2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛
项目报告
题 目： 基于介电原理的润滑油检测 学校： 河南工业大学 指导教师： 王威 组别： 本科组 应用类别： 低功耗应用类
平台： Cortex-M3 参赛队成员名单： 姓名 曹建伟 郭玉峰 姬小三 学院 班级 联系方式 邮箱 电气工程学院 自动0806 15037122914 2008caojianwei@163.com 电气工程学院 自动0901 15981992143 gyf_23@sina.com 电气工程学院 自动0903 13939040428 13939040428@139.com 视频文件观看地址： 由于时间仓促，尚未拍摄。
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河南省郑州市 高新技术开发区 莲花街河南工业大学 郭玉峰 15981992143
题 目： 基于介电原理的润滑油检测仪
摘 要
本设计采用LM3S811做为润滑油介电常数检测装置的处理器，设计AD5933阻抗测量电路，从阻抗数据中提取容抗信息，根据电容的变化量算出润滑油介电常数的变化量，实现对润滑油介电常数的测试和数据的记录，找出润滑油品质跟介电常数之间的变化规律。
关键词：润滑油；LM3S811；AD5933；介电常数
Abstract
This design uses LM3S811 as the experimental test oil dielectric constant device core processor, designed AD5933 impedance measurement circuit, capacitance from the impedance data to extract information, according to the change in capacitance to calculate the variation of dielectric constant lubricant to realize the oil dielectric constant testing and data recording, to find quality lubricant between the dielectric constant variation with.
Keywords：Lubricants; LM3S811; AD5933;dielectric constant 1. 引言
润滑油是用在各种类型机械上以减少摩擦，保护机械及加工件的液体润滑剂，主要起润滑、冷却、防锈、清洁、密封和缓冲等作用。润滑油对于减少机械摩擦起到重要的作用。
目前，市场上润滑油的质量层次不齐，对于检测润滑油质量的优与劣，传统的检测润滑油的方法操作复杂、成本高且检测周期长，不能达到现场检测的要求。本着方便，快捷、实时性、易操作的设计理念，设计一种快速的润滑油现场检测装置。
同时，工程机械、技术监管或坦克、重型汽车急需一种使用可靠，操作方便，快检测润滑油优劣的检测装置，这将对保护运输安全和国防装备起着积极的作用，减少停机事故。
润滑油的介电常数是一个重要的指标，本装置的设计依据润滑油的介电常数，制作一种检测润滑油的介电常数的传感器处理电路，将润滑油的介电常数转化来的信号，通过CORTEX-M3内核的微控制器完成润滑油品质信号的采集、计算、处理及显示，从而确定润滑油质量的好坏。
2. 系统方案
系统主要由润滑油电容式传感器、传感器信号转换、MCU(Microcontroller Unit，微控制器)和液晶显示、电源5个模块组成。总体设计框图如图2.0所示。
当电容传感器进行润滑油检测时，首先 AD5933进行初始化配置，配置完成后，AD5933内部集成的DDS(直接频率合成器)对电容传感器进行频率扫描，被激励的响应信号通过AD5933内部的ADC采样和DSP 引擎处理，返回每个频点(在扫频情况下)的实部和虚部数据字。LM3S811微控制器读取AD5933实部、虚部寄存器值，再进行处理、运算得到电容量，最终把电容量换算为润滑油的介电常数，用液晶显示器进行显示，达到测量目的。
图2.0 系统总设计框图
在润滑油检测系统中，阻抗测量芯片AD5933采用3.3V电源供电，微控制器和LCD1602采用5V电源供电。 2.1传感器设计与检测原理
润滑油电容传感器属于变介电常数传感器，它将润滑油极性分子含量对介电常数的影响转换为电容量的大小。润滑油在变质过程中，其介电常数的改变比较小，这对传感器的灵敏度提出了较高的要求。 2.1.1 介电常数法检测润滑油品质的理论基础
润滑油品质传感器测量方法需考虑到润滑油某个固有参数与电信号的一定的关系。现代物理学认为，除稀薄的完全电离气体(等离子体)外，自然界几乎所有物质都是电介质。润滑油是一种复杂的烃类混合物，因为其中各烃类的介电稳定性不同，所以可以把它作为一种非常复杂的电介质来考虑。
