CN107703028A - 基于单片机的微型粘度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机的微型粘度传感器，该微型粘度传感器主要由基于低功耗单片机的主板和微型编码电机、测温模块、测量探头组成，该微型粘度传感器是以MSP430F149单片机为核心，以微型编码电机带动椎板作为测量探头，搭配以PT100铂电阻为核心的测温模块，实现温度和粘度的实时在线测量。本发明经过精心设计,使传感器结构简化，实现微型化，方便安装和使用，并且具有良好的经济性，实用性，以及较高的精度，更能适用于高粘度油液的测量。

Description

基于单片机的微型粘度传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及油液粘度的在线测量技术。

背景技术

粘度是润滑油的重要特性之一，在机械工业领域，润滑油的应用可谓无处不在。在大型机械设备中，润滑油是循环润滑机械零部件的，使用过程中基本不被消耗。但随着使用时间的延长，润滑油的性能会降低，对机械零部件起不到良好的润滑效果，此时就需要更换润滑油。如何在不影响机械零部件的前提下，充分发挥润滑油的作用，制定科学的换油标准，这就需要我们实时掌握的润滑油的各种性能参数，而粘度是其中的重要指标。

目前，使用最多的是各种粘度仪，体积大，操作复杂，对使用者要求较高，而且大多无法进行在线测量；现有的粘度传感器，要么在测量精度上不能满足要求，要么价格昂贵，无法进行推广；在高粘度油液测量领域，微型的粘度传感器更是少见。

发明内容

本发明所要解决的问题是：为了克服上述现有技术的不足，提供一种微型粘度传感器。该传感器以MSP430F149单片机为核心，以微型电机带动椎板为测量探头，搭配以PT100电阻为核心的测温模块，实现温度和粘度的实时在线测量。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于单片机的微型粘度传感器，主要由基于低功耗单片机的主板和微型编码电机、测温模块、测量探头组成；该微型粘度传感器是以MSP430F149单片机为核心，以微型编码电机带动椎板作为测量探头，搭配以PT100铂电阻为核心的测温模块，实现温度和粘度的实时在线测量。

所述测量探头，其通过锁紧片、螺母安装在油液循环回路上，实时在线测量润滑油的粘度。

所述测温模块由以下方法制成：以三线制PT100电阻作为电桥的一个桥臂，当温度变化引起PT100电阻阻值发生变化时，会产生压差，压差的变化经过运算放大器放大之后输入MSP430F149单片机，单片机内部集成12位高精度A/D转换模块，将输入的模拟电压转换为数字电压，最后进一步处理转化为温度值。

所述测量探头，装在待测油液粘度的管道上，用于实现对油液粘度的测量；该测量探头由微型编码电机、椎板以及连接套筒组成，其中椎板与连接套筒以螺纹连接，连接套筒与微型编码的电机轴之间为间隙配合，在连接套筒与电机轴连接处，设有两对称螺纹孔，用螺钉锁紧。

本发明设有通过数据线与单片机相连的粘度测量模块、显示模块和通信模块，其中：粘度测量模块，由探头和主板上相应的电路组成；显示模块装在主板盒内，通过插针与以MSP430F149单片机为核心的主板相连。

所述的主板上设置USB接口，电源、编码电机、测温模块的铂电阻均通过USB线与主板上对应的USB接口连接。

所述的主板盒由主板盒底座、主板部分、主板盒盖子组成；主板上通过排针连接液晶显示器。

本发明提供的上述基于单片机的微型粘度传感器，其通过液晶显示屏实时观测粘度和温度的变化，或者通过RS232串口通讯，在上位机中观测其变化趋势，以及对数据的存储。

本发明与现有技术相比具有以下主要的有益效果：

1.采用微型电机驱动椎板，使得传感器探头小巧，方便在管道上安装，以及更换零部件方便；具有良好的经济性；

2.探头采用椎板的形式，可以在一定程度上抵抗流体的轻微冲击，测量精度高；

3.只需简单调整便可适用于各粘度范围的在线测量；

4.电机轴通过连接套筒带动椎板旋转，椎板与套筒之间通过螺纹连接，方便更换椎板；电机上装有霍尔编码器，用来采集转速信号；编码器产生的脉冲信号输入到单片机中进行运算处理转化成粘度值。

附图说明

图1为整体图，包括电源1、温度测量部分5(PT100探头)、主板盒7以及上位机6，如果只是简单的观测粘度，不进行数据分析，上位机可以不需要，直接从液晶屏上观察即可。其中锁紧片3、螺母4为安装时固定探头所用。

