在线润滑油液光谱传感器技术研究

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润滑油状态关系着车辆动力设备的经济性、动力性、可靠性和寿命。润滑油在经过高温、氧化、外来污染物等作用后，逐渐老化变质，从而使其理化指标发生变化，失去其正常的润滑功能，还会增大对机械装置的腐蚀、磨损，最终导致变速器等状态劣化 ，发生故障。在润滑油失效之前 ，及时更换润滑油是必需的。因此，为了确定润滑油品质退化失效 的状态，有必要对润滑油品质进行在线监测。

变速器是个精密的传动机构，传动油的污染度直接影响变速器的工作性能，若变质的润滑油不能及时更换，使大量污染物混入润滑系统，会加速变速器零件的磨损、研损、烧伤或者引起噪声 J。最通用的换油方法是按期换油，即根据推荐的里程数或工作时数来更换润滑油 j。润滑油的退化是-个缓慢且不确定的过程 ，如果按照按期换油，可能会使润滑油在失效之前就被更换，造成润滑油的浪费，也可能使已经不合格的润滑油继续使用，对设备的运行产生不利的影响。

采用传统的按期换油，也会造成大量不必要的经济上的消基金项目：车辆传动国家重点实验室项 目(9140C340601106)收稿日期：2012-09-18 收修改稿日期：2013-02-20耗。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，换油费用可达几十万美元 。而通过按质换油，采用油液污染度监测可使油液的换油周期延长2倍以上 J通部门的数据表明 ：实行按质换油，-年每辆汽车平均可以节约机油 2O L，1万辆就能节约2×106 L，约节约 68万元，总经济效益达 400万元以上。因此，通过对润滑油的状态进行监测，采却质换油的方式，具有很高的经济效益和社会效益，必将得到广泛的应用。

按质换油，即对油液品质状态进行在线监测，通过-定数据来判断油液退化程度。另外，通过对油液中金属磨损颗粒的分析，也可以判断机器运转的状态以及出现故障类型。因此，迫切需要研究-种切实可行的油液监测与分析技术，对于提高机械设备运行的稳定性、可靠性，实施视情维修与预防维修，降低维护费用，减少事故的发生具有重要的意义 J。目前已有大量研究用于提高润滑油的使用效率和减少浪费 ，其中采用在线油液检测传感器对润滑油品质进行检测成为目前的-种热门技术。其中，光谱分析技术成为了研究热点。其非接触、抗干扰、抗电磁等优点可以实现对油液污染度快速、准确的测量，使得光谱技术具有很好的应用前景，在近些年发展极为迅速。

4 Instrument Technique and Sensor妒(A) (X)dXc8o(A)s(A) r (h)dh (2)r ] 厂2·768 9·751 7l·13o 2]厂 ] l-rJ1. 00-0-0-：.5。9 05--.5-943-]t-Yj将测量 ，Y，Z值，经上述转化，换为 ，Y，z.由于 Y 2 在线简易吸收光谱传感器光谱理论指出：光在润滑油内传播时，被油内的颗粒物散射、吸收，会导致光透射光谱曲线呈现差异。为了应对光源本身的变化给测量结果带来的误差 ，考虑将多波长光作为光源来研究润滑油劣化程度，通过测量光谱组成成分表征润滑油劣化程度，从而消除光源所带来的测量影响。以配置的变速器润滑油为油样，采用分光光度计 UNICAM UV-500进行检测，其波长范围19-800 lm、波长准确度 ±0.5 nm、波长分辩率2 nm。

测量的结果为-光谱分布曲线，如图1所示。对比使用前后的新旧传动润滑油，其透射光谱有很大差别。通过测量两者之间的差别，就能够精确的地反映出润滑油所处的退化状态。

基于这-原理，开发了-种在线润滑油退化程度监测光谱传感器。通过对润滑油在光照下的色度的区别，判定润滑油的等级，从而判定润滑油品质。

越米图1 分光光度法测量结果示例该研究采用的光谱传感器原理及方案如图 2所示。通过润滑油品质的变化，来确定污染度。该光谱器由探头、光源 、色度感应器和控制电路组成。根据试验要求 ，选择寿命长、节能 、耐振动的白色 LED为光，感光元件采用某种光电传感器。

