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技术领域

本实用新型涉及车辆技术领域，具体的说是一种多传感器信息融合的机油品质在线监 测系统。

背景技术

据统计，汽车机油在汽车的使用成本中占不到千分之一，但对汽车的寿命影响却远大于 10％，合理润滑能够降低车辆维修成本的25％。机油在使用一段时间后，由于外界杂质的 混入以及机油自身的氧化、分解和凝聚等原因，其品质发生变化，润滑性能下降，造成零 部件磨损加剧，发动机动力性能下降，严重时导致车辆发生严重故障。因此，对在用机油 品质的监测是十分必要的，这样可以确定机油合理的更换时间，减少因机油变质引起的故 障或由于机油没到寿命期而更换造成的资源浪费。

当前国内大部分用户对车用机油仍沿用“观察换油”或“按期换油”的传统模式，即凭经验 观察和主观判断或按照润滑油使用周期来确定换油时刻。另外，就是离线取样的油液监测 分析方法，即按标准规定的方式及取样间隔时间进行机油样品的采集，而后将采集的机油 样品送达专业的检测部门，由部门专业人员对其进行分析。然而，离线取样分析需要使用 昂贵的精密仪器，并且有很大的局限性、时效性以及取样油液是否具有代表性的问题。这 样，不但没有真正及时地发现问题，同时也消耗了大批人力和物力。

近年来，汽车机油的在线监测技术越来越多地引起人们的关注，公布号： CN203374340U，名称：一种发动机机油报警装置的中国专利，采用粘度和温度传感器分别 监测机油的粘度和温度的变化，但不能检测金属磨粒的含量和机油的综合品质变化，监测 结果缺乏准确性。公告号：CN2554632Y，名称：智能油品质量监测仪的中国专利，由不同 的传感器分别监测机油的粘度、温度和介电常数，通过信息融合技术得到机油的综合品质， 但由于其采用高频率振荡测量电路易产生高频率的磁场，从而对电容传感器的测量精度造 成很大的影响。公布号：CN10283085A，名称：发动机机油的性能检测装置的中国专利， 通过电容传感器和红外传感器监测机油的粘度、水分、酸值和金属粒子含量等参数，最后 通过显示装置反馈给用户。上述涉及的装置对机油粘度监测时，都没有满足国标 GBT8028-2010规定的100℃的测试温度要求，测量原理存在缺陷，机油粘度的测量结果有 很大误差。

发明内容

本实用新型提供了一种结构简单，可以在标准环境(标准温度、标准压力)下在线实 时监测在用机油的粘度、金属粒子含量以及酸碱度、水分含量等综合品质变化的机油在线 监测系统，并采用多传感器信息融合技术，综合分析油品状态，判断机油污染程度，并通 过显示器显示出油品状态信息，必要时发出提示及预警信号的机油品质在线监测系统。

本实用新型技术方案结合附图说明如下：

一种多传感器信息融合的机油品质在线监测系统，该系统安装于汽车发动机润滑油路 机油泵1的下游，包括测试油路控制阀2、金属磨粒检测装置3、综合品质检测装置5、粘 度检测装置、机油冷却装置17、数据处理模块18、测控主机19和人机对话模块；其中所 述的测试油路控制阀2通过油路依次与金属磨粒检测装置3、综合品质检测装置4、粘度检 测装置、机油冷却装置17连接；所述的金属磨粒检测装置3、综合品质检测装置5、粘度 检测装置中的液位传感器8、油浴温度传感器9、取样温度传感器10、压力传感器(14)、 平衡流量传感器15与数据处理模块18电连接；数据处理模块18与测控主机19的输入端 口电连接；测控主机19的输出端与人机对话模块和测试油路控制阀2电连接；所述的金属 磨粒检测装置3外设置有第一屏蔽装置4、综合品质检测装置5外设有第二屏蔽装置6；所 述的人机对话模块包括预警装置20和显示器21。

所述的测试油路控制阀2安装在与主油路22并联的支路上，其下游一端通入机油取样 装置17；所述的机油冷却装置17下游通入油底壳23。

所述的金属磨粒检测装置3采用双线圈式电感传感器，其结构由感应线圈L1、参考线 圈L2、电阻R1和电阻R2构成；其中所述的感应线圈L1与电阻R1串联，参考线圈L2与电 阻R2串联，将上述两条线路并联后接到激励源两端；感应线圈L1内饶有待测油路，电阻 R1和电阻R2为电桥的平衡臂。

所述的综合品质检测装置5采用介电常数传感器，其结构由一个内外半径分别为r和 R的圆管25与紧贴该圆管25外壁的两半圆弧形电极26组成，圆管25的材料为聚全氟乙 丙烯，电极26的材料为金属铜。

