CN118961823A - 一种油液传感器及一种全流量在线油液特性监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油液传感器技术领域，涉及一种油液传感器及一种全流量在线油液特性监测方法，油液传感器包括绝缘管、左环形静电感应电极、弧形电极、右环形静电感应电极；绝缘管水平放置，且平行于左右方向；弧形电极和左、右环形静电感应电极均依次间隔套在绝缘管上；监测方法为：将油液传感器安装于机械润滑系统循环回路的主油路上，控制机械润滑系统循环回路的油液全部从油液传感器的绝缘管中流过，同时给弧形电极施加初始激励电压后，对信号采集模块采集到的信号进行处理，即得油液特性。本发明可基于静电感应效应获得油液磨粒特性，并基于边缘电场效应获得油液温度的变化值，使油液磨粒特性监测更准确，同时实时测量油液的含水量。
Description
技术领域
本发明属于油液传感器技术领域，涉及一种油液传感器及一种全流量在线油液特性监测方法。
背景技术
机械润滑系统旨在润滑和冷却机械系统中的相对运动部件，确保系统稳定运行。然而，长时间工作后，摩擦和磨损产生的磨粒可能引发设备故障。因此，通过实时在线监测润滑油回路中的磨粒，能够及时发现机械设备的磨损状态，预防故障发生。
当前机械系统中的部件材料日益多样化，如陶瓷等新型非金属材料的应用日益广泛。遗憾的是，常用的电磁感应传感器在监测这些非金属材料方面存在局限，例如，专利CN201837574U公开的基于磁导率的风力发电在线油液分析装置，虽然能够监测铁磁性磨粒，但无法监测陶瓷等非金属材料。不仅如此，现有的油液传感器大多也仅针对油液中的某一特定特征进行监测，如金属磨粒或水含量等等。现有技术中的这些传感器由于功能的单一性在一定程度上限制了其应用范围。
为了克服这些局限性，开发出一种能够同时监测油液磨粒特性和含水量等油液特性的油液传感器显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种油液传感器及一种全流量在线油液特性监测方法。
为达到上述目的，本发明采用的方案如下：
一种油液传感器，包括绝缘管、左环形静电感应电极、弧形电极、右环形静电感应电极、信号调理模块和信号采集模块；
绝缘管水平放置，且平行于左右方向；
左环形静电感应电极、弧形电极、右环形静电感应电极均套在绝缘管上，且自左向右依次间距排列；
左环形静电感应电极和右环形静电感应电极同时与信号调理模块连接，信号调理模块用于对左环形静电感应电极和右环形静电感应电极上的信号进行信号调理；
信号采集模块用于采集信号调理模块输出的信号。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种油液传感器，还包括金属屏蔽罩、左密封圈和右密封圈；金属屏蔽罩套在绝缘管上，且通过左密封圈和右密封圈与绝缘管密封连接；左环形静电感应电极、弧形电极、右环形静电感应电极均位于金属屏蔽罩内，金属屏蔽罩起到防电磁干扰与机械保护作用。
如上所述的一种油液传感器，油液传感器沿左右方向的长度为56-70mm，油液传感器的最大外径为20-32mm，绝缘管的外径为8-20mm，绝缘管的壁厚为2mm，金属屏蔽罩的壁厚为4mm，弧形电极的弧度为π/2rad，左环形静电感应电极、弧形电极、右环形静电感应电极的外径均为12-24mm，左环形静电感应电极沿左右方向的长度为6-24mm，弧形电极与左环形静电感应电极和右环形静电感应电极的间距均为3-6mm。
如上所述的一种油液传感器，绝缘管为PTFE材质，PTFE因其具有极好的电绝缘性、化学稳定性以及耐温和频率范围广的特有性质。
如上任一项所述的一种油液传感器，信号调理模块由边缘电容检测电路和电荷放大器电路构成；信号采集模块由数据采集卡或集成化的AD/DA转换模块构成。
如上所述的一种油液传感器，左环形静电感应电极、弧形电极、右环形静电感应电极沿左右方向的长度均相同。
