基于VC++的油液磨粒超声在线监测系统的设计与实现

李一宁，张培林，徐超，张云强，孙玉振

(军械工程学院七系，河北石家庄 050003)

装备润滑油中磨粒的信息，对于掌握装备的磨损情况十分重要。传统的油液分析技术主要是对油液进行离线分析［1］，但存在许多不足，需要先进行油液采样，然后再对油液进行分析，这种方法费时费力，而且分析之后得到的数据不具有实时性，因此，装备油液在线监测是该领域研究的主要方向［2］。

油液在线监测的优点主要有:(1)监测过程的连续性;(2)监测结果的实时性;(3)监测结果与被监测对象运行状态的同步性［3］。

目前，在线监测技术主要有以下几种:光学测量技术、电磁测量技术、电化学测量技术和超声波测量技术［4］。

采用超声波测量技术对油液中的磨粒进行在线分析，需要对磨粒超声散射信号进行实时采集和分析处理，识别出信号所对应磨粒的大小等信息，最后将监测结果动态实时显示。VC++是系统开发软件之一，可以开发各种层次的软件系统，且开发出的系统具有执行速度快、容易维护、界面友好等优点［5］。因此，文中采用基于VC++的技术设计了一套超声磨粒在线监测 (UOWDM)系统，该系统通过对超声回波信号进行在线实时采集与数据处理，并进行结果显示，实现对装备运行状态的在线监测。

1UOWDM硬件系统

UOWDM系统主要由硬件系统和软件系统两部分构成。软件系统在硬件系统的支持下运行，实现实时采集、处理信号和结果显示等功能，两者相互作用、相互影响，实现对油液中磨粒的测量与设备运行状态的在线监测。

UOWDM系统的硬件系统组成结构图如图1所示，主要由聚焦式超声波传感器、超声波检测卡、计算机、屏蔽信号线等部分组成。

图1 硬件系统组成结构图

该系统利用检测卡激发传感器发射高能脉冲超声波，声波在润滑油中传播，遇到磨粒时超声波发生散射［6］;传感器接收背向散射波，转换为电信号，通过数据线传给采集卡并进行放大与A/D转换;由计算机对采集的信号进行处理，识别出信号所对应磨粒的大小、数量等信息;最后通过磨粒信息对装备磨损状态进行评价并将监测结果动态实时显示。

2UOWDM软件系统

UOWDM系统的软件系统主要由信号采集模块、数据处理模块和结果显示模块三部分组成，软件系统完成的主要功能如图2所示。通过VC++软件平台进行编程，将3个模块有机结合起来，构成一个整体。

图2 软件系统功能结构图

点击开关启动UOWDM系统，VC++程序控制信号采集模块开始采集磨粒的散射回波信号，并通过函数调用数据信号处理模块，对采集信号进行处理分析，最后通过函数调用结果显示模块，将结果在线地显示在显示界面上，以达到对装备磨损状态实时在线监测的目的。

(1)信号采集模块

信号采集模块在装备不停机的情况下，实时对油液中的磨粒散射回波信号进行采集，能够在线反映油液中的磨粒信息［7］。

超声波在润滑油中传播，遇到磨粒时会发生散射，背向散射波到达传感器表面时会激发传感器产生电信号，VC++程序调用函数驱使采集卡采集电信号，然后调用信号放大与A/D转换函数，使散射回波信号变成离散数据，VC++程序调用存储函数把离散数据储存在数据缓存区，信号采集模块同时进行实时采集和实时存储离散数据。磨粒的散射信号就存储在数据缓存区，以便数据处理模块进行调用和处理分析。

(2)数据处理模块

数据处理模块为3个模块中的核心部分，由于采集到的原始数据不能直接表达出装备的运行状态，只有对采集到的原始数据进行处理分析，得到装备润滑油中磨粒的特征参数，才能得到设备运行状态的有效信息，从而实现对装备运行状态的在线监测［8］。

超声回波离散数据以二进制数的形式储存在数据缓存区，VC++程序调用数据读取函数读取数据缓存区的数据，进行数据处理。

由于油液介质和散射的影响，超声散射回波有很大的衰减，信号很微弱，混合在随机噪声中［9］，对判断回波信号、特征提取与识别造成很大影响。因此，VC++首先调用信号降噪函数，滤除信号中包含的噪声，把超声原始信号还原出来，为下一步提取磨粒特征参数做准备。然后，VC++程序调用特征参数提取函数，把降噪后的超声回波信号包含的磨粒特征参数有效地提取出来，进行识别。最后，VC++程序调用磨粒识别函数，针对提取出来的磨粒特征参数对磨粒进行识别。

数据处理模块循环提取数据缓存区的数据进行处理分析，并把处理结果传递给结果显示模块，确保结果显示界面能够实时连续地表征润滑油的信息，从而在线反映装备的运行状态。

(3)结果显示模块

结果显示模块把数据处理模块分析得到的结果通过图形显示在界面上，如图3所示，并具有故障报警功能:当装备磨损状态正常时，绿灯闪亮;当油液中的磨粒超标时，红灯闪亮，进行报警，提醒操作人员进行检查。这样操作人员能够实时掌握装备的工作状态，及时对装备进行维护。

图3 结果显示界面

完成硬件平台搭建与软件系统开发之后，用实验平台对系统的功能进行了验证，证明该系统能够实时在线反映装备润滑油中磨粒的大小和数量，达到对润滑油在线监测的目的。

3 结论

设计了一套以聚焦式超声波传感器、超声波检测卡、计算机等部件为硬件平台，VC++为开发环境的UOWDM系统。通过搭建实验平台，进行了在线磨粒监测实验。实验结果表明:UOWDM系统能够在线测量油液中磨粒的尺寸和数量，实现对装备磨损状态的在线监测。该系统运行稳定可靠，具有较高的实用价值。

［1］姚智刚，王伟钢，武通海，等.油液综合监测数据管理及分析系统［J］.润滑与密封，2009，34(7):97-101.

［2］杨其明，严新平，贺石中.油液监测分析现场实用技术［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［3］刘兵，樊建春，张来斌，等.在线磨损监测技术应用及发展［J］.润滑与密封，2005(7):187-190.

［4］冯伟，陈闽杰，贺石中.油液在线监测传感器技术［J］.润滑与密封，2012，37(1):99-104.

［5］蔡莎莎，付胜.基于VC++与MATLAB混编的故障信号分析系统设计［J］.微计算机信息，2011，27(11):68-70.

［6］NEMARICH Christopher P，WHITESEL Henry K，SARKADY Antal.On-line Wear Particle Monitoring Based on Ultrasonic Detection and Discrimination［R］.David Taylor Research Center，1989:1-10.

［7］明廷锋，朴甲哲，张永祥，等.超声波磨粒监测方法的研究［J］.内燃机学报，2004，44(4):357-362.

［8］贺石中.全新的润滑理念及油液监测技术［J］.润滑油，2006，21(3):1-6.

［9］杨顺民.超声在线检测信号处理方法研究及其通用软件平台的研制［D］.太原:中北大学，2005.