所述的第一屏蔽装置4和第二屏蔽装置6均采用具有高电导率和低磁导率的金属铝屏 蔽外壳。

所述的粘度检测装置还包括机油取样装置12、恒温油浴箱11、加热器7、恒流泵13以 及压力控制阀16；其中所述加热器7、油浴温度传感器9和机油取样装置12设置在恒温油 浴箱11内，所述的液位传感器8和取样温度传感器10设置在机油取样装置12内；所述的 恒流泵13的上游通入机油取样装置12；所述的恒流泵13按着机油传输的方向通过油路依 次与压力传感器14、平衡流量传感器15和压力控制阀16相连；所述的液位传感器8、油 浴温度传感器9、取样温度传感器10、压力传感器14、平衡流量传感器15通过数据处理模 块18与测控主机19输入端口相连；所述的恒流泵13、加热器7和压力控制阀(16)通过 数据处理模块18与测控主机19输出端口相连。

本实用新型的有益效果为：(1)本实用新型采用多传感器对机油的多项指标进行测量， 通过信息融合技术对机油品质进行综合评价；(2)本实用新型对金属粒子检测装置和综合 品质检测装置加装屏蔽装置，屏蔽掉磁场和电场对传感器的干扰，降低测量误差；(3)本 实用新型能营造出换油标准中规定的100℃的温度环境，在这个环境下对机油粘度进行测 量，提高了机油粘度的检测精度。通过数据处理模块将监测到的信息进行处理后传递给 STM32测控主机，最后由显示器和预警装置反馈给用户。

附图说明

图1为本实用新型多传感器信息融合的机油品质在线监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型多传感器信息融合的机油品质在线监测系统介电常数传感器横截面示意 图；

图3为本实用新型多传感器信息融合的机油品质在线监测系统金属粒子检测装置检测原理 电路图；

图4为本实用新型多传感器信息融合的机油品质在线监测系统的多传感器信息融合结构图；

图5为本实用新型多传感器信息融合的机油品质在线监测系统的监测方法的工作流程图。

图中，1、机油泵；2、测试油路控制阀；3、金属磨粒检测装置；4、第一屏蔽装置；5、综 合品质检测装置；6、第二屏蔽装置；7、加热器；8、液位传感器；9、油浴温度传感器； 10、取样温度传感器；11、恒温油浴箱；12、机油取样装置；13、恒流泵；14、压力传感 器；15、平衡流量传感器；16、压力控制阀；17、机油冷却装置；18、数据处理模块；19、 测控主机；20、预警装置；21、显示器；22、主油路；23、油底壳；24、集滤器；25、圆 管；26、电极。

具体实施方式

参阅图1，一种多传感器信息融合的机油品质在线监测系统，该系统安装于汽车发动机 润滑油路机油泵1的下游；包括测试油路控制阀2、金属磨粒检测装置3、综合品质检测装 置5、粘度检测装置、机油冷却装置17、数据处理模块18、测控主机19和人机对话模块； 其中所述的测试油路控制阀2通过油路依次与金属磨粒检测装置3、综合品质检测装置4、 粘度检测装置、机油冷却装置17连接；所述的金属磨粒检测装置3、综合品质检测装置5、 粘度检测装置中的液位传感器8、油浴温度传感器9、取样温度传感器10、压力传感器(14)、 平衡流量传感器15与数据处理模块18电连接；数据处理模块18与测控主机19的输入端 口电连接；测控主机19的输出端与人机对话模块和测试油路控制阀2电连接；所述的金属 磨粒检测装置3外设置有第一屏蔽装置4、综合品质检测装置5外设有第二屏蔽装置6；所 述的人机对话模块包括预警装置20和显示器21。

测控主机19选择型号STM32。

所述的测试油路控制阀2安装在与主油路22并联的支路上，其下游一端通入机油取样 装置17，由测试油路控制阀2控制该条支路的通断；所述的机油冷却装置17下游通入油底 壳23。

参阅图3，所述的金属磨粒检测装置3用来检测机油中金属粒子含量，采用双线圈式电 感传感器，其结构由感应线圈L1、参考线圈L2、电阻R1和电阻R2构成；其中所述的感应 线圈L1与电阻R1串联，参考线圈L2与电阻R2串联，将上述两条线路并联后接到激励源 两端；感应线圈L1内饶有待测油路，电阻R1和电阻R2为电桥的平衡臂。

其检测原理是：由于电磁感应的作用，金属磨粒通过电感式螺旋线圈的磁场时会引起 线圈磁导率的变化，从而使其电感量发生变化，进而引起感应线圈的感应信号变化，变化 幅度与金属磨粒的总体积有关，由此来确定通过螺旋线圈的金属磨粒的含量，经过数据处 理模块18输送至测控主机19。当待测油路无金属粒子流过时，输出电动势e为零；因此， 当待测油路内有金属粒子流过时，感应线圈L1的电感将发生变化，导致输出电动势e发生 变化。

