車用潤滑油黏度傳感器研制及精度校核

廖中文 劉艷紅

摘 要：為了解決按傳統經驗判斷更換機油帶來的機油浪費、加劇機械磨損等問題，實現按質更換的目的，項目組根據潤滑油屬性，確定潤滑油使用性能的影響因素，參照國內外相關技術和旋轉式黏度計測量原理，設計一款可以克服汽車各種工況、能夠降低外界環境對潤滑油黏度屬性監測影響的一款潤滑油品質實時監測傳感器。將傳感器應用于樣品潤滑油的黏度測量，并與現有設備測量值進行對比分析，結果表明：車用潤滑油黏度傳感器具有較好的精度和靈敏性，能實現精準提醒車主的目的。

關鍵詞：黏度傳感器;NDJ-1;實時按質

中圖分類號：TP212.9 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）20-35-04

Abstract： In order to solve the problem of oil waste and aggravating mechanical wear caused by oil change according to traditional experience and realize the purpose of quality change， the project team determines the factors affecting the performance of lubricating oil according to the properties of lubricating oil， and designs a real-time monitoring sensor of lubricating oil quality that can overcome various automobile working conditions and reduce the influence of external environment on the viscosity property monitoring by referring to relevant technologies at home and abroad and the measurement principle of rotary viscosity meter. The sensor is applied to the viscosity measurement of sample lubricating oil， and compared with the measurement value of existing equipment. The results show that： the viscosity sensor of vehicle lubricating oil has good precision and sensitivity， and can realize the purpose of accurately reminding car owners.

Keywords： Viscosity sensor; NDJ-1; The real-time monitoring

CLC NO.： TP212.9 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-35-04

引言

發動機潤滑油使用壽命有限，約為5000-30000km。目前，轎車售后市場的傳統做法是約定5000km進行一次保養，并更換機油，通過實地調查取樣測試發現，行駛5000km就替換下來的機油，普遍沒有達到使用壽命，存在較大程度上的浪費;營運型車輛在使用過程中，車主普遍為了追求經濟效益的最大化，忽視汽車的定期保養，機油的更換沒有按照科學規律進行，實地調查取樣測試發現，較多營運車輛在機油更換時，已經嚴重超出使用壽命，臟污嚴重、嚴重變質，對車輛的使用性能造成極大的負面影響，增加使用成本和維護費用，嚴重時，甚至會造成摩擦阻力過大，軸承斷裂等惡性事件。

基于以上的分析不難發現，汽車機油更換是通過人為約定時間或者根據車主的駕駛習慣和喜好來確定更換時間的，不能做到按質更換。科學合理的確定機油更換時機，不僅能提高汽車的技術狀況和使用壽命，同時能產生巨大的經濟效益。

依照按質換油的思路，將機油的重要屬性（黏度、溫度、顆粒度、酸性物質）等通過不同的傳感器進行在線監測，實時判斷各大指標是否超出使用壽命標準，一旦出現該種情況，及時提醒車主對機油進行更換。在基有的所有屬性之中，黏度是影響機油性能的最重要指標之一，本文將以機油黏度為研究對象，設計一款在線監測傳感器，以圖實時監測機油黏度數據，指導車主按質更滑機油。

1 黏度傳感器的初步研制

1.1 車用潤滑油黏度的常見測量方法

潤滑油的使用壽命受到諸多因素的影響，比如：車況、駕駛習慣、油品屬性等等，按照傳統經驗判斷，難以精確確定更換油品的最佳時間，所以需要借助高靈敏度，高精度的測試儀器。在潤滑油的諸多屬性之中，黏度是影響其品質的一個重要物理性質。

目前，黏度測量的方法主要有實驗測試以及在線監測。對于實驗室的黏度測試方法主要包括了出流法、重力法、旋轉法、振動法、超聲波技術以及光學測量技術。出流法主要用到了玻璃毛細管黏度計或者短管和小孔型黏度計;旋轉法主要應用于旋轉黏度計上;振動法主要有低頻擺動黏度計和高頻振動黏度計[1]。對于能夠初步用于在線監測的技術：Hammond[2]開展了一種聲學發動機油品質傳感器（簡稱AEOQ ）試制模型。Jakoby[3]研究了一項微型聲學黏度傳感器，德國博世集團根據Jakoby的研究結果，開發了一款多功能油品質量傳感器，它將油品黏度和溫度測量集成在一起，完成了黏度和溫度集成一體的傳感器。Chao[4]（音譯）研究了一款基于石英諧振器厚膜剪切模式（簡稱 TSM）微型聲波傳感器，并開發出了基于單面和雙面TSM諧振器的傳感器原型。Preethichandra[5]設計了多功能傳感器，用于測量發動機油的黏度、清潔度、溫度和電容。

