油液污染度檢測(cè)儀的研制

1―計(jì)算機(jī)；2―電路板；3―編碼器組件；4―活塞缸；
5―壓力腔；6―方向控制閥；7―調(diào)壓閥；8―過(guò)濾器；9―壓力源
檢測(cè)時(shí)，先取所需檢測(cè)的油液，放入的取樣試瓶；將取樣試瓶裝入壓力腔5，壓力腔通過(guò)取樣接頭、測(cè)試探頭與活塞缸4連接；壓力源通過(guò)壓力回路對(duì)壓力腔5施加壓力，測(cè)試探頭與壓力腔對(duì)接，檢測(cè)油液在一定壓力的作用下，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)濾膜進(jìn)入缸推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞帶動(dòng)編碼器組件3中的旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器將活塞的位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電路板2中的信號(hào)處理電路將處理過(guò)的信號(hào)送入單片機(jī)，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片將信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)1能接受的信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過(guò)編制的軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，zui后顯示出對(duì)檢測(cè)油液的測(cè)試結(jié)果。
2 主要組成：
由工作原理可看出本檢測(cè)儀的主要結(jié)構(gòu)，它的整體結(jié)構(gòu)外觀如圖2所示。

1―外框架；2―控制閥；3―編碼器組件；
4―反推框架；5―調(diào)壓閥；6―壓力表；7―壓力腔
圖中有兩個(gè)編碼器組件3，雙點(diǎn)劃線表示的編碼器組件是在檢測(cè)油液時(shí)的位置，編碼器的輸出線與外框架1的一接口連接，實(shí)線表示的編碼器組件是在另一種狀態(tài)――反沖時(shí)的位置，反沖的作用有兩個(gè)：一方面是使檢測(cè)后的油液經(jīng)過(guò)油液回路到達(dá)廢油池，另一方面可對(duì)放置在編碼器組件中的標(biāo)準(zhǔn)率膜起到清潔的作用。
從整體上可將此油液污染檢測(cè)儀的組成分為檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集、檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸和檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析三個(gè)部分。
（1）數(shù)據(jù)采集部分
數(shù)據(jù)采集部分是解決怎樣將放置在壓力腔中的檢測(cè)油液送入編碼器組件3的油缸，使油缸中活塞組件的位移量由旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)來(lái)反映，既怎樣才能使得油液的污染度、活塞的位移、與旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)—脈沖之間建立起相應(yīng)的。濾膜堵塞法是將油液的污染度與活塞的位移建立起。具體來(lái)說(shuō)就是：不同污染程度的油液經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)濾膜進(jìn)入編碼器組件的活塞缸油液的體積不一樣，污染程度輕的油液進(jìn)入活塞缸的油液多，推動(dòng)活塞桿的移動(dòng)量大；污染程度重是油液進(jìn)入活塞缸的油液少，推動(dòng)活塞的移動(dòng)量?。划?dāng)污染的油液將標(biāo)準(zhǔn)濾膜*堵塞后，活塞的位移也就隨之停止；這樣一定污染程度的油液就對(duì)應(yīng)一定的活塞位移量。利用旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理，將活塞缸的位移通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。編碼器經(jīng)過(guò)一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)與活塞缸連接，使得活塞桿的位移可由旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)—脈沖量顯示出，從而建立起位移與脈沖信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
這一部分主要是由提供整個(gè)系統(tǒng)工作壓力的氣液回路、壓力腔、編碼器組件的構(gòu)成。
氣液系統(tǒng)一方面是為整個(gè)系統(tǒng)提供一定的壓力，從而使檢測(cè)油液能夠穩(wěn)定的到達(dá)編碼器器組件；另一方面是起到對(duì)編碼器組件中活塞缸的反沖作用，使油液從整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中流出?？偟膩?lái)講就是起到提供檢測(cè)油液污染度時(shí)所需的進(jìn)油壓力、反沖作用時(shí)所需的壓力以及回油管路。
根據(jù)所起作用的不同，可將氣液系分為兩部分既進(jìn)氣系統(tǒng)和回油系統(tǒng),如圖3和4所示。
帶有壓力的氣體經(jīng)過(guò)分水濾氣器的清潔、干燥作用形成兩條支路進(jìn)入系統(tǒng)：一條支路是通過(guò)壓力控制閥的調(diào)壓作用到達(dá)控制閥和壓力表，壓力表顯示值符合系統(tǒng)的工作壓力時(shí)通過(guò)控制閥的方向控制作用使氣流進(jìn)入到壓力腔中進(jìn)行工作，排氣時(shí)通過(guò)控制閥的控制作用使油液從消音器（減少排氣時(shí)的噪聲）排除；另一條支路是通過(guò)速度控制閥（又叫做節(jié)流閥，控制反沖裝置的速度）、方向控制閥進(jìn)入反沖氣缸和消音器。