图2为传感器探头的结构示意图。

图3为主板盒，用于放置主板，其中主板上设有与探头、电源和上位机连接的接口以及用于液晶显示屏安装的插针。

图4是粘度-温度拟合曲线图。

图5是320号齿轮油中转速-温度拟合曲线。

图6是粘度-转速拟合曲线图。

图7是460号齿轮油的标准曲线拟合图。

图8是460号齿轮油的检验结果拟合图。

图9是460号齿轮油的标准曲线与检验曲线对比图。

图中：1.电源，2.测量探头，3.锁紧片，4.螺母，5.测温模块，6.上位机，7.主板盒，2.1微型编码电机，2.2连接套筒，2.3椎板，7.1主板盒底座，7.2主板部分，7.3主板盒盖子，7.2.1USB接口，7.2.2串口，7.2.3液晶显示器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的基于单片机的微型粘度传感器，其结构如图1至图3所示：主要由单片机、微型编码电机2.1、测温模块5、测量探头2组成，该微型粘度传感器是以MSP430F149单片机为核心，以微型编码电机2.1带动椎板2.3作为测量探头2，搭配以PT100铂电阻为核心的测温模块5，实现温度和粘度的实时在线测量。

所述以MSP430F149单片机为处理器的主板，装在主板盒7中，用于进行数据处理和发送。该单片机通过数据线与上位机相连。

所述测量探头2，其通过锁紧片3、螺母4安装在油液循环回路上，实时在线测量润滑油的粘度。主要针对高粘度油液的测量。

所述微型编码电机2.1，由市场上购买，例如25GA370电机，该电机自带霍尔编码器。

所述测温模块5，用于测量液体温度。该测温模块由PT100电阻及相应的电路组成。

测温模块5设计：以三线制PT100电阻作为电桥的一个桥臂，当温度引起PT100电阻阻值发生变化时，会产生压差，压差的变化经过运算放大器放大之后输入MSP430F149单片机，单片机内部集成12位高精度A/D转换模块，将输入的模拟电压转换为数字电压，最后进一步转化为温度。

所述测量探头2，装在管道上，用于实现对油液粘度的测量。该测量探头由微型编码电机2.1、椎板2.3以及连接套筒2.2组成。

所述测量探头的设计：为了实现传感器的微型化，可购买自带编码器的微型电机，然后测出其轴径的尺寸；根据微型编码电机轴径的大小，设计电机轴和椎板之间的连接套筒，连接套筒与电机轴之间为间隙配合，为防连接套筒松动，在连接套筒与电机轴连接处，设有两对称螺纹孔，用螺钉锁紧；接着根据所测量的粘度范围设计椎板，椎板与连接套筒以螺纹连接；探头的安装也采用螺纹连接，在测量部位设置相应的螺纹孔，安装时只需把电机部分旋紧即可。设计过程中要注意电机轴与连接套筒、连接套筒与椎板的对中性。

本发明还设有粘度测量模块、显示模块和通信模块，分别采用以下方法设计：

所述粘度测量模块，用于测量油液的粘度。该粘度测量模块由探头和主板上相应的电路组成。

粘度测量模块设计：基于旋转法测粘度原理，当椎板2.3在油液中旋转时，通过微型编码电机2.1中的编码器会产生一系列脉冲，利用MSP430F149单片机的定时器A的捕获功能，可以对脉冲上升沿进行计数，进行处理后就可以知道椎板在油液中的转速，然后通过标定的转速和粘度之间的关系，便可转化为粘度。

显示模块设计：装在主板盒7内，通过插针与主板相连。该显示模块可以采用12864液晶显示屏，实时显示温度和粘度值。

通信模块设计：为了便于进行分析，单片机主板与上位机之间设有串口通信，可以把单片机采集到的信息通过串口发送到上位机6进行显示和存储，上位机界面可用LabVIEW软件搭建，简单而方便。所述上位机6采用PC机。

整体设计：为了使传感器整体紧凑，使用方便，本发明设计了一个主板盒7，用于安装主板，主板上设置USB接口7.2.1，电源、探头、PT100温度传感器均通过USB线与主板的串口7.2.2连接。主板盒7由主板盒底座7.1、主板部分7.2、主板盒盖子7.3和串口7.2.2组成。在主板盒7上设有液晶显示器7.2.3。