本文設計的黏度傳感器主要是基于旋轉法，以NDJ-1旋轉式黏度計測量原理為基礎，克服了潤滑油工作的極端環境以及汽車行駛中帶給發動機內部的振動以及油品對傳感器的影響等因素所研制出的一款具有實時監測潤滑油黏度性能的傳感器。

目前，該黏度傳感器配備具有特定程序的控制單元，組建監控系統，完成監測油品黏度的功能，其具體的工作方式如圖1所示：

該監控系統的主要原理是控制單元控制傳感器模塊進行工作，傳感器將監測到的潤滑油阻力（黏度）數據反饋回控制單元，控制單元進行數據處理從而計算出油品黏度值并將黏度顯示在單片機上。

1.2 車用潤滑油黏度傳感器的組成

黏度傳感器主要由霍爾傳感器、130系列的伺服電機以及固定霍爾傳感器和伺服電機的玻纖外殼所組成，具體結構圖由圖2所示：

該傳感器外形主要是由兩個半圓柱形的玻纖外殼組成，兩個半圓柱外殼并不完全相同，在其中的一個半圓柱外殼的上內腔預留了兩個導線孔來引出電機的導線，因電機需要密封不進油的工作條件，且外殼除了要能長期浸泡在油液里還需滿足能承受汽車在不同工況下所帶來的溫度變化這一條件，而玻纖具有極好的抗腐蝕性以及耐熱性，符合所需條件，所以本傳感器選用了玻纖材料來制作這個傳感器的外殼，傳感器之所以由兩個半圓柱的外殼組成主要是為了方便拆裝。

兩個半圓柱形外殼的接觸面上分別有4對固定槽、柱，此設計主要是為了將兩個外殼準確地貼合，以保證電機及傳感器內部元件的工作。在外殼的上內腔部分加裝了一對固定電機用的固定卡塊12，以保證電機能穩定工作;在上內腔的頂部及上內腔與下內腔的連接處分別設有連接電機長轉軸2、短轉軸13的圓孔，這兩個孔將電機的兩根轉軸各自延伸到傳感器外連接轉子1以及下內腔帶動圓盤7旋轉，同時在外殼下內腔的內壁上還設置了一個放置霍爾傳感器的槽位9。

當電機旋轉時，轉子將與電機的長軸2一同旋轉，但此時轉子會受到來自于流動油液的阻力，轉子1的轉速將會有所下降，并將此阻力反作用于電機10上，電子也在轉子的影響下降低轉速，此時電機10另外一端連接的圓盤7轉速也隨之減緩，而在圓盤7一側預留四個半圓形的凹槽14所固定的磁鐵15隨著圓盤作同心圓運動，當磁鐵旋轉靠近安裝在外殼下內腔內壁上的霍爾傳感器時，霍爾傳感器感受到來自于磁鐵的磁力會發出一個低頻信號，并將低頻信號傳遞給電控單元，電控單元根據霍爾傳感器所傳輸的信號的頻率，按照已設定好的程序將此頻率轉換為粘度的表達方式，最終將此粘度數據顯示于電控板上的液晶顯示屏上。

經過借鑒、計算與比較，最終確定黏度傳感器的主要結構尺寸及主要部件參數分別如表1所示。

1.3 系統實現的技術困難及解決措施

（1）在油液環境下對傳感器內部電路進行保護的方法

為了使黏度傳感器內部電路能夠達到較好的密封效果，本文作者在保證傳感器電機轉軸與轉子剛性連接的同時，考慮到了電機軸承與轉軸孔的間隙問題，采用的間隙配合在極大程度上既保證了轉軸的正常運轉也保證了最大的密封性。

（2）在高溫環境下的準確測量

在發動機運行的過程中，潤滑油的溫度會受到發動機的溫度影響。因此，如何在高溫環境中確保黏度傳感器測量工作的正常進行和測量精度的準確。本文作者在設計該傳感器中采用了螺旋式固定裝置，在黏度傳感器的外殼處進行螺紋處理，使其安裝在發動機中能夠達到固定和密封的作用;在另一方面，螺旋的固定方式可以使黏度傳感器轉子在潤滑油中，而傳感器的大部分內部電路和外殼在潤滑油的外部環境中。

