车载润滑油污染度实时检测系统设计

张 勇， 黄健鹏， 张 威

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2.中国北方发动机研究所，天津 100072）

0 引 言

润滑油在车载动力系统总成中扮演重要的角色，其性能直接影响着动力系统的正常运行[1]。润滑油长期使用后会发生劣化变质、使用性能下降，易加速汽车的磨损，造成汽车故障[2]。润滑油液性能品质已成为保障汽车动力系统正常运行的必要条件。

随着信息科技的进步，润滑油检测技术正朝着一体化、自动化、微型化与智能化多方向发展。美国福特汽车公司曾根据润滑油的粘度衰减与导电性能的变化关系，检测润滑油的劣化程度，但测量效果不好。美国卡特彼勒公司成功将红外光谱分析技术应于其工程机械上，取得良好的效果[3]。近年，西方发达国家尝试把油液监测技术应用于商用汽车，部分高端车型（如美国通用别克等）将其作为基本配置，保证了车载润滑油的使用安全[4]。我国在油液监测技术的研究和工业应用方面也取得较大的发展。国内先后有曹凯[5]利用介电常数法监测发动机机油性能的研究、陈铭[6]关于车用内燃机润滑系统的状态监测技术、张晓飞[7]基于润滑油电学特性测量的油液在线监测技术研究。总体来说，我国的油液检测监测技术还不够成熟，尤其是在线检测方面缺少可靠有效的产品。

为此，本文开发了一套制造成本低、检测效果好的车用在线润滑油液污染度检测系统。同时还引用磁场设计，使得系统可以检测表征汽车磨损程度的金属污染物，从而评估汽车的磨损程度，增强系统的检测功能。

1 系统检测原理

汽车润滑油的光谱特性受污染物的影响，当发射光通过润滑油时，润滑油中污染物会吸收或散射一部分发射光，使原发射光谱发生变化，如图1所示。传统光学测量方法中只采用一种频率光检测，检测效果不够精确[8]。为了提高检测准确度，本文采用多波段的检测方法，对其所有波段进行积分，从而判断其污染程度。

图1 新旧润滑油的光谱变化

由于有色光谱均是由红绿蓝三原色组成，因此所测光谱可以选取最常见的典型波长值λr、λg、λb来等效。通过测量任一频率光的光谱三刺激值，就可以利用光谱方程积分算出其理论光谱能量值[9]。本系统采用白光，波长为380～780nm。代入数据，进行矩阵变换[10]，得到以下矩阵方程，其中R、G、B可通过光电探测器测量得到。

对上述参数进行无量纲化处理，以便简化计算：

无量纲化后可以看出：x+y+z=1。这样可以消除参数z，只需将x，y作为反映润滑油污染度的参数。通过检测系统的磁场作用，润滑油的金属污染度可以通过润滑油整体污染度与非金属污染度的比较关系得到[11]。为了研究设备磨损情况，定义磨损参数W来反映设备的磨损量，其计算公式为

式中：x、y——开启磁场时所测得的光谱参数；

x′、y′——关闭磁场时所测得的光谱参数。

磨损参数W与磁性金属在润滑油中含量和分布状态有关。

2 系统的结构设计

系统采用模块式设计，其中包括光源模块、数据采集模块、电源模块与磁场模块等，其设计框图如图2所示。为了适应汽车行驶中的环境变化，结构设计中应充分考虑系统的可靠性、抗震性与密封性。系统的结构示意图如图3所示，包括封装外壳、油池、传感器探头、LED光源、光电探测器、微型电磁铁和控制电路板。系统封装外壳一端为攻管螺纹，方便安装在需要监测的设备上。

图2 系统设计框架图

图3 系统结构示意图

3 检测系统的电路设计

选用美国Cygnal公司生产的C8051F500型单片机作为数据处理系统的核心。它属于工业级单片机，具有8～12位多通道 ADC、16位可编程定时/计数器阵列 PCA、64K Flash存贮器等丰富的片内资源，并拥有高速的指令处理能力（50MIPS），与标准8051完全兼容。可以确保有效地控制其他模块，并留有足够的资源扩展新的模块。

3.1 光源模块电路设计

检测光源选用GREE公司生产的发光二极管，具有寿命长、稳定性好的特点，其光谱分布如图4所示。电压的不稳定直接影响二极管的发光，从而引起检测误差。因此光源系统选用CAT4201芯片提供稳定的电压，最大限度降低检测系统的测量误差。CAT4201电学性能、光源模块的电路图如图5、图6所示。