润滑油变质时，油中部分碳氢化合物分子被氧化生成过氧化物、酸和其它化学物质，使分子极化。随着氧化产物和热降解产物的积累，外来污染物的不断增加，油中极化分子也不断增多，这样会导致润滑油的介电常数发生变化；同时，由于摩擦和磨损，磨损的金属粒子和其它导电性强的化合物也会使润滑油的介电
常数发生变化。润滑油的介电常数取决于基础油、添加剂及污染物的成分和含量，基于这一原理，可以用介电常数来评价润滑油的污染和变质程度。介电常数是油液的电化学的主要参数，本课题所研制的电容传感器将润滑油及其中的污染物作为电介质，润滑油中水分、总酸值和磨粒含量的不同，将影响介电常数的变化，根据介电常数的变化来估算油液的污染程度，达到检测的目的。
本课题所设计同轴式电容传感器当忽略边缘效应时，其电容量为：
C?2??0?rH (2.1)
ln(D/d)式中：
ε0—真空介电常数（8.854×10-12F/m）；
εr—极板间物质相对介电常数（包括润滑油和其中污染物）； D—同轴式电容传感器外径； D—同轴式电容传感器内径； H—润滑油液位高度。
当电容传感器结构确定后，其中ε0、D、d、H个量为常数，极板间润滑油的相对介电常数εr为变量。所以传感的电容量C是εr的函数。即C=Kεr，其灵敏度为S:
S=dc/dεr=K (2.2)
说明该传感器具有理论上的输入与输出成线性关系的特性。
当润滑油检测进行润滑油检测时，为了求得极板间润滑油的相对介电常数，用AD5933产生特定的频率正弦信号对电容传感器进行激励，测出当前频率下的阻抗值，再把阻抗值转化为电容量C，最终可由式(2.1)计算得出被测润滑油的介电常数?r。
2.1.2 油液监测参考值确定的理论分析
液体介质的导电能力和其分子极性及纯净度有关，介电常数是反映润滑油液污染的一个综合参数。合理标定一个εr的门槛值，可以综合评价润滑油液的好坏，这为快速检测润滑油液的质量提供了一个相对科学的依据。润滑油液污染检测传感器首先要经过标定后才能使用，但要注意以下几个方面：
(1)新鲜的各种润滑油的介电常数大约在2.0左右，经过氧化后，介电常数普遍增大。不同种类的润滑油液在相同的氧化条件下，介电常数增加的幅度有差别，这是由于各种油的成分不相同，但介电常数变化的趋势是一致的。
(2)当润滑油液中含有氧化物、尘垢、沉渣、燃料、酸性物等杂质时，测得的介电常数值介于3.5～5.0之间，当含有防冻剂、金属磨屑、水时，介电常数值更大，当润滑油液中含汽油、柴油等轻质油时，介电常数值较小。
(3)由于市场上油液的品种有数百种，生产厂家不同，油中的添加物不同，它们的介电常数也不一样，因此用户应该在使用中系统地检测、记录每一次检测的结果，将检测结果比较分析后，结合自己的判断确定该种油品的报废参考值。 2.2 阻抗测量芯片AD5933
AD5933芯片是由美国Analog Devices公司2005年推出的一种阻抗测试芯片。它采用了全新的芯片制造技术和数据处理技术，体积小功耗低，在5.3×6.2 mm2
大小的芯片内部集成了内置温度传感器、数模转换器、模数转换器和频率发生器。其最高频率可达100kHz，且分辨率小于0.1Hz，频率发生器能以设定的频率对外部复杂的阻抗进行扫描。它是一种lMSPS(megasample spersecond) 12-bit高精度阻抗转换系统，具有0.5％系统精度；能直接测量的阻抗范围100Ω到10MΩ，也可测量小100Ω的电阻。能在40 ℃到+ 125℃的范围内稳定工作。这种片上系统可为相关测试系统设计带来极大的方便，可大大降低有关仪器的成本。
AD5933片上带有一个27位的DDS来提供输出特定频率激励信号。起始频率、频率增量和频率点数三者共同决定了AD5933的频率扫描。起始频率频率寄存器代码和频率增量寄存器代码的计算公式如式(2.3)和(2.4)所示。
???所需的起始频率???227 (2.3) 起始频率寄存器代码??MCLK????4?????所需的频率的增量???227 (2.4) 频率增量寄存器代码??MCLK????4??阻抗计算：
首先对一个已知阻抗的被测物进行测量，可得到相应的 R与I，并计算出它的Magnitude?R2?I2。进而用公式(2.5)获得一个增益因子(gain factor)。
1impedancegain?factor? (2.5)
Magnitude其中impedance为待测阻抗，这样得到的增益因子确定后，将测试未知阻抗得到的R与I代入公式 (2.6)，就可计算出待测阻抗。
impedance?1 (2.6)
gain?factor?Magnitude3. 系统硬件设计 3.1 微控制器选择
Luminary Micro Stellaris 系列的微控制器是基于ARM? CortexTM-M3 的控制器，它将高性能的32 位计算引入到对价格敏感的嵌入式微控制器应用中。Stellaris 系列的LM3S811 微控制器拥有ARM 微控制器所具有的众多优点，如拥有广泛使用的开发工具，片上系统（SoC）的底层结构IP 的应用，以及众多的用户群体。此外，控制器还采用了ARM 可兼容Thumb?的Thumb-2 指令集来降低内存的需求量，进而降低成本。其引脚如图所示：