摘 要： 提出了一種利用QCM傳感器對液壓油品質(zhì)進行在線監(jiān)測的新方法，給出了系統(tǒng)軟、硬件的設計方案，并且設計了適用于油液中的QCM振蕩電路。
關鍵詞： 石英晶體微天平 單片機
1 應用背景
在大型施工設備中，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)的結構特性、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、不必換油時卻進行了油液的維護的現(xiàn)象，造成人力物力的浪費和設備運轉(zhuǎn)壽命縮短。一般的大型施工設備(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，以降低液壓設備進一步損傷，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，對油品進行實時的監(jiān)測，利用單片機AT89C52進行現(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]，其推導結果是：
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)測油品的粘度以及溫度的變化情況。在關鍵的大型液壓設備中可以根據(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：單片機系統(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。總體結構如圖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)字信號，省去了電路中的A/D轉(zhuǎn)換器，連線簡單，提高了系統(tǒng)的可靠性。具體電路可參考文獻[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)絡和選頻網(wǎng)絡三部分組成的[3]，在實際電路中正反饋網(wǎng)絡和選頻網(wǎng)絡往往用同一網(wǎng)絡，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)絡的傳遞函數(shù)，當滿足K(S)×F(S)=1時，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)絡的主要組成部分，也是一種選頻網(wǎng)絡，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，便于單片機的采集。采用這種電路，解決了以往振蕩電路[2]驅(qū)動能力差的缺點，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、時漂的現(xiàn)象。在使用一段時間后，由于傳感器及電路自身引起的測量值發(fā)生變化，造成測量系統(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)的準確和可靠。從測量用QCM振蕩電路和參考用QCM振蕩電路輸出的兩路方波信號分別進入差頻器74LS74的D端和CLK端，得到的差頻信號進入單片機的T0口進行計數(shù)。
3.4 顯示及報警電路
該系統(tǒng)選用了集成度很高的PS7219顯示器驅(qū)動模塊，它是一種新型的、多位LED顯示驅(qū)動模塊，具有采用簡單的三線SPI接口、內(nèi)部自帶時鐘電路、無需任何外圍元件、顯示功能多樣化等特點。與以往的顯示驅(qū)動電路相比較，簡化了硬件結構，節(jié)省了單片機系統(tǒng)的資源，功能也得到了提高。報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)越界報警。
3.5 通訊模塊
為了將所測到的液壓油的溫度、粘度的變化值存入上位機數(shù)據(jù)庫中作趨勢分析，本系統(tǒng)采用MAX232實現(xiàn)AT89C52單片機系統(tǒng)與工控機之間的通訊。
4 系統(tǒng)軟件設計
軟件設計采用模塊化設計思想，系統(tǒng)主要由以下模塊組成：主程序模塊、顯示子程序模塊、溫度測量子程序模塊、濾波子程序模塊、QCM頻率測量模塊、標定子程序模塊、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)測系統(tǒng)可實時地監(jiān)測現(xiàn)場液壓油品的粘度和溫度的變化。根據(jù)現(xiàn)場實驗可得出以下結論：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傳感器對液壓油品質(zhì)進行在線監(jiān)測，保證了液壓系統(tǒng)的可靠性，并且能大幅降低維護費用，對今后液壓系統(tǒng)油液質(zhì)量分析進一步實現(xiàn)自動化有著重要的意義。
參考文獻
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)字溫度計原理與應用.電測與儀表，1999.2
3 崔玉亮.諧振式傳感器理論及測試技術.煤炭工業(yè)出版社，1996.9：24~26