油液多参数便携式检测仪设计与测试

郭建伟 ，魏 冀 ，刘亚龙 ，赵志龙 ，侯铁城

（1.中国平煤神马集团炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南平顶山467099；2.中国平煤神马集团能源化工研究院，河南平顶山467099；3.陕西东辉控制工程有限公司，陕西西安710082；4.西北工业大学机电学院，陕西西安710072；5.西北工业集团公司设计二所，陕西西安710043）

液压油等油液扮演着煤矿机械设备“血液”的重要角色，油液的品质特性变化，如磨损颗粒、酸值、水分等变化会直接反映在油液理化参数的变化上，其中油液中磨损颗粒量可以直观反映出机械部件零件表面的磨损程度和疲劳状态[1]。因此，及时、准确地掌握和了解润滑油的理化参数，进而对油液的油质、使用寿命以及设备的磨损状况进行判断，已经成为保障煤矿机械设备安全运行的重要手段。

传统的油液检测方法检测精度高，但成本高，测量参数单一，并对测量人员有一定的要求。该文以MES精良电子公司的FPS2800B12C4流体特性传感器为基础，结合传感器特性和内部结构特点，利用HMIEditor软件在Linux系统环境下编写油液测试系统软件，完成一种油液多参数便携式检测仪的软硬件设计，并通过液压油的检测验证了其测试功能。

1 总体方案设计

油液检测仪主要由传感器模块、电源模块、CAN总线接口电路模块组成，此外还有USB接口电路、电池充电模块电路、硬件电路外接CAN总线液晶触摸屏和一个微型打印机。由于传感器属于CAN总线协议，需要外接一个CAN总线接口电路进行数据采集。CAN总线接口电路采用CAN总线控制器SJA1000和CAN驱动器82C251组成。油液检测仪方案设计如图1所示。

图1 油液检测仪方案设计

将FPS2800B12C4流体特性传感器浸入油液，油液采用电磁搅拌方式，FPS2800B12C4流体特性传感器可以同时测量油液的温度、粘度、密度和介电常数，它将采集的数据通过CAN总线接口电路输出到各个终端。便携式油液检测仪设置了触摸显示屏，其可以控制便携式油液检测仪的运转状态和实时显示检测的油液参数，如图2。软件的具体功能部分如图3，包括油液4个参数检测、油液的粘温特性曲线、含水率、酸值、金属杂质、数据打印、历史数据查询。

图2 油液检测仪

2 FPS2800B12C4流体特性传感器

2.1 传感器介绍

图3 软件检测功能

FPS2800B12C4流体特性传感器是由美国精量电子基于石英音叉技术的液体模块传感器，属于高度整合的单体模块，包括传感器和电子处理模块部分，如图4所示。

图4 FPS2800B12C4流体特性传感器

该传感器采用NIST（美国国家标准研究所）标定流体进行标定，按照J1939、CAN2.0B标准或者CAN2.0A的数字输出，具有高分辨度的参数读取功能，可以同时和重复测量温度、粘度、密度和介电常数，内部结构如图5所示。

图5 传感器内部结构

通过专利的音叉技术，传感器可以检测到诸如发动机润滑油、燃油、传动油、刹车液、液压油和齿轮油等流体的多个物理属性间的直接和间接的关系。传感器具有高强度的结构，可在高压高流速的环境中工作。在传感器探头部分涂有特殊的抗腐蚀与抗污染涂层，使其可以在恶劣环境下保持良好的工作状态。传感器内置微处理器可以进行数据采集，工作电压可以是12 V或者24 V电源电压，具有非常好的稳定性和可靠性。

2.2 传感器测试原理

FPS2800B12C4流体特性传感器是一种基于石英音叉技术的液体模块传感器，其工作原理可以概括为：油液中温度、粘度、密度、介电常数等理化参数的变化会引起石英音叉谐振频率的变化，将石英音叉谐振器作为敏感器件接入振荡器的反馈回路，其谐振特性决定了振荡器的频率，利用振荡电路检测谐振频率的变化，从而反映出油液理化参数的变化。石英晶体的等效电路如图6所示。

图6 石英晶体等效电路

C1为电路动态电容，C2为静电电容，相当于平板电容，R表示的是等效电阻，是由于石英晶体在液体中振动受到摩擦力的损耗。

根据实验研究，传感器的输出数据对应的物理量转换关系：

1）动力粘度：V=DATA×0.015 625，单位为cP;

2）介电常数：ε=DATA×0.000 122 07；

3）温度：(DATA×0.031 25)-273，单位为℃；

4）密度：ρ=DATA×0.000 305 2，单位为g/mL。

3 电路设计

3.1 电源模块电路

由于便携式检测仪设计可以和市电相连，所以开关电源选用24VDDC开关电源供电，电源电路部分采用线性电源转换芯片LM1085-5与LM1085-3.3，以实现24 V到5 V与3.3 V的电源电压转换。电源模块设计如图7所示。