参阅图1，设有用于屏蔽外部信号的第二屏蔽装置，其材料采用高电导率和低磁导率的 金属铝，以达到对高频磁场及低频电场的屏蔽目的。

参阅图2，所述的综合品质检测装置5用来检测机油的综合品质，例如：酸碱度、水分 含量、铁含量等，采用介电常数传感器，其结构由一个内外半径分别为r和R的圆管25与 紧贴该圆管25外壁的两半圆弧形电极26组成，两半圆弧极板内表面形成电容器，使用时 机油通过圆管内腔流过。这种传感器结构具有以下优点：一是圆筒形的结构极易与油路管 道直接连接，安装简单，便与实现在线监测；二是圆管将机油和极板隔开，机油不会与金 属极板接触，减小了对极板的腐蚀作用；最后，由于机油与非金属管壁的弱亲附力，在一 定主油道内的油压、流速作用下，沉积于管内的油膜和沉积物易于被冲洗，防止了传统介 电常数传感器中沉积物附着在极板上影响测量灵敏度的弊端。

圆管25的材料为聚全氟乙丙烯(FEP)，聚全氟乙丙烯具有下列特性：①加工方便性： 可熔融加工，制作方便；②耐高低温性：对温度的影响变化不大，温域范围广，长期使用 温度为-195℃～200℃；③耐腐蚀：聚全氟乙丙烯几乎不受任何化学试剂腐蚀；④低渗透性： 气体和液体通过聚全氟乙丙烯的渗透性极低；⑤高润滑性：具有塑料中最小的磨擦系数 (0.04)；⑥表面不粘性：已知的固体材料都不能粘附在表面上，是一种表面能最小的固体 材料；聚四氟乙烯的以上特性，完全满足介电常数传感器对管壁的要求。

电极26的材料为金属铜，因为金属铜具有良好的加工工艺、成本低、温度系数低、韧 性好、耐磨损等优点。

综合品质检测装置5外部设有用于屏蔽外部信号的第二屏蔽装置，其材料采用高电导 率和低磁导率的金属铝，以达到对高频磁场及低频电场的屏蔽目的。

其检测原理是：机油变质时，部分碳氢化合物被氧化，其分子极性发生变化。例如： 有水进入后，产生OH^－和H⁺离子；渗入有机酸，会产生RCOO^－和H⁺离子；进入金属粒子， 就会有自由电子产生。当含有极化分子的机油流经介电常数传感器时，介电常数传感器的 电容值增加ε_r倍。通过测量电容的变化量，就可以反映出其中电介质的介电常数ε_r的变化情 况。因此当以机油作为介电常数传感器的电介质时，通过测量ε_r的变化，可以反映机油的劣 化程度。

参阅图1，所述的粘度检测装置包括机油取样装置12、恒温油浴箱11、加热器7、恒 流泵13、液位传感器8、油浴温度传感器9、取样温度传感器10、压力传感器14、平衡流 量传感器15及压力控制阀16；其中所述加热器7、油浴温度传感器9和机油取样装置12 设置在恒温油浴箱11内，所述的液位传感器8和取样温度传感器10设置在机油取样装置 12内；所述的恒流泵13的上游通入机油取样装置12；所述的恒流泵13按着机油传输的方 向通过油路依次与压力传感器14、平衡流量传感器15和压力控制阀16相连；所述的液位 传感器8、油浴温度传感器9、取样温度传感器10、压力传感器14、平衡流量传感器15通 过数据处理模块18与测控主机19输入端口相连；所述的恒流泵13、加热器7和压力控制 阀(16)通过数据处理模块18与测控主机19输出端口相连。其中，恒温油浴箱11将机油 取样装置12内的机油加热到100℃，营造出标准温度的环境；随后恒流泵13运转，压力控 制阀16开始工作，在恒流泵13与压力控制阀16的作用下，营造出一个标准大气压的机油 环境(模拟发动机机油实际工作压力环境)，位于恒流泵13、压力控制阀16之间的压力传 感器14实时监测机油压力，使其保持在标准大气压下。