本发明采用微型电机驱动椎板，使得传感器探头小巧，方便在管道内安装；同时，探头采用椎板的形式，可以在一定程度上抵抗流体的轻微冲击，提高测量精度。

本发明提供的基于MSP430F149单片机的微型粘度传感器，使用前先对其进行标定，标定的方法是先在标准粘度仪上测量一种油的粘度-温度曲线，然后将传感器置于同一种油的循环回路中，测量出传感器的转速-温度关系曲线，温度测量的理论推导如下：

PT100电阻作为电桥的一个桥臂，电桥输入电压为Vin，当温度变化引起PT100阻值变化时，引起其端电压变化，然后输入到运算放大器，经放大器放大后输入到单片机的模拟输入通道，MSP430F149单片机内部集成了高精度A/D转换模块ADC12，可以把输入的模拟电压转换成数字电压。具体转换公式为：

其中：AC-输入单片机的模拟电压；Vin-电桥输入电压；Rt为PT100的阻值；Quan为放大倍数；V_R-、V_R+为电压基准的上、下限；N_ADC为转换后的数字电压。Rt的值由PT100的温度特性曲线确定，一般也需要对其重新标定。假设标定的PT100温度特性曲线为Temp＝f(Rt)，则通过对式(1)、(2)转化后代入温度特性曲线，即可求得温度Temp。

转速测量的理论推导如下：(以额定电压24V，空转转速6000r/min的编码电机为例，每转1转产生11个脉冲)

单片机的某些引脚具有捕获功能，可以捕获编码器产生的脉冲信号，本发明中采用引脚P1.1为脉冲捕获引脚，MSP430F149单片机中有定时器A和定时器B，两个定时器功能大体上一致，这里采用定时器A，时钟源选用辅助时钟ACLK，晶振为低频晶振32.768KHZ。由于定时器A为16位定时器，当选用增计数模式，中断为溢出模式时，它的定时周期为65536/32768＝2s，即以2s为一个计算周期，在一个计算周期内，计算捕获的脉冲数Pulse和捕获到这些脉冲所用的时间Time。假设第一个脉冲上升沿到来时，计数器TACCR0的值为T0，脉冲计数变量CT＝1；下一个脉冲上升沿到来时TACCR0的值为T1，CT加1；此后，每次捕获到上升沿时，都把TACCR0的值赋给T1，CT加1，直到TACCR0达到最大值65536时产生溢出中断，这个周期中，捕获的脉冲数Pulse＝CT，时间Time＝(T1-T0)/32768(s)。于是转速Speed＝(Pulse×60÷11)/Time(r/min)。

然后根据粘度-温度曲线和转速-温度曲线，在相同温度下对粘度和转速进行取点，将所得粘度和转速值，在MATLAB软件中以转速为横坐标，粘度为纵坐标，拟合出粘度-转速曲线，并得到相应的曲线表达式。最后将转速测量公式代入该表达式中，便可以计算出粘度。

标定完后的传感器就可以用来测量粘度了，具体操作是先在油液循环回路上设置安装孔，安装孔大小与固定螺母的外径一致，然后用螺栓把锁紧片锁紧，使固定螺母固定在电机上，然后将传感器探头部分固定在油液回路的管道上即可；将PT100温度探头置于传感器探头前面一点，用来测量油液温度。然后将各接口连接起来，待油液循环起来，接通电源1，便可在液晶屏上观测到温度和粘度值。如果连接了上位机，还可以观测到温度和粘度的变化曲线图，温度和粘度值将被写入到excel文件，以供后续分析。

本发明提供的基于单片机的微型粘度传感器，其实验部分包括标定和检测实验。

1.标定实验：

(1)粘度测量：

以博勒飞DV2T粘度计作为标准进行标定，首先测量了#320齿轮油的粘度-温度曲线，测得的数据如下表1：

表1#320齿轮油的粘度-温度标准数据

以温度为自变量，粘度为应变量。通过MATLAB软件的曲线拟合，拟合结果见图4。

拟合后的表达式为：

y＝2.038×10⁶×x^-2.43-26.89 (1)

式中：x-温度；y-粘度。

(2)转速测量

转速的测量实验是指利用传感器来测量转速随温度的变化关系，采用同种#320齿轮油。实验中测得的数据见表2：

表2#320齿轮油中转速测量结果

通过在MATLAB中采用2次幂函数进行拟合，得到曲线见图5：

拟合曲线的表达式为：

y＝-2.003×10⁴×x^-0.5858-7111 (2)

