基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统。传感器包括支座，在支座一端的凹部内固定有三根极柱，在另一端的腔室内设有电路板，腔室由后盖封闭；以第一极柱、第二极柱为两极构成第一电容，以第三极柱与第二极柱为两极构成第二电容，以第二极柱作为公共极，将上述第一电容和第二电容并联在一起，构成差动式圆柱电容；差动式圆柱电容与电路板中高精度电容测量模块的接线端子用屏蔽导线连接。采用本发明专利技术传感器的监测系统能够检测电容传感器电容值的微小变化，从而反推油液介电常数的微小变化，进而对油液的污染度进行实时监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器及其监测系统，特别涉及一种基于介电常数测 量的在线油液监测传感器及其系统。
技术介绍
润滑油对于复杂机械设备的正常工作运转起着十分重要的作用， 油液分析技术是机械设备状态监测与故障诊断中的一项重要技术。油 液的污染度水平增加，预示着设备的使用状态及润滑油的性能将发生 劣化，特别是当油液污染度快速增长时，意味着机械必须停机，否则 将发生灾难性事故。油液污染度监测的方法很多，在线监测是近几年 来'机械故障诊断中油液分析技术的研究热点。囱内外各大公司及研究 机构研制了基于光纤法、电磁法、红外法、射线法、图像识别方法等 各种物理原理及方法的在线油液监测传感器。但是，这些在线油液监 测技术所采用的传感器，大多结构复杂、操作复杂、价格昂贵。尽管 也有利用油液介电常数变化的传感器来来监测的油液水分含量的技术，例如Kavlico公司开发了介电常数监测的油液水分含量传感器, 对水分含量进行半定量分析。美国Pall公司和美海航司令部也联合 研制了新型薄膜聚合体电容水分传感器，可直接测量油液中水分的相 对含量。但这种传感器不能对由于金属及非金属污染物导致油液污染 的程度进行监测。主要原因在于对于油液监测来说，水分与油的介电 常数差别很大，因此较为容易分辨；金属及非金属污染物与油液的介 电常数差别没有水与油液的差别那样大，因此需要更高灵敏度的介电常数敏感传感器以及更高精度的传感信号检测技术实现油液污染度 的在线检测。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术的目的是提供一种可以监测油液污染程度 的基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统。 为此，本专利技术采用如下技术方案本专利技术的基于介电常数测量的在线油液监测传感器，包括支座， 在支座一端的凹部内固定有三根极柱分别为第一极柱、第二极柱、第 三极柱，在另一端的腔室内设有电路板，腔室由后盖封闭；以第一极 柱、第二极柱为两极构成第一电容，以第三极柱与第二极柱为两极构 成第二电容，以第二极柱作为公共极，将上述第一电容和第二电容并 联在一起，构成差动式圆柱电容(也称差动式圆柱电容传感器)；差 动式圆柱电容与电路板连接。所述电路板包括高精度电容测量电路模块、测温晶极管、温度补 偿模块，所述差动式圆柱电容与高精度电容测量模块的接线端子用屏 蔽导线连接，测温晶体管电连接到温度补偿模块。本专利技术的基于介电常数测量的在线油液监测系统，主要由上述传 感器、微控制器、通信接口、主控计算机组成；高精度电容检测模块、 温度补偿模块与微控制器电连接，微控制器电连接到通信接口模块， 通信接口与主控计算机电连接。微小电容测量模块及温度补偿模块，用以检测并测量电容传感器 电容量微小的变化，电容测量模块对电容測量精度有着极高的要求， 采用微小电容测量模块实现微小电容变化量的测量；微控制器，控制微小电容测量模块的电容值测量、电容接入方式选择等功能的底层控制以及与主控计算机之间数据的传输；通信接口，实现微控制器控制模块与主控计算机之间双向通信。 主控计算机，实现友好的人机界面，用于在线油液监测器各类设 置参数的输入以及测量结果的实时显示。本专利技术是针对油液中电介质介电常数的变化，而设计的一种对敏 感电介质介电常数变化具有较高灵敏度的电容传感器。电每传感器作 为探头可直接安装在被测设备的油路中，让含有污染物的油液流经此 电容传感器，油液污染度的变化反映在油液介电常数的微小变化中， 而电容中的受污染油液介电常数的微小变化，反映为电容传感器电容 值的变化。由于油液中金属颗粒物一般都是微米级，小的几微米，大 的几十微米，这样的颗粒物所引起的电容量的变化是极其微小的，一 般只有皮法级。