本发明还提供采用如上所述的一种油液传感器的一种全流量在线油液特性监测方法，将油液传感器安装于机械润滑系统循环回路的主油路上，控制机械润滑系统循环回路的油液全部从油液传感器的绝缘管中流过，同时给弧形电极施加初始激励电压后，对信号采集模块采集到的信号进行处理，即得油液特性；
其中，油液传感器中的左环形静电感应电极或右环形静电感应电极与磨粒共同构成静电感应传感器，油液传感器中的左环形静电感应电极或右环形静电感应电极与弧形电极共同构成边缘电场传感器，左环形静电感应电极上的信号为边缘电容信号a和静电感应信号c，右环形静电感应电极上的信号为边缘电容信号b和静电感应信号d；
信号调理模块利用边缘电容检测电路对边缘电容信号a和边缘电容信号b进行“电容-电压”的信号转化和放大处理，得到电压信号e，同时利用电荷放大器电路对静电感应信号c和静电感应信号d进行“电荷-电压”的信号转化和放大处理，得到电压信号f。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种全流量在线油液特性监测方法，油液特性包括磨粒特性以及油液进入绝缘管前后油液温度的变化值，油液进入绝缘管前后油液温度的变化值的计算公式如下：
式中，Δt代表单位为℃的油液进入绝缘管前后油液温度的变化值，C21代表单位为pf的边缘电容信号a的数值，C22代表单位为pf的边缘电容信号b的数值，L代表单位为mm的左环形静电感应电极沿左右方向的长度的数值，θ代表单位为rad的弧形电极的弧度的数值，γ代表边缘比例系数(无单位，其值可通过查找文献“赵俊明,王文廉.边缘电场传感器测量金属衬底绝缘层厚度[J].传感器技术学报,2018,31(11):1657-1661.”获得)，εt0代表在油液进入绝缘管前的油液温度下的油液介电常数(无单位，其值是根据具体实验温度和具体使用的油液种类而定的，是属性值)，αε代表介电常数的温度系数(无单位，其值可通过查找文献“韩婷婷.基于介电常数的电容式油品传感器设计[D].南京:南京理工大学,2015.”获得)；
上述公式计算时，只代入数值，不代入单位。
获取油液温度的变化值有利于提高获取磨粒特性的准确性；
磨粒特性包括磨粒等效直径数值、磨粒材料类型等等；现有技术获取磨粒等效直径数值的方法一般步骤为：(a)向静电感应传感器中通入磨粒等效直径已知的油液，得到电压信号f的电压数值，重复该步骤，得到不同磨粒等效直径对应的电压信号f的电压数值；(b)向静电感应传感器中通入磨粒等效直径未知的油液，得到电压信号f的电压数值，将其与步骤(a)得到的电压信号f的电压数值进行比较，与其最相似的电压信号f的电压数值对应的磨粒等效直径即为该油液的磨粒等效直径；现有技术获取磨粒材料类型的方法一般步骤为：(a)向静电感应传感器中通入磨粒材料类型已知的油液，得到电压信号f的波形，重复该步骤，得到不同磨粒材料类型对应的电压信号f的波形；(b)向静电感应传感器中通入磨粒材料类型未知的油液，得到电压信号f的波形，将其与步骤(a)得到的电压信号f的波形进行比较，与其最相似的电压信号f的波形对应的磨粒材料类型即为该油液的磨粒材料类型。
然而油液温度的变化会对静电感应传感器的监测精度产生一定的影响：静电感应传感器的工作原理涉及物体表面的电荷分布，温度变化可以影响物体表面的电荷分布情况，从而影响传感器的灵敏度和稳定性；温度变化还会影响物体的电气特性，例如电导率和介电常数，这些特性变化可能会影响静电感应传感器与被测物体之间的电荷交换，从而影响传感器的监测精度。
采用本发明的方法获取油液温度的变化值后，通过实验或者查找文献资料获得“油液温度变化对静电感应传感器监测影响”的具体对应关系后，将该影响信号从电压信号f中去除，获得更真实的输出电压数据，有利于进一步的分析和处理，准确获取磨粒特性。
现有技术公开了很多测温方法，最典型的就是用各类温度传感器直接测温，将油液温度的变化值直接转为电压变化进行显示分析。然而本发明涉及的静电感应传感器本身尺寸小巧，不适合再多添加仅用于测温的温度传感器，本发明通过将静电感应传感器与边缘电场传感器耦合，解决了现有技术难以测得尺寸小巧的静电感应传感器的油液温度的变化值的难题。
