器的AT89C52控制器，性能價(jià)格比高。為了保證長(zhǎng)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(shí)器和4K串行E2PROM于一身，增強(qiáng)了系統(tǒng)的集成度和可靠性。
3.2 溫度測(cè)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)字信號(hào)，省去了電路中的A/D轉(zhuǎn)換器，連線簡(jiǎn)單，提高了系統(tǒng)的可靠性。具體電路可參考文獻(xiàn)[2]。
3.3 QCM傳感器及其振蕩電路
具有AT切型的石英晶體振蕩片具有低的零溫度系數(shù)，因此我們選用了5MHz的AT切型石英晶體振蕩片來制作傳感器的探頭。為了防止電極在油中氧化，采用了鍍金電極，晶片直徑14mm，電極半徑7mm，采用雙面與油接觸。
為了保證QCM在油液中振蕩起來，必須采用一套適用于油品環(huán)境的振蕩器電路。自激振蕩器通常是由基本放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)三部分組成的[3]，在實(shí)際電路中正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)往往用同一網(wǎng)絡(luò)，它的方框圖如圖2所示。
在這里，K(S)、F(S)是基本放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，當(dāng)滿足K(S)×F(S)=1時(shí)，振蕩才能發(fā)生。在石英晶體振蕩電路中，石英晶體作為正反饋網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，也是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，只有在石英晶體振蕩器的固有諧振頻率下才能滿足這一條件。根據(jù)這一原理，我們采用以MAXIM913芯片為核心的振蕩器，它的輸出是TTL電平，便于單片機(jī)的采集。采用這種電路，解決了以往振蕩電路[2]驅(qū)動(dòng)能力差的缺點(diǎn)，使QCM在液體中能夠穩(wěn)定地起振，具體電路如圖3所示。
石英晶體及其振蕩電路在使用過程中都有溫漂、時(shí)漂的現(xiàn)象。在使用一段時(shí)間后，由于傳感器及電路自身引起的測(cè)量值發(fā)生變化，造成測(cè)量系統(tǒng)中不可忽視的誤差，我們采用了參比石英振蕩片的方法來消除此誤差，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠。從測(cè)量用QCM振蕩電路和參考用QCM振蕩電路輸出的兩路方波信號(hào)分別進(jìn)入差頻器74LS74的D端和CLK端，得到的差頻信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)的T0口進(jìn)行計(jì)數(shù)。
3.4 顯示及報(bào)警電路
該系統(tǒng)選用了集成度很高的PS7219顯示器驅(qū)動(dòng)模塊，它是一種新型的、多位LED顯示驅(qū)動(dòng)模塊，具有采用簡(jiǎn)單的三線SPI接口、內(nèi)部自帶時(shí)鐘電路、無需任何外圍元件、顯示功能多樣化等特點(diǎn)。與以往的顯示驅(qū)動(dòng)電路相比較，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，節(jié)省了單片機(jī)系統(tǒng)的資源，功能也得到了提高。報(bào)警電路主要由蜂鳴器及發(fā)光二極管組成，用于系統(tǒng)參數(shù)越界報(bào)警。
3.5 通訊模塊
為了將所測(cè)到的液壓油的溫度、粘度的變化值存入上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中作趨勢(shì)分析，本系統(tǒng)采用MAX232實(shí)現(xiàn)AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)與工控機(jī)之間的通訊。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)主要由以下模塊組成：主程序模塊、顯示子程序模塊、溫度測(cè)量子程序模塊、濾波子程序模塊、QCM頻率測(cè)量模塊、標(biāo)定子程序模塊、X25045的串行E2PROM讀寫模塊、通訊子程序模塊等。圖4是主程序流程圖。
該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)液壓油品的粘度和溫度的變化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論：利用MAX913為核心的振蕩電路使QCM能在液壓油中很好地起振，穩(wěn)定性好;利用QCM傳感器對(duì)液壓油品質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，保證了液壓系統(tǒng)的可靠性，并且能大幅降低維護(hù)費(fèi)用，對(duì)今后液壓系統(tǒng)油液質(zhì)量分析進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化有著重要的意義。
參考文獻(xiàn)
1 Keiji K.K.，Gordon J.G.，F(xiàn)requency of a Quartz Microbalance in Contact with Liquid，Anal.Chem Acta，1985；57：99－104
2 沙占友.由DS1820組成的單線數(shù)字溫度計(jì)原理與應(yīng)用.電測(cè)與儀表，1999.2
3 崔玉亮.諧振式傳感器理論及測(cè)試技術(shù).煤炭工業(yè)出版社，1996.9：24~26