3.2 CAN总线接口电路

CAN总线接口模块部分由CAN控制器芯片SJA1000与CAN驱动器80C251构成，具体电路如图8所示。SJA1000在电路中是一个总线接口芯片，通过它实现软件测试系统与微处理器之间的数据通信。其作用是接受来自CPU的指示，并命令CAN寄存器作出相应的动作，并为CPU反馈中断命令信息。微处理器和位流处理器之间需要连接一个SJA1000的发送缓冲器，它能够保存通过CAN网络的的报文信息。接收过滤器和微处理器之间需要连接接收缓冲器，用来保存CAN网络上的命令信息。位流处理器通过控制数据信息，并进行CAN网络上的错误自检、识别、补充和纠错。82C251芯片具有较高的击穿电压，能够在24 V电源电压下正常驱动总线工作，而且在隐性状态下的下拉电流更小，在掉电情况下总线的输出特性得到一定的保障。

图7 电源模块电路

图8 CAN总线接口电路

4 实验研究

为了检验检测仪的性能，采用昆仑46#抗磨液压油进行了检测试验，在30～40℃的情况下，测得不同含水率油液的介电常数变化规律如图9所示。

图9 不同含水率油液在不同温度下介电常数变化规律

由图9所示，在含水率为0.1%以下时，液压油的介电常数随着温度的增加而变小，当含水率为0.1%时，油液的介电常数随着温度的增加而变大，与之前的变化趋势相反。这主要是因为液压油属于绝缘油，在含水量很小时，油液的介电常数起主导作用，所以随着温度的升高，混合油样的介电常数减小，当油液含水量超过0.1%时，混合油样的介电常数[17]受水的影响变大，随着温度的升高而增大。这也证明了液压油含水率换油指标不超过0.1%的科学性。

5 结论

本文设计的便携式多参数油液检测仪操作简便，成本低，利用FPS2800B12C4流体特性传感器的特点可以同时检测油液的温度、密度、粘度、介电常数，可以实现对油液的在线监测，不仅提高了对煤矿机械设备的安全保障，而且克服了煤矿上传统油液检测方法周期长、成本高等缺点，给煤矿上油液检测带来了极大便利。

[1]傅舰艇.油路磨粒检测方法与电路研究[D].成都：电子科技大学，2012.

[2]黄仙锦.石英音叉油质传感器设计[D].南京：南京理工大学，2014.

[3]李春秀.合成润滑油的红外光谱分析[J].合成润滑材料，2015，42（4）：36-40.

[4]冯耀国，刘德峰，张梅菊，等.基于LED技术的油液污染度颗粒检测计数器[J].测控技术，2014，33（5）：14-16，20.

[5]Van Rensselar，Jeanna.Leveraging the power of oil analysis [J].Tribology&Lubrication Technology，2014，70（1）：36-39，42，44-46.

[6]DU L，ZHU X.High throughput wear debris detection in lubricants using a resonance frequency division multiplexed sensor[J].Tribology Letters，2013，51（3）：453-460.

[7]胡慧敏，高倩，张平川.基于ARM的高精度动力油品含水率检测系统[J].仪表技术与传感器，2015（4）：58-60.

[8]张勇，黄健鹏，张威.车载润滑油污染度实时检测系统设计[J].中国测试，2016，42（4）：65-69.

[9]聂鹏，韩娇，徐涛，等.滑油金属屑在线电磁检测传感器的仿真研究[J].仪表技术与传感器，2016（3）：4-6，13.

[10]吕纯，张培林，吴定海，等.基于超声传感器的油液磨粒在线监测系统的研究[J].机床与液压，2016，44（7）：73-75.

[11]郝延龙，何红坤，常青，等.基于显微图像识别的在线润滑油中磨粒分析方法[J].润滑与密封，2016，41（5）：61-64.

[12]李秋秋，冯伟，赵畅畅，等.油液分析在螺杆式空压机润滑故障诊断中的应用[J].润滑与密封，2016，41（4）：138-140.

[13]靳晨聪.油液中磨粒在线监测系统的设计和研究[D].河北：燕山大学，2015.

[14]杨琨，孙鑫未，宋平，等.一种汽轮机油在线监测系统[J].润滑与密封，2017，42（1）：117-119，101.

[15]李一宁，张培林，杨玉栋，等.在线油液磨粒检测聚焦超声换能器声场特性分析[J].机械科学与技术，2016，35（6）：854-857.

[16]漆志婉.谐振式油品检测系统设计[D].南京：南京理工大学，2016.

[17]郑帼，陈美玉，郭玉海，等.膜裂法PTFE短纤抗静电性研究[J].纺织高校基础科学学报，2017（1）：107-111.