利用高精度、高分辨率的电容量测量电路及信号处理 系统，检测出电容量的相对变化，可以反推出介电常数的变化，从而 通过后续软件处理，建立电容值的微小变化与油液介电常数之间的映 射关系，进而对油液的污染度进行实时监测。本专利技术的特点在于通过监測油液介电常数的变化实現油液污染度的在线监测，传感器不仅能够用于测量相对介电常数比较大的油液 中水分的含量，而且由于采用了高精度、微小电容变化量检测模块及 信号处理系统，能够检测电容传感器电容值的微小变化，从而反推油 液介电常数的微小变化，进而对油液的污染度进行实时监测。本专利技术 对于提高复杂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。下面结合附图进一步说明本专利技术系统的技术方案。附图说明图1是本专利技术电容传感器的结构示意图。图2是本专利技术的在线油液监测系统原理框图。图3是电容传感器中差动式圆柱电容。图4是本专利技术中高精度电容检测模块原理框图。图5是本专利技术系统中主控计算机信号处理软件模块流程。图6是新油样中电容传感器单端模式测量结果图7是新油样中电容传感器差动模式测量结果图8是五种油样电容传感器电容值检测结果具体实施例方式见图1，基于介电常数测量的在线油液监测传感器，包括支座3, 在支座3 —端的凹部4内用螺纹连接固定有三根极柱1分别为第一极 柱101、第二极柱102、第三极柱103,在另一端的腔室5内用螺钉 固定有电路板4，所述电路板4包括高精度电容测量电路模块、测温 晶极管、温度补偿电路，腔室4由后盖6封闭；以第一极柱101、第 二极柱102为两极构成第一电容d，以第三极柱103与第二极柱102 为两极构成第二电容C2,以第二极柱102作为公共极，将上述第一 电容G和第二电容C2并联在一起，构成差动式圆柱电容(差动式圆 柱电容传感器)；差动式圆柱电容与高精度电容测量模块的接线端子 用屏蔽导线连接，测温晶体管电连接到温度补偿模块。这种方式不但 安装简单方便，各个极柱的位置精度易于保证，还可以起到縮短连接导线的作用。本专利技术的基于介电常数测量的在线油液监测系统如图2所示，主 要由本专利技术传感器中的差动式圆柱电容、高精度电容检测模块、测温 晶体管、温度补偿模块、及微控制器、通信接口、主控计算机组成；系统具体连接如下含有污染物的油液流经此差动式圆柱电容，油液污染度的变化表 现为电容传感器电容值的变化。差动式圆柱电容通过输屏蔽导线连接 到高精度电容测量模块，高精度电容测量模块负责测量差动式圆柱电 容的电容值微小变化，测量精度可以达到4fF。高精度电容测量模块与微控制器的I2C接口连接，微控制器通过I2C总线实现对高精度电容测量模块的复位、启动、停止、单端电容模式与差动电容模式切换 等行为的控制，并接收高精度电容测量模块的电容检测数据。由于温 度的变化会引起油液介电常数的微小变化，导致电容传感器电容值的 微小变化，因此需要通过测量油液温度对差动式圆柱电容的测量值进 行温度补偿。测温晶体管安装固定在油路中，测温晶体管连接到温度 补偿模块，温度的变化反映为晶体管结电压的变化，温度补偿模块通过检测测温晶体管的结电压得到实际的油液温度，测温范围-35~125 。C，精度土1'C。温度补偿模块连接到微控制器，微控制器通过I2C 总线实现对温度补偿模块的控制，并接收温度补偿模块测量得到的油 液温度数据，用于对差动式圆柱电容的电容值实施温度补偿a微控制 器连接到通信接口，通信接口与主控计算机连接。主控计算机通过通 信接口与微控制器的通信，实现各类在线控制监测命令的发送、测量 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于介电常数测量的在线油液监测传感器，包括支座，其特征是在支座一端的凹部内固定有三根极柱分别为第一极柱、第二极柱、第三极柱，在另一端的腔室内设有电路板，腔室由后盖封闭；以第一极柱、第二极柱为两极构成第一电容，以第三极柱与第二极柱为两极构成第二电容，以第二极柱作为公共极，将上述第一电容和第二电容并联在一起，构成差动式圆柱电容；差动式圆柱电容与电路板连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：温熙森，杨拥民，杨定新，胡政，李岳，张晓飞，宋立军，宋建华，陈仲生，葛哲学，徐永成，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]