图4 CREE LED光谱分布曲线图

图5 CAT4201电学特性

图6 光源模块电路图

图7 光电探测器光谱响应性能图

图8 光电探测器与单片机连接电路图

3.2 数据采集模块电路设计

光电探测器TCS3414用来采集光信号，其光谱响应性能如图7所示，内部集成DAC，可以直接输出数字信号[12]。光电探测器与C8051F500单片机之间利用I2C根总线进行连接：一根是串行数据线SDA，另一根是串行时钟线SCL。连接电路如图8所示。

3.3 电源模块、磁场模块与PC通信模块电路设计

电源模块选用SPX3819作为电压调节芯片，以提供C8051F500单片机与光电探测器正常的工作电压。磁场模块由单片机控制，利用PWM驱动电磁塞，实现对磁场的控制。磁场模块用于分离润滑油中的磁性与非磁性物质。PC通信模块利用RS-232C串口标准实现单片机与PC之间的通信。因为单片机串行口采用标准的TTL电平，与RS-232C标准不同，需要利用MAX232芯片实现电平的转换[13]。

4 检测系统的软件设计

检测系统结合软件设计、系统硬件特点与实现目的，编写了相应的程序。下位机程序包括硬件初始化程序、数据采集程序、数据处理程序以及PC通信程序。上位机根据监控的需求，在VC++软件中编程实现，令PC可以读取单片机上的数据并作进一步分析处理。该系统由单片计算机独立控制，完成油液的实时监测，也可以由PC机作为控制主体，实现自动化控制。图9与图10为系统软件设计的框架图。

5 检测系统的试验研究

5.1 油液污染度监测实验

收集汽车旧润滑油作为试验对象，从而测试系统的检测效果。试样为11种不同颗粒污染度的油样，其颗粒浓度由广州澳凯油品检测技术服务有限公司检测提供。试验环境为常温常压，每级油样检测10次，考察系统的分辨力与稳定性。

图9 下位机程序框图

图10 上位机程序框图

表1 各油样检测数据

表1为实验各级油样的检测数据，其中油样10#和油样11#为污染严重的润滑油。可以看出各级油样检测标准差 σx、σy、σx′、σy′的变化范围较小，基本可认为没有变化，表明该检测系统具有良好的稳定性。

图11 检测数据曲线图

将采样的数据绘制数据图，每个数据点代表每级油样的平均采样数据，如图11所示。曲线1为关闭磁场时采集的数据曲线，代表各级润滑油整体的污染度；曲线2为开启磁场时采集的数据曲线，代表各级润滑油非磁性物质的污染度。通过数据图可知，检测结果有良好的线性关系，检测系统除了低污染度的油样1#与2#外，可以有效地分辨各级油样。

汽车动力设备的磨损阶段可以分为初期磨损阶段、正常磨损阶段以及急剧磨损阶段。图11中两条数据曲线非常接近，各级油样的磨损参数W均小于0.02（见表1）。表明实验的设备处于正常磨损期，产生的金属磨损颗粒少。一般来说，急剧磨损阶段的磨损量大约是正常磨损量的3倍以上。当磨损参数W达到正常磨损时的3倍时，可以考虑汽车处于急剧磨损阶段，需要检测维护。

5.2 光源电压变化影响实验

汽车行驶的环境复杂，电池的供电电压常常会发生波动，使得LED光照强度产生变化，影响测量准确度。为此对光源电压变化与系统输出特性进行试验研究。实验对7#油样进行测试，相应的电源电压为 4，5，6，7，8，9，10V。实验数据见表 2。

表2 光源电压变化实验数据

可以看出：当电压大于6V时，系统输出的x、y值基本没有变化，测量误差低于0.2%，可以正常监测。当电压小于6V，x、y值迅速衰减，监测结果出现异常。这与LED稳压芯片CAT4201的电学特性相关，如图5所示，当电压低于6V时，CAT4201的输出电流迅速减少，使得LED不能正常工作。汽车的供电电压一般为12V或24V，足以为光源模块提供高于6V的电压，使得LED稳定地工作。

6 结束语

通过现场试验结果可以看出：基于光谱特性的检测系统能够实时有效地检测润滑油污染程度以及评估设备的磨损情况，且检测系统具有良好的测量稳定性，能够满足汽车在复杂环境工作的需求。由于光谱检测方法具有非接触性，因而检测系统的损耗基本可以忽略，这样可以提高传感器的可靠性与寿命。检测系统成本低廉，结构简单，具有广阔的市场前景。

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