回油系統(tǒng)的作用是在檢測(cè)后使壓力腔和編碼器組件中油液經(jīng)過(guò)方向控制閥（控制油液的流向）流入廢油池。
壓力腔一方面使所取到的檢測(cè)油樣不會(huì)出現(xiàn)二次污染，另一方面是引入氣壓使檢測(cè)油液從壓力腔進(jìn)入編碼器組件，其主要由取樣液的密封裝置、測(cè)試接頭、壓力腔組成。檢測(cè)時(shí)通過(guò)方向控制閥和接頭使氣壓進(jìn)入壓力腔組件，在氣壓的作用下使取樣瓶中的樣液通過(guò)壓力腔組件上面的測(cè)試接頭進(jìn)入到傳感器（編碼器）組件。
編碼器組件的外觀結(jié)構(gòu)如圖5所示：
編碼器組件是信號(hào)輸入通到的*道環(huán)節(jié)也是決定整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，主要解決怎樣將油液的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。本系統(tǒng)編碼器組件一方面通過(guò)包含標(biāo)準(zhǔn)濾膜的探測(cè)頭組件1與壓力腔上面的測(cè)試接頭相連接，使油液經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)濾膜的過(guò)濾作用進(jìn)入編碼器組件下面的活塞缸2推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞桿通過(guò)一定的機(jī)械連接將位移信號(hào)送入到旋轉(zhuǎn)編碼器4中，旋轉(zhuǎn)編碼器將輸入的位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)輸入檢測(cè)系統(tǒng)的后面環(huán)節(jié)；另一方面在反沖過(guò)程中，通過(guò)反沖缸的作用使編碼器組件中的活塞桿回位，并清洗濾膜。
（2）數(shù)據(jù)傳輸部分
數(shù)據(jù)傳輸部分解決怎樣將傳感器輸出的脈沖信號(hào)送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析。這一部分主要是對(duì)有關(guān)電路的設(shè)計(jì)、單片機(jī)的確定、電平轉(zhuǎn)換芯片的選擇，此檢測(cè)儀是將其設(shè)計(jì)為一整體電路板封裝在框架中，留出三個(gè)接口，一個(gè)是用來(lái)為整個(gè)電路板提供電源電壓，一個(gè)是整個(gè)電路板與旋轉(zhuǎn)編碼器相連的接口，另一個(gè)就是將數(shù)據(jù)送入后面進(jìn)行分析的與計(jì)算機(jī)相連的接口。
   在本檢測(cè)儀的電路中主要用到的電器元件有變壓器、穩(wěn)壓器、施密特觸發(fā)器、開(kāi)關(guān)和繼電器。
   變壓器和穩(wěn)壓器構(gòu)成直流電路，它的作用是解決怎樣將頻率為50Hz、有效值為220V的交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定、符合單片機(jī)、通信芯片等要求的直流電壓，一般是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。變壓器是將220V電壓變?yōu)橄到y(tǒng)所需要的電壓幅值；整流電路將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，即將正弦波電壓變?yōu)閱我环较虻拿}動(dòng)電壓；濾波電路是為了減少電壓的脈動(dòng)，使輸出電壓平滑；穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。本檢測(cè)儀選擇的集成芯片7805集成了整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路，它的輸出電壓5V可滿足檢測(cè)儀系統(tǒng)的要求。
   施密特觸發(fā)器是信號(hào)處理電路的一部分。在檢測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)處理電路是對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，常用的電路有：放大電路、濾波電路、信號(hào)變換電路、整形電路等。結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)和單片機(jī)的輸入信號(hào)，在此系統(tǒng)中選擇施密特整形器來(lái)滿足系統(tǒng)的要求。利用施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)，來(lái)保證送入單片機(jī)中的脈沖信號(hào)是為理想的矩形波，抵抗整個(gè)傳輸系統(tǒng)中對(duì)矩形波形的影響。
開(kāi)關(guān)和繼電器結(jié)合完成對(duì)單片機(jī)中計(jì)數(shù)器的清零功能。單片機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，脈沖數(shù)與相應(yīng)的位移、油液污染度等級(jí)對(duì)應(yīng)，所以在每次檢測(cè)前要對(duì)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零。開(kāi)關(guān)和繼電器組成的輸出信號(hào)線與單片機(jī)的RESET引腳連接，通過(guò)單片機(jī)中的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)記數(shù)器的清零。