普通光谱仪简易光谱传感器团三圈三圈三目 -圉图2 光谱传感器原理及方案第5期 张勇等：在线润滑油液光谱传感器技术研究 5文中运用上述光谱理论，探讨-套能够实现实时在线检测的润滑油在线检测系统。

3 光谱传感器实验研究3.1 试验油液的配置试验油样采用从某型变速箱油，用脏油与新油挤兑，形成- 系列浓度的油样，配制出12种级别的油样。第-级为0%油液浓度，即新油100 mL，旧油为0 mL；第二级为10%油液浓度，新油 90 mL，旧油为 10 mL，依此类推。利用配置的油样，在动态模拟试验台上进行试验。

3.2 光照强度变化研究车辆动力设备工作状况复杂，车内供电电压变化 ，光源长时间工作导致老化，会导致光照强度变化。为此对光照强度变化与传感器输出特性进行了研究。试验采用调节 LED电压的方法模拟光照强度的变化。实验时分别把光源的电源电压调为5.0 V、5.5 V、6.0 V、6.5 V、7.0 V、7.5 V、8.0 V对浓度为30%、50%、70%的油液进行监测。对数据进行数学处理，最后其计算结果如表 1所示。

表 1 不同光源强度下各浓度等级油液试验数据处理由表 1可见，在光源电源电压 5.0-8.0 V范围内，光源强度对测量值影响不大 ，其最大的相对误差也不超过 2%。通过试验表明光照强度的改变对传感器输出结果基本无影响，即该系统可在电压发生变化时正常工作。

3.3 传感器稳定性试验为了确认传感器工作是否稳定，保持输入条件不变，即光源电压不变，传感器单片机系统供电电压也保持-致，对同-种油液进行监测，观察其输出的结果。设置了光源电压为7 V，传感器单片机电压为3 V，随机选取浓度为50%、70%的油液进行监测，历时2 h，每 10 s采集-次数据。根据统计学原理对实验数据进行分析，得到结果见表 2。

表 2 50%与70%油液试验数据处理可见，相同的条件(即光源条件、同-操作者、同-测试条件)下，传感器的输出值是稳定的，在-定可靠度内，从表中数据可以看出其相对误差都小于2%，因此该实验系统是稳定的。

4 传感器试验结果为了更准确地拟合出x.y之间的关系，对油液进行了1O次监测试验，把试验结果在同-个图中表示出来，如图3所示。分析图中的曲线，被监测油液曲线在低浓度等级段并不符合线性关系，曲线在浓度为 20%这-点出现了转折，但是前两级油液(即新油、10%浓度的油液)还很干净，基本上对设备不能构成威胁，因此忽略前面两级油液，把监测的重点放在后面较脏的油液上。从浓度为20%的油液开始，传感器的输出值x.y之间趋向线性关系。

图3 传感器标定曲线因为x，y间的线性关系，任意-个参数都可能用来表示油液的光谱输出值，所以可以直接建立 与油液污染度等级的数学模型▲行10次实验，观察各油液污染度浓度下的光谱值，实验结果如图4所示。图5为油液浓度c与 值拟合曲线。

图4 油液污染度c与 的关系曲线20 3O 40 60 6O 7o 8O 90 100油液浓度，%图5 油液浓度 c与 值拟合曲线结果证明两者也具有良好的线性关系，用最小二乘法拟合与油液浓度 C的关系；-0.003 Oc0.682 1(c∈[20，100]) (5)6 Instrument Technique and Sensor Mav.20135 结束语使用变速器传动润滑油，通过对传感器进行的光强试验、稳定性试验，在线油液品质监测传感器有如下特性：(1)在实验室条件下，传感器能够有效的检测出润滑油的总体污染度状况，达到了预期的设计目标。

(2)外部因素(电压、LED老化)变化导致传感器光照强度变化时，对传感器输出结果影响微弱，消除了光强对传感器监测结果的影响，保证了传感器的测试精度，说明系统具有优良的抗干扰能力。

(3)结果表明油液传感器的输出具有良好的稳定性 ，光源波动对检测结果影响很小，测量值最大相对偏差仅为 1.7%。

研究了传感器输出与油液污染度浓度的关系，进行了传感器标定试验，获得油液污染度 C与传感器输出值 的关系，证明该传感器输出值 可以定量表征油液的污染程度。

以上结果表明：采用设计的光谱传感器对润滑油污染度进行监测，可行性强，试验效果理想，且传感器结构简单，具有较高的实用性与可靠性。