基于QCM传感器的液压油品质在线监测系统的开发

    摘要：提出了一种利用QCM传感器对液压油品质进行在线监测的新方法，给出了系统软、硬件的设计方案，并且设计了适用于油液中的QCM振荡电路。

    关键词：石英晶体微天平 单片机

1 应用背景

在大型施工设备中，液压系统是主要传动方式之一。液压油既是传递功率的介质，又对液压元件起着润滑、密封和冷却作用，因此，液压油的状况对于液压系统的工作状况和工作性能十分重要。目前更换液压油常用定期换油的方法，即根据液压系统的结构特性、运行条件和油品质量，按确定的周期换油。但是这种方法容易出现该换油时没有换、不必换油时却进行了油液的维护的形象，造成人力物力的浪费和设备运转寿命缩短。一般的大型施工设备（如塔带机）的液压系统都是很庞大的，系统中液压油的油容量少则几个立方，多则数十个立方，一次换油费用很高。据统计，三峡大坝施工中使用的塔带机每年采用定期换油的方式，换油费用几十万美元。因此采用视情维护方式的不定期换油显得更加重要，它有助于减少不必要的零部件更换，并能及时采取维修行动，以降低液压设备进一步损伤，减少停机时间。这必然给液压油的品质分析提出了较高的要求。

本文着重研究液压油的品质监测。塔带机工作环境恶劣，为能够做到现场检测其品质，根据课题要求，我们研制了在线式液压油品质监测系统。这套系统主要是监测油品的粘度和温度的变化，通过这两个参数反映油的综合性能，对油品进行实时的监测，利用单片机AT89C52进行现场分析、显示和报警，大大增强了传感器的功能。

2 测量原理

石英晶体微天平（QCM）早在1964年就被用于气相环境下的微质量监测，但是将石英晶体运用于液体环境中是近十年来才发展起来的。QCM是在石英晶体白片的两面镀上一层金属作为两极，由外部的一个电子振荡器来驱动，当在两极加上一定频率的电场时，QCM会以一定的频率振荡，这个频率是由电极上的质量及液体的粘度和密度决定的。利用QCM进行油品品质监测的机理是基于石英晶体的剪切波与液压油中的减幅剪切波耦合所建立的一种简单的物理模型[1]，其推导结果是：

ΔF=-F(-3/2)(ρ1η1)1/2(πUqρq)1/2     (1)

其中，ΔF是QCM浸入液体后频率的变化值，F是QCM的固有频率，Uq和ρq为石英晶体的弹性模量和密度，ρ1、η1为液体的密度和粘度。（1）式可简化为（2）式，K是一个常数，即ΔF与(ρ1η1)1/2成正比关系。

ΔF=-K(ρ1η1)1/2    （2）

在现场使用时，只要把QCM传感器探头接入液压系统监测点（油液管道或油箱里），就可以在线监测油品的精度以及温度的变化情况。在关键的大型液压设备中可以根据需要在多个监测点安装多个传感器探头，以全面了解整个系统的油品变质状况。

3 系统硬件总体设计

液压油品质在线监测系统大体由以下几部分组成：单睡机系统；石英晶体（QC）传感器及其振荡电路；温度测量模块；人机接口模块（包括键盘输入模块、显示模块及报警电路）；通讯模块。总体结构如图1所示，它充分利用了集成电路最新成果和低功耗设计思想，使电路板体积小且功耗低。

3.1 单片机系统

单片机采用自带8K字节电可擦除式存储器的AT89C52控制器，性能价格比高。为了保证长期稳定可靠地工作，本系统采用了性能优异的μP监控芯片X25045，它集复位控制器、看门狗定时器和4K串行E2PROM于一身，增强了系统的集成度和可靠性。

3.2 温度测量模块

系统采用DS1820温度传感器作为温度传感器件，它是一种1线式数字传感器，直接输出数据信号，省云了电路中的A/D转换器，连线简单，提高了系统的可靠性。具体电路可参考文献[2]。

3.3 QCM传感器及其振荡电路

具有AT切型的石英晶体振荡片具有低的零温度系数，因此我们选用了5MHz的AT切型石英晶体振荡片来制作传感器的探头。为了防止电极在油中氧化，采用了镀金电极，晶片直径14mm，电极半径7mm，采用双面与油接触。

为了保证QCM在油液中振荡起来，必须采用一套适用于油品环境的振荡器电路。自激振荡器通常是由基本放大电路、正反馈网络和选频网络三部分组成的[3]，在实现电路中正反馈网络和选频网络往往用同一网络，它的方框图如图2所示。

在这里，K（S）、F（S）是基本放大电路和正反馈网络的传递函数，当满足K（S）×F(S)=1时，振荡才能发生。在石英晶体振荡电路中，石英晶体作为正反馈网络的主要组成部分，也是一种选频网络，只有在石英晶体振荡器的固有谐振频率下才能满足这一条件。根据这一原理，我们采用以AMXIM913芯片为核心的振荡器，它的输出是TTL电平，便于单片机的采集。采用这种电路，解决了以往振荡电路[2]驱动能力差的缺点，使QCM在液体中能够稳定地起振，具体电路如图3所示。

石英晶体及其振荡电路在使用过程中都有温漂、时漂的现象。在使用一段时间后， 由于传感器及电路自身引起的测量值发生变化，造成测量系统中不可忽视的误差，我们采用了参比石英振荡片的方法来消除此误差，确保数据的准确和可靠。从测量用QCM振荡电路和参考用QCM振荡电路输出的两路方波信号分别进入差频器74LS74的D端和CLK端，得到的差频信号进入单片机的T0口进行计数。

3.4 显示及报警电路

该系统选用了集成度很高的PS7219显示器驱动模块，它是一种新型的、多位LED显示驱动模块，具有采用简单的三线SPI接口、内部自带时钟电路、无需任何外围元件、显示功能多样化等特点。与以往的显示驱动电路相比较，简化了硬件结构，节省了单片机系统的资源，功能也得到了提高。报警电路主要由蜂鸣器及发光二极管组成，用于系统参数越界报警。

3.5 通讯模块

为了将所测到的液压油的温度、粘度的变化值存入上位机数据库中作趋势分析，本系统采用AMX232实现AT89C52单片机系统与工控机之间的通讯。

4 系统软件设计

软件设计采用模块化设计思想，系统主要由以下模块组成：主程序模块、显示子程序模块、温度测量子程序模块、滤波子程序模块、QCM频率测量模块、标定子程序模块、X25045的串行E2PROM读写模块、通讯子程序模块等。图4是主程序流程图。

该监测系统可实时地监测现场液压油品的粘度和温度的变化。根据现场可实验可得出以下结论：利用MAX913为核心的振荡电路使QCM能在液压油中很好地起振，稳定性好；利用QCM传感器对液压油品质进行在线监测，保证了液压系统的可靠性，并且能大幅降低维护费用，对今后液压系统油液质量分析进一步实现自动化有着重要的意义。