如上所述的一种全流量在线油液特性监测方法，油液特性包括油液的含水量，处理过程为：首先根据电压信号e获取油液进入绝缘管前后由水分和流经电极的磨粒共同带来的介电常数的变化值A，根据电压信号f获取油液进入绝缘管前后由流经电极的磨粒带来的介电常数的变化值B，然后将介电常数的变化值A减去介电常数的变化值B得到油液进入绝缘管前后由水分带来的介电常数的变化值C，最后根据介电常数的变化值C通过查找资料(文献“张勇,孙震宇,薛程雄,等.基于介电常数法的润滑油水含量测量装置设计[J].中国测试,2020,46(4):86-90.”)获取油液的含水量。
目前油液的含水量的在线监测方法主要可以分为微波法、射线法和介电常数法。
微波法是通过施加电磁波在润滑油液中来辨别水分的方法，由于水属于导电介质，会在电磁波环境中产生感应电流，只要测量不同含水量下的感应电流，便可通过计算机实时计算得出实际的含水量；
射线法的原理是γ射线穿过润滑油和水分时的衰减程度不同，理论上γ射线穿过不同含水量的油液时会产生不同程度的衰减，通过分析标定接收到的伽马射线便可以推算出润滑油含水量；
电容传感器应用的介电常数法是最为广泛使用的一种水分在线监测方法，根据被测物介电常数变化引起电容值变化这一原理来实现的，即不同含水量对应不同的介电常数，不同介电常数对应不同电容值，因此根据被测电容值可以推导出含水量。
本发明的含水量在线监测方法是在现有的电容传感器检测含水量原理的基础上，结合本发明这种的复合传感器情况所应用的方法，在本发明中边缘电场传感器获得介质的介电常数的变化值主要由三部分因素引起：油液中本身存在的水分、流经电极的磨粒和油液温度变化，对于油液温度变化对介质的介电常数影响已分析，这里可以仅考虑油液磨粒和水分因素，通过静电感应传感器应用静电感应原理对磨粒进行监测，将流经电极的磨粒对介电常数的影响剔除，实现油液中含水量的监测。
发明机理：
本发明的油液传感器相当于将静电感应传感器与边缘电场传感器进行耦合；
如图3所示，静电感应传感器由流经电极的磨粒(激励电荷)和接收极板(左环形静电感应电极和右环形静电感应电极)构成，磨粒在流经接收极板时，由于电荷间的相互作用，会使接收极板内部的电荷重新分布，异种电荷被吸引到靠近磨粒的一侧，而同种电荷被排斥到远离磨粒的另一侧，所以会在接收极板表面产生一定的感应电荷(静电感应信号)；
如图2所示，边缘电场传感器由施加初始激励电压的激励极板(弧形电极)和接收极板(左环形静电感应电极和右环形静电感应电极)构成，类比传统电容传感器在上下对放的极板间产生电场的原理，边缘电场传感器会在激励极板与接收极板间会产生静电场，电力线分布呈现出放射状，同时类比传统电容传感器，边缘电场传感器会在接收极板表面产生一定的感应电荷(边缘电容信号)；
耦合是指边缘电场效应与静电感应效应一起耦合作用，左环形静电感应电极和右环形静电感应电极既作为静电感应传感器的组成部分，又作为边缘电场传感器的组成部分，左环形静电感应电极和右环形静电感应电极所输出信号既包含边缘电容信号，又包含静电感应信号；
耦合也是指在利用静电感应传感器获得磨粒特性的基础上，能够同时利用边缘电场传感器获取油液温度的变化值和含水量，实现了多维数据的同步获取，进一步地，可将油液温度变化给静电感应传感器监测磨粒特性带来的影响降低甚至剔除，从而提高了获取磨粒特性的准确性，这不仅仅是将静电感应传感器和边缘电场传感器各自单一的效果叠加在一起，更是优化了本身静电感应传感器的监测准确性，同时通过耦合一个边缘电场传感器在一定程度上可将两个静电感应传感器(激励电荷、左环形静电感应电极组成一个静电感应传感器，激励电荷、右环形静电感应电极组成另一个静电感应传感器)的感应信号隔离开，减少相互干扰的影响。
利用边缘电场传感器获取油液温度的变化值的原理如下：