（3）最小尺寸設計

由于車用傳感器屬于MEMS傳感器系列產品，所以為了能夠盡可能的減少空間的浪費和具有一定的耐高溫耐腐蝕性，傳感器的外殼采用了玻纖材料和3D打印技術一次完成傳感器的外殼制作。而且其內部結構緊密，大部分元件采用了過盈配合從而節省了黏度傳感器大部分的內部空間并且不影響其測量的精度和工作效率。

2 黏度傳感器的初步校核

為了確保黏度傳感器的精度，在完成制造及調試后，首先對其進行初步校核。初步校核的方法是利用該裝置測量液體的粘度，測量結果與華南農業大學的試驗臺架測試數據進行對比分析[1]。

2.1 實驗的預處理

（1）分別采集使用了0公里（新潤滑油）、1250公里、2500公里、5000公里、7500公里、10000公里里程數的潤滑油（美孚一號，0W-40）進行試驗。

（2）分別將其放置入不同的燒杯中，并使潤滑油不超燒杯最大容量300ml的三分之二。

（3）在進行潤滑油黏度的測量時，需要先將使用不同里程數的汽車潤滑油分別進行靜置10到20min，然后進行一遍機械雜質的過濾。對潤滑油進行初步的處理后將其盛裝在不同的燒杯中進行保存，并且貼上不同的標簽和文字加以區別。

2.2 實驗測試

（1）取出盛有新潤滑油（0公里）的燒杯，將其置于室溫下，并利用攪拌電機對潤滑油進行不斷的攪拌，將制作好的黏度傳感器進行檢測，利用溫度傳感器測出其所處溫度，觀察控制單元顯示屏上的時間值，并做記錄。

（2）將加熱裝置準備好，對該潤滑油進行加溫，并且利用電機對潤滑油進行不斷的攪拌、利用水溫傳感器隨時監控潤滑油水溫上升情況，待溫度上升至120℃左右時，停止加熱。當溫度傳感器探測溫度顯示在120℃左右不變化時，利用黏度傳感器再次測量，并記錄相關的數值。

（3）在溫度下降的過程中，分別在溫度下降到110℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃再次利用制作的黏度傳感器進行測試，并記錄相關數值。

（4）將實驗過后的潤滑油進行冷卻降溫到室溫后，放回到指定位置。

（5）分別取出使用了1250公里、2500公里、5000公里、7500公里、10000公里的潤滑油再仿照步驟1到4進行分別的實驗并記錄相關的數據。

2.3 實驗數據

通過實驗測試，得到美孚一號機油樣品部分運動粘度數據與粘溫曲線圖，如表2所示。

由表2可以看出，發動機運轉過程中，隨著油溫的升高，潤滑油黏度會逐漸降低，當溫度超過一定限值，潤滑油的潤滑性能將失效。通過對比三種不同使用周期的美孚一號機油樣品，不難發現，隨著使用里程數的增加，機油的黏度會呈現下降趨勢，但是5000km與3000km的機油對比時，并沒有出現明顯的變化，這也說明，機油在5000km時，并沒有出現質變。通過對比廖中文利用自制的高速可視化剪切粘度測試儀[6]，得到的試驗結論是一致的。

3 結論

本論文通過對潤滑油黏度常見測量方法進行對比分析，確定關鍵影響因素，自行設計一款車用潤滑油黏度傳感器，通過校核，與現有設備測量結果一致。在實際應用中，可以

指導車主按質更換機油，具有一定的創新型和經濟價值。

參考文獻

[1] 王海林，廖中文，陸克久.聚合物稀溶液層流失穩試驗研究[J].機械科學與技術，2009，11（28）：1451-1455.

[2] J M Hammond，R M LecX J Zhang，et al.An Acoustic Automotive Engine Oil Quality Sensor[C]//IEEE International Frequency Con -trol Symposium，1997：72-80.

[3] B Jakoby， M Scherer， M Buskies， et al.An Automotive Engine Oil Viscosity Sensor[J]. IEEE Sensor Journal，2003，3（5）：562-568.

[4] Z Chao.A Micro-Acoustic Wave Sensor for Engine Oil Quality Moni -toring [C]//Proceeding of the 2003 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointly with the 17th Euro -pean Frequency and Time Forum，2003：971-977.

[5] D M G Preethichandra，K Shida.Actual Condition Monitoring of Engine Oil through an Intelligent Multi-Functional Sensing Appo -rach[C]// IEIE Explore，2000：2382-2387.

[6] 廖中文.高速可視化剪切黏度測試儀的研制及初步校核[J].潤滑與密封，2014，39（6）：116-120.