式中：x-温度；y-转速。

(3)标定

通过在粘度-温度曲线和转速-温度曲线上进行取点，以3℃左右为温度节点，取点结果见表3：

表3#320齿轮油标定数据

取点后，以转速为横坐标、粘度为纵坐标，在MATLAB里面进行曲线拟合，得到曲线见图6。

拟合曲线的表达式为：

y＝3.544×10³¹×x^-7.943 (3)

式中：x-转速；y-粘度。

标定的过程是以温度为中间量，分别寻求温度与粘度、温度与转速的关系，然后以温度为基础，寻找粘度和转速之间的关系。建立粘度与转速的数学模型。

2.检测实验：

检测实验的目的是检验传感器的准确性，实验采用测量#460齿轮油的粘度-温度曲线，操作步骤与验证实验基本一致。先在粘度计上测量#460齿轮油的粘度-温度曲线，所测结果见表4。

表4#460齿轮油检测试验粘度-温度标准数据

在MATLAB中进行拟合，采用2次幂函数拟合，得到#460齿轮油的标准曲线，结果见图7：

拟合后曲线的表达式为：

y＝1.323×10⁶×x^-2.177-90.41 (4)

式中：x-温度；y-粘度。

然后用传感器测量同种#460齿轮油的粘度-温度曲线，并与粘度计测量的结果比较，得结果见表5：

表5#460齿轮油的检验结果及误差

将测量的粘度-温度曲线在MATLAB中进行拟合，得到拟合曲线见图8：

拟合曲线的表达式为：

y＝3.339×10⁶×x^-2.46-51.17 (5-6)

式中：x-温度；y-粘度。

然后将#460齿轮油的标准曲线与测量曲线放在一起进行对比，其结果见图9：从图9所示的检验曲线和对应的标准曲线来看，二者在较高粘度范围内变化趋势比较接近，计算的误差在10％以内。当粘度降到80mPa·s左右，曲线出现明显分离，说明已经超出传感器的量程，不能继续测量，或者更换更大尺寸的椎板测量。检测实验可以看出，传感器在高粘度范围内测量具有一定的可信度。

Claims (8)

1.一种基于单片机的微型粘度传感器，其特征是主要由基于低功耗单片机的主板和微型编码电机、测温模块、测量探头组成，该微型粘度传感器是以MSP430F149单片机为核心，以微型编码电机带动椎板作为测量探头，搭配以PT100铂电阻为核心的测温模块，实现温度和粘度的实时在线测量。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的微型粘度传感器，其特征是所述测量探头，其通过锁紧片(3)、螺母(4)安装在油液循环回路上，实时在线测量润滑油的粘度。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的微型粘度传感器，其特征是所述测温模块由以下方法制成：以三线制PT100电阻作为电桥的一个桥臂，当温度变化引起PT100电阻阻值发生变化时，会产生压差，压差的变化经过运算放大器放大之后输入MSP430F149单片机，单片机内部集成12位高精度A/D转换模块，将输入的模拟电压转换为数字电压，最后进一步处理转化为温度值。

4.根据权利要求1所述的基于单片机的微型粘度传感器，其特征是所述测量探头，装在待测油液粘度的管道上，用于实现对油液粘度的测量；该测量探头由微型编码电机、椎板以及连接套筒组成，其中椎板与连接套筒以螺纹连接，连接套筒与微型编码的电机轴之间为间隙配合，在连接套筒与电机轴连接处，设有两对称螺纹孔，用螺钉锁紧。

5.根据权利要求1所述的基于单片机的微型粘度传感器，其特征是设有通过数据线与单片机相连的粘度测量模块、显示模块和通信模块，其中：粘度测量模块，由探头和主板上相应的电路组成；显示模块装在主板盒(7)内，通过插针与以MSP430F149单片机为核心的主板(7.2)相连。

6.根据权利要求5所述的基于单片机的微型粘度传感器，其特征是主板上设置USB接口，电源、编码电机、测温模块的铂电阻均通过USB线与主板上对应的USB接口连接。

7.根据权利要求5所述的基于单片机的微型粘度传感器，其特征是主板盒(7)由主板盒底座、主板部分、主板盒盖子组成；主板上通过排针连接液晶显示器。

8.权利要求1至7中任一所述基于单片机的微型粘度传感器，其特征是通过液晶显示屏实时观测粘度和温度的变化，或者通过RS232串口通讯，在上位机中观测其变化趋势，以及对数据的存储。