摘 要： 提出了一種利用QCM傳感器對液壓油品質進行在線監測的新方法，給出了系統軟、硬件的設計方案，并且設計了適用于油液中的QCM振蕩電路。
關鍵詞： 石英晶體微天平 單片機
1 應用背景
在大型施工設備中，液壓系統是主要傳動方式之一。液壓油既是傳遞功率的介質，又對液壓元件起著潤滑、密封和冷卻作用，因此，液壓油的狀況對于液壓系統的工作狀況和工作性能十分重要。目前更換液壓油常用定期換油的方法，即根據液壓系統的結構特性、運行條件和油品質量，按確定的周期換油。但是這種方法容易出現該換油時沒有換、不必換油時卻進行了油液的維護的現象，造成人力物力的浪費和設備運轉壽命縮短。一般的大型施工設備(如塔帶機)的液壓系統都是很龐大的，系統中液壓油的油容量少則幾個立方，多則數十個立方，一次換油費用很高。據統計，三峽大壩施工中使用的塔帶機每年采用定期換油的方式，換油費用幾十萬美元。因此采用視情維護方式的不定期換油顯得更加重要，它有助于減少不必要的零部件更換，并能及時采取維修行動，以降低液壓設備進一步損傷，減少停機時間。這必然給液壓油的品質分析提出了較高的要求。
本文著重研究液壓油的品質監測。塔帶機工作環境惡劣，為能夠做到現場檢測其品質，根據課題要求，我們研制了在線式液壓油品質監測系統。這套系統主要是監測油品的粘度和溫度的變化，通過這兩個參數反映油的綜合性能，對油品進行實時的監測，利用單片機AT89C52進行現場分析、顯示和報警，大大增強了傳感器的功能。
2 測量原理
石英晶體微天平(QCM)早在1964年就被用于氣相環境下的微質量監測，但是將石英晶體運用于液體環境中是近十年來才發展起來的。QCM是在石英晶體白片的兩面鍍上一層金屬作為兩極，由外部的一個電子振蕩器來驅動，當在兩極加上一定頻率的電場時，QCM會以一定的頻率振蕩，這個頻率是由電極上的質量及液體的粘度和密度決定的。利用QCM進行油品品質監測的機理是基于石英晶體的剪切波與液壓油中的減幅剪切波耦合所建立的一種簡單的物理模型[1]，其推導結果是：
在現場使用時，只要把QCM傳感器探頭接入液壓系統監測點(油液管道或油箱里)，就可以在線監測油品的粘度以及溫度的變化情況。在關鍵的大型液壓設備中可以根據需要在多個監測點安裝多個傳感器探頭，以全面了解整個系統的油品變質狀況。
3 系統硬件總體設計
液壓油品質在線監測系統大體由以下幾部分組成：單片機系統；石英晶體(QC)傳感器及其振蕩電路； 溫度測量模塊；人機接口模塊(包括鍵盤輸入模塊、顯示模塊及報警電路);通訊模塊。總體結構如圖1所示，它充分利用了集成電路的最新成果和低功耗設計思想，使電路板體積小且功耗低。
3.1 單片機系統
單片機采用自帶8K字節電可擦除式存儲器的AT89C52控制器，性能價格比高。為了保證長期穩定可靠地工作，本系統采用了性能優異的μP監控芯片X25045，它集復位控制器、看門狗定時器和4K串行E2PROM于一身，增強了系統的集成度和可靠性。
3.2 溫度測量模塊
系統采用DS1820溫度傳感器作為溫度傳感器件，它是一種1線式數字傳感器，直接輸出數字信號，省去了電路中的A/D轉換器，連線簡單，提高了系統的可靠性。具體電路可參考文獻[2]。
3.3 QCM傳感器及其振蕩電路
具有AT切型的石英晶體振蕩片具有低的零溫度系數，因此我們選用了5MHz的AT切型石英晶體振蕩片來制作傳感器的探頭。為了防止電極在油中氧化，采用了鍍金電極，晶片直徑14mm，電極半徑7mm，采用雙面與油接觸。
為了保證QCM在油液中振蕩起來，必須采用一套適用于油品環境的振蕩器電路。自激振蕩器通常是由基本放大電路、正反饋網絡和選頻網絡三部分組成的[3]，在實際電路中正反饋網絡和選頻網絡往往用同一網絡，它的方框圖如圖2所示。
在這里，K(S)、F(S)是基本放大電路和正反饋網絡的傳遞函數，當滿足K(S)×F(S)=1時，振蕩才能發生。在石英晶體振蕩電路中，石英晶體作為正反饋網絡的主要組成部分，也是一種選頻網絡，只有在石英晶體振蕩器的固有諧振頻率下才能滿足這一條件。根據這一原理，我們采用以MAXIM913芯片為核心的振蕩器，它的輸出是TTL電平，便于單片機的采集。采用這種電路，解決了以往振蕩電路[2]驅動能力差的缺點，使QCM在液體中能夠穩定地起振，具體電路如圖3所示。
石英晶體及其振蕩電路在使用過程中都有溫漂、時漂的現象。在使用一段時間后，由于傳感器及電路自身引起的測量值發生變化，造成測量系統中不可忽視的誤差，我們采用了參比石英振蕩片的方法來消除此誤差，確保數據的準確和可靠。從測量用QCM振蕩電路和參考用QCM振蕩電路輸出的兩路方波信號分別進入差頻器74LS74的D端和CLK端，得到的差頻信號進入單片機的T0口進行計數。
3.4 顯示及報警電路
該系統選用了集成度很高的PS7219顯示器驅動模塊，它是一種新型的、多位LED顯示驅動模塊，具有采用簡單的三線SPI接口、內部自帶時鐘電路、無需任何外圍元件、顯示功能多樣化等特點。與以往的顯示驅動電路相比較，簡化了硬件結構，節省了單片機系統的資源，功能也得到了提高。報警電路主要由蜂鳴器及發光二極管組成，用于系統參數越界報警。
3.5 通訊模塊
為了將所測到的液壓油的溫度、粘度的變化值存入上位機數據庫中作趨勢分析，本系統采用MAX232實現AT89C52單片機系統與工控機之間的通訊。
4 系統軟件設計
軟件設計采用模塊化設計思想，系統主要由以下模塊組成：主程序模塊、顯示子程序模塊、溫度測量子程序模塊、濾波子程序模塊、QCM頻率測量模塊、標定子程序模塊、X25045的串行E2PROM讀寫模塊、通訊子程序模塊等。圖4是主程序流程圖。
該監測系統可實時地監測現場液壓油品的粘度和溫度的變化。根據現場實驗可得出以下結論：利用MAX913為核心的振蕩電路使QCM能在液壓油中很好地起振，穩定性好;利用QCM傳感器對液壓油品質進行在線監測，保證了液壓系統的可靠性，并且能大幅降低維護費用，對今后液壓系統油液質量分析進一步實現自動化有著重要的意義。
參考文獻
1 Keiji K.K.，Gordon J.G.，Frequency of a Quartz Microbalance in Contact with Liquid，Anal.Chem Acta，1985；57：99－104
2 沙占友.由DS1820組成的單線數字溫度計原理與應用.電測與儀表，1999.2
3 崔玉亮.諧振式傳感器理論及測試技術.煤炭工業出版社，1996.9：24~26