当传统电容的上下对放式平行极板被放置在同一侧后，激励极板与接收极板间会产生静电场，这使得边缘处的电场分布不均匀，造成电容的边缘电场效应；本发明的边缘电场传感器为三块电极(左环形静电感应电极、右环形静电感应电极、弧形电极)的复合型传感器，每相邻的两块电极之间就存在一定的边缘电场效应，如图2所示，电力线分布呈现出放射状，电场主要集中在激励极板和接收极板之间，这种边缘电场效应相当于在传感器的电容里并联了一个电容，对应的等效电路如图4所示；
因此，本发明的边缘电场传感器相当于由五个电容(弧形电极与左环形静电感应电极构成一个边缘电容，弧形电极与右环形静电感应电极构成一个边缘电容，弧形电极与滑油层构成一个平行板电容，左环形静电感应电极与滑油层构成一个平行板电容，右环形静电感应电极与滑油层构成一个平行板电容)组成，其中C21和C22分别代表单位为pf的两个边缘电容信号的数值，C11、C12、C13分别代表单位为pf的三个平行板电容信号的数值，对于C21和C22而言，可以用下式表示：
其中，ε0代表真空介电常数(无单位)，ε1和ε2代表边缘电场对应的相对复合介电常数(无单位)，γ代表边缘比例系数(无单位)，L代表单位为mm的左环形静电感应电极沿左右方向的长度的数值，θ代表单位为rad的弧形电极的弧度的数值(如图5所示)；
边缘电场传感器测得的电容信号的数值可以在一定程度上反映不同温度下被测物体的介质分布情况。当磨粒经过电极时，会改变电极之间的边缘电场，即改变C21和C22，因此边缘电场对应的相对复合介电常数ε1和ε2也随之改变，而介质的介电常数与油液温度存在一定关系，以油为例，εt＝εt0(1+αεΔt)，式中，εt0代表在油液进入绝缘管前的油液温度下的油液介电常数(无单位)，εt代表在油液进入绝缘管后的油液温度下的油液介电常数(无单位)，Δt代表单位为℃的油液进入绝缘管前后油液温度的变化值，αε代表介电常数的温度系数(无单位)，因此通过C21和C22的变化可得到相对复合介电常数ε1和ε2的变化，再通过相对复合介电常数ε1和ε2的变化即可获得油液温度的变化值Δt，推导过程如下：
由于因此可推知
设εt1为弧形电极与左环形静电感应电极构成的边缘电场对应的相对复合介电常数，εt2为弧形电极与右环形静电感应电极构成的边缘电场对应的相对复合介电常数，由介电常数的定义可知εt1＝ε0ε1，εt2＝ε0ε2，且εt1＝εt0(1+αεΔt1)，εt2＝εt0(1+αεΔt2)，因此：
利用边缘电场传感器获取含水量的原理为：边缘电场传感器获得的介质的介电常数的变化值主要由三部分因素引起：流经电极的磨粒、油液中本身存在的水分和油液温度变化，对于油液温度变化对介质的介电常数影响已分析，这里可以仅考虑油液磨粒和水分因素，而静电感应传感器应用静电感应原理能对磨粒进行监测，从而将流经电极的磨粒对介电常数的影响剔除，实现油液中含水量的监测。
有益效果
(1)本发明的油液传感器，在环形的静电感应电极之间增设弧度为θ的弧形电极，利用弧度为θ的弧形电极可以使环形的静电感应电极之间间距增加，达到避免两电极输出信号出现严重混叠的目的。
(2)本发明的全流量在线油液特性监测方法，应用静电感应效应，可以获得油液磨粒特性，并且基于边缘电场效应所获得的温度变化，将静电感应传感器监测磨粒特性带来的影响降低甚至剔除，使油液磨粒特性监测更准确。
(3)本发明的全流量在线油液特性监测方法，应用边缘电场效应，可以获得介电常数变化，通过介电常数变化，不仅可以获得油液温度变化，而且，由于介电常数变化中包含由一定量的水分作为介质产生的干扰变化，还可以基于静电感应效应获得的油液磨粒特性，将介电常数变化中由磨粒引起的变化部分剥离出来，实现含水量监测。
(4)本发明首次将边缘电场效应从经典的平面电极应用到圆弧电极上，同时将静电感应传感器与边缘电场传感器进行耦合，在获得磨粒特性的基础上，获取了油液温度的变化值和油液的含水量，实现了多维数据的同步获取，金属、非金属材料都能使用。
附图说明
图1为本发明的基于边缘电场-静电感应耦合的全流量在线油液传感器的整体结构示意图；
图2为本发明中形成的边缘电场传感器的结构示意图；
图3为本发明中形成的静电感应传感器的结构示意图；
图4为本发明的边缘电容效应的等效电路图；