机油冷却装置沿着供油管路安装在压力控制阀下游，用于将取样的机油适当冷却后流回 油底壳。

参阅图4，一种多传感器信息融合的机油品质在线监测系统的监测方法，具体步骤如下：

步骤一、金属磨粒含量、综合品质检测及取样：首先，机油取样装置12内没有机油， 液位传感器8检测到机油取样装置内的液面高度小于最低值，并将此信息通过数据处理模 块18处理后输送至测控主机19，测控主机19控制测试油路控制阀2开启(此时恒流泵13 不工作)，机油泵1将油底壳23中的机油经过集滤器24的初步过滤后向支路的下游输送， 当机油流过金属磨粒检测装置3时，双线圈式电感传感器通过感应线圈与参考线圈之间电 感量变化的差值来检测流过感应线圈的金属磨粒含量，并将检测到的信号通过数据处理模 块18处理后输送至测控主机19，测控主机19计算得到金属粒子的含量；机油接着流经综 合品质检测装置5，这时，管状电容传感器通过检测流过极板间机油的介电常数值来判断机 油的综合品质(酸碱度、水分含量、铁含量等)，并将检测到的信号通过数据处理模块18 处理后传递给测控主机19，测控主机19计算得到机油的综合品质。机油流经金属磨粒检测 装置3及综合品质检测装置5后，沿着油路被输送到机油取样装置12中，当液位传感器8 检测到机油取样装置12内的液面高度达到最大值时，测控主机19控制测试油路控制阀2 关闭，取样过程结束。

步骤二、营造标准温度：取样过程结束后，加热器7开始工作。位于恒温油浴箱11中 的油浴温度传感器9实时监测油浴温度，位于机油取样装置12中的取样温度传感器10实 时监测机油样油温度，此时将出现两种可能性。第一种可能性：油浴温度尚未达到150℃， 而机油样油温度已经达到100℃，这时，取样温度传感器10将采集到的机油样油温度信号 经由数据处理模块18输送到测控主机19，测控主机19识别到此温度信号达到阈值后，控 制加热器7停止工作；第二种可能性：当油浴温度达到150℃，而机油样油温度未达100℃， 为防止继续加热导致二甲基硅油汽化或闪燃，此时油浴温度传感器9将采集到的油浴温度 信号经由数据处理模块18输送到测控主机19，测控主机19识别到此温度信号达到阈值后， 控制加热器7停止工作，此时，150℃的油浴将对尚未达到100℃的机油样油进行加热，直 到取样温度传感器10检测到机油样油温度达到100℃。

步骤三、模拟工作压力：当取样温度传感器10检测到机油样油温度达到100℃时， STM32测控主机19控制恒流泵13以及压力控制阀16开始工作，恒流泵13将机油取样装 置12里的100℃的机油样油向下游输送。由于恒流泵13和压力控制阀16的作用，其间 管路内的机油被控制在标准大气压下，压力传感器14监测管路内机油压力，实时反馈给测 控主机19，一旦油压不稳定，测控主机19可通过控制恒流泵13和压力控制阀16来调节管 路内的油压，使机油保持在标准大气压下。

步骤四、机油粘度检测：当机油流经平衡流量传感器15时，平衡流量传感器15检测 机油流量信号，并将此信号经过数据处理模块18处理后输送至测控主机19，测控主机19 根据关系模型式：

v(x)＝-0.002x³+1.0769x²-203.22x+14210计算出机油的运动粘度值，

其中，v为在用机油的运动粘度值，x为机油流量；

并根据计算公式：

进一步得到机油的运动粘度变化率。其中vi为在用机油的运动粘 度值，通过公式V(x)求得；V₀为新油的运动粘度值，为已知量；η为机油的运动粘度变 化率，并与现有标准进行分析比较，判定是否合格；

步骤五、冷却回流：机油流经机油冷却装置17，进行冷却后流回油底壳23；

步骤六、信息融合：由于人工智能神经网络能够充分逼近任意复杂非线性关系，容错 性好，测控主机19将存储的标准状态下机油粘度信息、金属粒子含量信息、综合品质信息 通过BP网络算法进行数据融合，由于本系统均是在标准温度(100℃)下检测机油粘度， 不存在对机油粘度的温度补偿以及非线性校正的问题，因此采用一级BP融合算法即可，从 多信息角度对油品状态做出判断和分类，并与检测标准进行比较，得出机油目前的状态。

参阅图4，BP算法的核心思想是：将输出误差以某种形式通过隐含层向输入层逐层反 传，将误差分摊给各层的所有单元，以修正各单元的权值，也就是一种“信号的正向传播”、 “误差的反向传播”过程，信号的正向传播过程为：输入样本—>输入层—>各隐含层—> 输出层；误差的反向传播过程为：误差以某种形式在各层表示，修正各层单元权值，直到 网络输出的误差减少到可接受的程度为止。在系统使用之前，需要采用MATLAB神经网络 工具箱对样本数据进行训练；

步骤七、显示、预警：测控主机19对机油目前的状态做出判断后，通过显示器输出判 断结果(正常、轻微污染、严重污染和报废)，当判断结果为严重污染或报废时，预警装置 将发出换油警报。

本实用新型可以在标准环境(标准温度、标准压力)下在线实时监测在用机油的粘度、 金属粒子含量以及酸碱度、水分含量等综合品质变化的机油在线监测系统，并采用多传感 器信息融合技术，综合分析油品状态，判断机油污染程度，并通过显示器显示出油品状态 信息，必要时发出提示及预警信号。