 單片機(jī)在此檢測(cè)儀系統(tǒng)的作用是對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的、經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理的脈沖信號(hào)通過(guò)后面的信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片送入計(jì)算機(jī)。單片機(jī)在檢測(cè)儀系統(tǒng)中的作用有接收旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號(hào)、對(duì)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)功能、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、與后面信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)傳輸、為通信產(chǎn)生波特濾以及通信協(xié)議。根據(jù)所起作用可選擇單片機(jī)芯片、確定其中的程序以及在整個(gè)系統(tǒng)中的連接。選擇AT89C52芯片，其中程序的流程圖如圖6所示。
常用的通信方式有兩種既并行通信和串行通信。并行通信是指數(shù)據(jù)的各位同時(shí)進(jìn)行傳送（發(fā)送或接收）的通信方式，其優(yōu)點(diǎn)是傳送速度快，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)有多少位就需要多少根傳送線；串行通信指數(shù)據(jù)是一位一位按順序傳送的通信方式，它的突出優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì)傳輸線，這樣大大降低了傳送成本。根據(jù)系統(tǒng)工作方式，結(jié)合兩種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)確定此系統(tǒng)具體的通信方式為串行通信。
利用單片機(jī)的全雙工串行口和計(jì)算機(jī)上面的標(biāo)準(zhǔn)串行口COM1或COM2，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)的傳送，但由于單片機(jī)輸出信號(hào)電平（TTL電平）與RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的邏輯電平不一致，需要在單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間增加電平轉(zhuǎn)換芯片。
選MAX232作為電平轉(zhuǎn)換芯片,其內(nèi)部有一個(gè)電源電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5V電壓變換為RS-232輸出電平所需要的電壓。MAX2332是特別為滿足EIA的標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的，它在EIA標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口中日益得到廣泛的應(yīng)用，它具有功耗低、工作電源為單電源，可與單片機(jī)一起使用前面提到的7805提供的+5V。MAX232實(shí)現(xiàn)將單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
（3）數(shù)據(jù)分析
數(shù)據(jù)分析部分是在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，通過(guò)編制的軟件分析得出zui終的檢測(cè)結(jié)果―油液的污染等級(jí)。
本檢測(cè)儀的軟件部分采用VB進(jìn)行編制。軟件要實(shí)現(xiàn)的功能：數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)與油液污染度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)；數(shù)據(jù)報(bào)告顯示、打印符合實(shí)際需要的數(shù)據(jù)報(bào)告；檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢使對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果有存儲(chǔ)查看的功能。根據(jù)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)進(jìn)行編程，編程中涉及到數(shù)據(jù)通信的編程、許多數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、與EXCEL的連接等等。進(jìn)行檢測(cè)的主程序的流程圖如圖7。
此系統(tǒng)主要用于在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)油液的污染度等級(jí)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的改制可做成便攜式的，用于現(xiàn)場(chǎng)的油液污染的檢測(cè)，也可用于故障檢測(cè)，不用知道油液的具體污染等級(jí)，只要顯示出油液是否能夠繼續(xù)使用即可?？偟恼f(shuō)來(lái)此型油液污染度檢測(cè)儀的應(yīng)用范圍比較廣泛。
參考文獻(xiàn)
[1] 賈瑞清. 液壓過(guò)濾技術(shù)及抗磨設(shè)計(jì)理論. 北京: 礦業(yè)大學(xué)出版社, 2000
[2] 孫傳友,孫曉斌,李勝玉,張 一.  測(cè)控電路及裝置. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002
[3] 孫傳友,孫曉斌,漢澤西,張 欣. 測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì). 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002
[4] 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用與設(shè)計(jì).  北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2000