图5为本发明的油液传感器沿弧形电极径向的剖面结构示意图；
图6为本发明的边缘电容检测电路图；
图7为本发明的电荷放大器电路图；
图8为本发明的信号采集模块的程序框图；
图9为本发明的信号采集模块的前面板示意图；
图10为本发明实施例2中测得的电容Cap和模拟油液温度T之间的关系图；
图11为本发明采用温度传感器测量的油液温度与实施例2中测得的油液温度的对比图；
图12为图11中t为85～130s数据段附近的局部放大图；
其中，1-流经油液的正电荷磨粒，2-密封圈，3-左环形静电感应电极，4-弧形电极，5-右环形静电感应电极，6-绝缘管，7-金属屏蔽罩，8-密封圈，9-信号调理模块，10-信号采集模块，11-电接口，12-金属屏蔽罩。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种油液传感器，如图1所示，包括绝缘管6、左环形静电感应电极3、弧形电极4、右环形静电感应电极5、信号调理模块9、信号采集模块10、金属屏蔽罩7、左密封圈2和右密封圈8；
绝缘管6水平放置且平行于左右方向，为PTFE材质；绝缘管6的壁厚为2mm，金属屏蔽罩7的壁厚为4mm，绝缘管6的外径为14mm；
金属屏蔽罩7套在绝缘管6上，且通过左密封圈2和右密封圈8与绝缘管6密封连接；
左环形静电感应电极3、弧度θ为π/2rad的弧形电极4、右环形静电感应电极5均位于金属屏蔽罩7内且自左向右依次间隔套在绝缘管6上，弧形电极4与左环形静电感应电极3和右环形静电感应电极5的间距均为6mm，外径均为15mm，沿左右方向的长度均为10.5mm，油液传感器整体的最大外径为28mm，沿左右方向的长度为70mm；
信号调理模块9同时与左环形静电感应电极3和右环形静电感应电极5连接，信号调理模块9由边缘电容检测电路和电荷放大器电路构成，用于对左环形静电感应电极3和右环形静电感应电极5上的信号进行信号调理；
信号采集模块10采用高速数据采集卡NI USB9234(厂商为美国国家仪器公司)，用于采集信号调理模块9输出的信号，数据采集系统基于Ni LabView2017软件平台开发，在官网下载对应的驱动程序后，使用DAQmx子选板中的节点完成实时信号采集的编程，前面板如图9所示，整体程序框图如图8所示。
实施例2
一种全流量在线油液特性监测方法，具体步骤如下：
(1)将实施例1的油液传感器安装于机械润滑系统循环回路的主油路上，控制机械润滑系统循环回路的油液全部从油液传感器的绝缘管中流过，同时给弧形电极持续施加初始激励电压(数值为5V)；
如图1、3所示，在此过程中，左环形静电感应电极3上产生边缘电容信号a和静电感应信号c，右环形静电感应电极5上产生边缘电容信号b和静电感应信号d；
(2)信号调理模块9利用边缘电容检测电路(其电路图如图6所示)对边缘电容信号a和边缘电容信号b进行“电容-电压”的信号转化和放大处理，得到电压信号e，同时利用电荷放大器电路(其电路图如图7所示)对静电感应信号c和静电感应信号d进行“电荷-电压”的信号转化和放大处理，得到电压信号f；
边缘电容检测电路由交流电桥模块、运算放大器模块、相敏解调电路模块(主要模块为AD734AQ芯片)、低通滤波电路模块(主要模块为AD8051AR芯片)组成；
边缘电容检测电路中各模块的连接关系如下：
交流电桥模块的输入端与左环形静电感应电极3和右环形静电感应电极5连接，将左环形静电感应电极3上的边缘电容信号a和右环形静电感应电极5上的边缘电容信号b的变化值转化成电压的变化值，交流电桥模块的输出端(2、4端)与运算放大器模块的输入端连接；
运算放大器模块将差分电压转换为单端电压输出，运算放大器模块的输出端与相敏解调电路模块的输入端(W)连接；
相敏解调电路模块将电压信号分成与幅值及相位相关的直流分量和高频交流分量两部分，相敏解调电路模块的输出端与低通滤波电路模块的输入端连接；
低通滤波电路模块滤除经AD734AQ芯片乘法器解调出的高频无用交流分量，最终获得电压信号e；
边缘电容检测电路的工作原理如下：
交流电桥模块对边缘电容进行电容监测，将被测边缘电容(阻抗)放在交流电桥模块的一个桥臂上，可调参考阻抗放在相邻另一个桥臂，将正弦信号A1 sinωt(A1为激励信号的振幅幅值，ω为角频率，t为时间)施加在交流电桥模块的1、3端，通过调节参考阻抗Ra，使交流电桥模块达到初始平衡状态，交流电桥模块的平衡条件为：其中，Zd表示被测边缘电容的阻抗，Ra表示可调的参考阻抗，Rb、Rc为取值为R0的固定阻抗；
当磨粒经过电极时，会改变电极之间的边缘电场，即改变边缘电容的值，使得交流电桥模块从平衡状态变成不平衡状态，在交流电桥模块2、4端间产生电势差U24，用下式表示：
式中，U12为1端和2端之间的电压、U14为1端和4端之间的电压，Ui为该检测电路的输入激励电压，Cd为边缘电容标称值，j为复数；
交流电桥模块将两个边缘电容信号的数值C21和C22的变化值成功转化成电压变化后，需要下一个模块将该差分电压转换为单端输出，以便继续检测和处理，其中R21＝R22，R23＝R24，将交流电桥模块的2、4端接入后，最终输出一个单端信号，表达式为：
式中，UOUT为运算放大器模块的输出电压，UIN为运算放大器模块的输入电压，R23、R21为调理电阻；
采用AD734AQ芯片和AD8051AR芯片分别作为相敏解调电路模块和低通滤波电路模块的核心部分；AD734AQ芯片模拟乘法器芯片有三对差分输入端(X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2)、输入端(W)、分母控制单元(U0、U1、U2、DD、ER)、正负电源供电端(VP、VN)，X、Y、U进入高精度乘法核心后，其输出与Z相加后经AD734AQ芯片内部的运算放大器输出，具体的开环输出由下式表示：
其中，A0表示AD734AQ芯片内部运算放大器的开环增益，将W和Z1连接后就形成闭环系统，输出为：
为了保证AD734AQ芯片构成的乘法器能够有稳定的系统增益，采用AD734AQ芯片内置的10V分母电压即将U0、U1、U2均接地，则输出为：
在本相敏解调电路模块中，将X1、X2、Z2均接地后，经AD734AQ芯片的乘法器解调后的最终输出为：
当X1端接入交流电桥模块的正弦信号，Y1端接入经运算放大器调理后的输出信号
UOUT时，即：X1＝A1 sinωt，Y1＝A2 sin(ωt+Φ)，得到
其中，A1为激励信号的振幅幅值，ω为正弦波的频率，A2为经过交流电桥、运算放大器调理后的正弦波幅值，Φ是调理后的输出信号UOUT与激励信号所差的相位角；
由此可知，该信号被分成与幅值及相位相关的直流分量和高频交流分量两部分；
采用以AD8051AR芯片为核心部分的低通滤波电路模块，来滤除经AD734AQ乘法器解调出的高频无用交流分量，最终获得电压输出
电荷放大器电路由传感器级间电容Ca、传感器传输电缆的电容Cc、输入电缆漏电导Gc、电荷放大器的输入电容Ci、电荷放大器的输入电导Gi、电荷放大器的反馈电容Cf、放大器的反馈电导Gf、运算放大器模块组成；
电荷放大器电路中各器件的连接关系为：将感应电荷值Q作为电荷源加入电路中，将其与Ca、Cc、Gc、Ci、Gi进行并联，获得Ud即此时在运算放大器模块反相输入端上产生的差动电压，将Cf、Gf与运算放大器模块并联；
电荷放大器电路的工作原理如下：
电荷放大器可以将左环形静电感应电极、右环形静电感应电极的表面因静电感应产生的静电感应信号c、静电感应信号d进行放大和转化，最终输出转换成了电压信号f，实现“电荷-电压”的信号转化和放大处理；
电荷放大器输出的电压信号f表达式为：其中，Cf是电荷放大器的反馈电容，Q为左环形静电感应电极或右环形静电感应电极表面由于流经电极的磨粒引起静电感应而产生的感应电荷；Ca是传感器级间电容，Qa是此时充到Ca中的电荷；Cc是传感器传输电缆的电容，Qc是此时充到Cc中的电荷，Gc是输入电缆漏电导；Ci是电荷放大器的输入电容，Qi是此时充到Ci中的电荷，Gi是电荷放大器的输入电导；Ud是此时在运算放大器模块反相输入端上产生的差动电压；Cf是电荷放大器的反馈电容，作用到Cf两端的电压是Ud和输出电压Uo的差值，Qf是此时充入Cf的电荷，Cf是放大器的反馈电导；运算放大器模块的开环系数为A；
电荷放大器输出的电压信号f表达式的具体推导过程如下：由反相输入电压可知U0＝-A×Ud，因此，作用在Cf两端的电压为：Ucf＝Ud-(-A×Ud)＝Ud×(1+A)，假设反馈电阻Rf的阻值为无限大，则又有Q＝U×C，因此可得Q＝Qa+Qc+Qi+Qf＝Ud×(Ca+Cc+Ci+(1+A)×Cf)，所以又因为U0＝-A×Ud可得
由于在精度的范围内可以忽略部分数量级小的部分，因此可以认为：即通过电荷放大器将静电感应信号c、静电感应信号d转换成了电压信号f；
(3)信号采集模块采集电压信号e和电压信号f；
(4)对电压信号e和电压信号f进行处理，得到油液特性；
油液特性包括磨粒特性、油液进入绝缘管6前后油液温度的变化值、油液的含水量；
油液进入绝缘管6前后油液温度的变化值的计算公式如下：
式中，Δt代表单位为℃的油液进入绝缘管6前后油液温度的变化值，C21代表单位为pf的边缘电容信号a的数值，C22代表单位为pf的边缘电容信号b的数值，L代表单位为mm的左环形静电感应电极3沿左右方向的长度的数值，θ代表单位为rad的弧形电极4的弧度的数值，γ代表边缘比例系数，εt0代表在油液进入绝缘管6前的油液温度下的油液介电常数，αε代表介电常数的温度系数；
上述公式计算时，只代入数值，不代入单位；
油液的含水量的获取方法为：根据电压信号e获取油液进入绝缘管6前后由水分和流经电极的磨粒共同带来的介电常数的变化值A，根据电压信号f获取油液进入绝缘管6前后由流经电极的磨粒带来的介电常数的变化值B，然后将介电常数的变化值A减去介电常数的变化值B得到油液进入绝缘管6前后介电常数的变化值C，最后根据介电常数的变化值C获取油液的含水量。
为了验证本发明的监测方法的准确性，现进行以下实验：
首先将温度传感器和实施例1的装置同时放入冰箱中使二者降至2℃：
然后将实施例1的装置放入25℃的恒温箱中后采用实施例2中的全流量在线油液特性监测方法对模拟油液的温度进行监测，其监测过程中在将所测的边缘电容信号转换得到的油液温度值后，边缘电容信号和油液温度的关系如图10所示；
将温度传感器放入25℃的恒温箱中后记录温度传感器测得的模拟油液的温度；
最后将以上两种方法获得的温度进行对比，如图11、图12所示，从图中可以看出，本发明测得的模拟油液的温度变化与温度传感器测得的温度变化基本一致，由此可知，本发明测得的模拟油液的温度变化是准确的。
Claims (9)
1.一种油液传感器，其特征在于，包括绝缘管(6)、左环形静电感应电极(3)、弧形电极(4)、右环形静电感应电极(5)、信号调理模块(9)和信号采集模块(10)；
绝缘管(6)水平放置，且平行于左右方向；
左环形静电感应电极(3)、弧形电极(4)、右环形静电感应电极(5)均套在绝缘管(6)上，且自左向右依次间距排列；
左环形静电感应电极(3)和右环形静电感应电极(5)同时与信号调理模块(9)连接，信号调理模块(9)用于对左环形静电感应电极(3)和右环形静电感应电极(5)上的信号进行信号调理；
信号采集模块(10)用于采集信号调理模块(9)输出的信号。
2.根据权利要求1所述的一种油液传感器，其特征在于，还包括金属屏蔽罩(7)、左密封圈(2)和右密封圈(8)；金属屏蔽罩(7)套在绝缘管(6)上，且通过左密封圈(2)和右密封圈(8)与绝缘管(6)密封连接；左环形静电感应电极(3)、弧形电极(4)、右环形静电感应电极(5)均位于金属屏蔽罩(7)内。
3.根据权利要求2所述的一种油液传感器，其特征在于，油液传感器沿左右方向的长度为56-70mm，油液传感器的最大外径为20-32mm，绝缘管(6)的外径为8-20mm，绝缘管(6)的壁厚为2mm，金属屏蔽罩(7)的壁厚为4mm，弧形电极(4)的弧度为π/2rad，左环形静电感应电极(3)、弧形电极(4)、右环形静电感应电极(5)的外径均为12-24mm，左环形静电感应电极(3)沿左右方向的长度为6-24mm，弧形电极(4)与左环形静电感应电极(3)和右环形静电感应电极(5)的间距均为3-6mm。
4.根据权利要求1所述的一种油液传感器，其特征在于，绝缘管(6)为PTFE材质。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种油液传感器，其特征在于，信号调理模块由边缘电容检测电路和电荷放大器电路构成；信号采集模块由数据采集卡或集成化的AD/DA转换模块构成。
6.根据权利要求5所述的一种油液传感器，其特征在于，左环形静电感应电极(3)、弧形电极(4)、右环形静电感应电极(5)沿左右方向的长度均相同。
7.采用如权利要求6所述的一种油液传感器的一种全流量在线油液特性监测方法，其特征在于，将油液传感器安装于机械润滑系统循环回路的主油路上，控制机械润滑系统循环回路的油液全部从油液传感器的绝缘管(6)中流过，同时给弧形电极(4)施加初始激励电压后，对信号采集模块采集到的信号进行处理，即得油液特性；
其中，左环形静电感应电极(3)上的信号为边缘电容信号a和静电感应信号c，右环形静电感应电极(5)上的信号为边缘电容信号b和静电感应信号d；
信号调理模块(9)利用边缘电容检测电路对边缘电容信号a和边缘电容信号b进行“电容-电压”的信号转化和放大处理，得到电压信号e，同时利用电荷放大器电路对静电感应信号c和静电感应信号d进行“电荷-电压”的信号转化和放大处理，得到电压信号f。
8.根据权利要求7所述的一种全流量在线油液特性监测方法，其特征在于，油液特性包括磨粒特性以及油液进入绝缘管(6)前后油液温度的变化值，油液进入绝缘管(6)前后油液温度的变化值的计算公式如下：
式中，Δt代表单位为℃的油液进入绝缘管(6)前后油液温度的变化值，C21代表单位为pf的边缘电容信号a的数值，C22代表单位为pf的边缘电容信号b的数值，L代表单位为mm的左环形静电感应电极(3)沿左右方向的长度的数值，θ代表单位为rad的弧形电极(4)的弧度的数值，γ代表边缘比例系数，εt0代表在油液进入绝缘管(6)前的油液温度下的油液介电常数，αε代表介电常数的温度系数。
9.根据权利要求7所述的一种全流量在线油液特性监测方法，其特征在于，油液特性包括油液的含水量，处理过程为：首先根据电压信号e获取油液进入绝缘管(6)前后由水分和流经电极的磨粒共同带来的介电常数的变化值A，根据电压信号f获取油液进入绝缘管(6)前后由流经电极的磨粒带来的介电常数的变化值B，然后将介电常数的变化值A减去介电常数的变化值B得到油液进入绝缘管(6)前后介电常数的变化值C，最后根据介电常数的变化值C获取油液的含水量。
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|---|---|---|---|---|
| CN121409838A (zh) * | 2025-12-29 | 2026-01-27 | 上海工程技术大学 | 一种基于静电耦合边缘电场传感器的滑油磨粒监测方法 |
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2024
- 2024-07-30 CN CN202411028973.6A patent/CN118961823A/zh active Pending
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| CN121409838A (zh) * | 2025-12-29 | 2026-01-27 | 上海工程技术大学 | 一种基于静电耦合边缘电场传感器的滑油磨粒监测方法 |
| CN121409838B (zh) * | 2025-12-29 | 2026-03-24 | 上海工程技术大学 | 一种基于静电耦合边缘电场传感器的滑油磨粒监测方法 |
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