应用平行极板式电容传感器检测润滑油品质的研究

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利用电容器验证油液的污染程度

利用电容器验证油液的污染程度
熊子伦;卢继德;李琪;王洪鹏;张鹏
【期刊名称】《物理实验》
【年(卷),期】2018(038)012
【摘要】利用电容器原理验证油液的污染程度,研究电容率与油液污染程度之间的变化规律.实验结果表明,水、酸值和金属颗粒是影响油液污染程度的重要因素,电容率法作为验证油液污染程度的方法是可行的.
【总页数】4页(P48-50,55)
【作者】熊子伦;卢继德;李琪;王洪鹏;张鹏
【作者单位】中国石油大学(北京) 地球物理学院,北京102249;中国石油大学(北京) 地球物理学院,北京102249;中国石油大学(北京) 地球物理学院,北京102249;中国科技馆展览教育中心,北京100012;中国石油大学(北京) 理学院,北京102249
【正文语种】中文
【中图分类】O441.1;TE622.5
【相关文献】
1.环境综合污染程度与人均居民可支配收入关系的EKC验证 [J], 王元地;王国蒙
2.柴油机润滑油液体污染程度对抗磨性能的影响 [J], 张召民;李婧
3.利用污染指数法评价张掖市规划区内地表水污染程度 [J], 刘芳
4.利用单因子污染指数与内梅罗综合指数\r进行土壤重金属污染程度评级 [J], 唐功政;刘国栋;高润青;南浩然;郭宏远
5.太阳能是一种巨大的、无污染、廉价的自然能源。

利用太阳能将节约大量的常规
能源,是节能的有效手段。

随着太阳能热水系统被越来越多地采用,太阳能加热水已是最成功的太阳能利用技术之一。

然而,太阳能热水系统的经济性能,特别是确定它能否与常规能源设备相竞争,在很大程度上取 [J], 朱万军
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应用平行极板式电容传感器检测润滑油品质的研究

应用平行极板式电容传感器检测润滑油品质的研究作者：侯晓亚, 张英堂, 李志宁来源：《现代电子技术》2011年第20期摘要：分析和探讨了润滑油介电常数变化的微观原因，并基于介电常数测量原理，以实现润滑油质量的现场快速检测为目的，考虑灵敏度、信噪比、击穿电压等参数要求，设计了平行极板式电容传感器。

采用谐振法对不同使用期的油样进行了测试实验，其中重复性测试数据的最大偏差为4.8%。

应用计及边缘效应影响的计算公式对数据进行了处理，结果表明该传感器能在不改变机器内部油路结构的情况下快速有效地检测油液介电常数的变化，为科学判断润滑油使用状况提供依据。

关键词：润滑油；油液检测；介电常数；电容传感器中图分类号：TN919-34 文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)20-0164-03Study on Detection Method of Lubricating Oil Quality by Parallel Electrode Capacitance Sensor HOU Xiao-ya, ZHANG Ying-tang, LI Zi-ning(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)Abstract：The microcosmic cause of dielectric constant changes is analyzed. Based on this principle of dielectric constant measurement, in order to measure lubricating oil quality, considering SNR and other factors, the parallel electrode capacitance sensor was designed. The testing experiments were carried out on the lubricating oil sample in different application period with resonance method. The windage of maximun deviation is 4.8%. The data is processed by using formula which takes axial edge effect into account. The results show that changes of lubricating oil's dielectric constant can be detected effectively without changing the oil tube in the machine, which can provide reference for estimating the state of lubricating oil.Keywords： lubricant lubricating oil monitoring; dielectric constant; capacitance sensor润滑油在使用一段时间后，由于外界杂质的侵入和本身的氧化、凝聚、水解和分解等原因［1］，会使油液的介电常数值发生变化。

机械工程测试技术基础课后习题答案

《机械工程测试技术基础》课后答案章节测试题第1章信号及其描述（一）填空题1、测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。

这些物理量就是，其中目前应用最广泛的是电信号。

2、信号的时域描述，以为独立变量；而信号的频域描述，以为独立变量。

3、周期信号的频谱具有三个特点：，，。

4、非周期信号包括信号和信号。

5、描述随机信号的时域特征参数有、、。

6、对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是对称，虚频谱（相频谱）总是对称。

（二）判断对错题（用√或×表示）1、各态历经随机过程一定是平稳随机过程。

（）2、信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。

（）3、非周期信号的频谱一定是连续的。

（）4、非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。

（）5、随机信号的频域描述为功率谱。

（）（三）简答和计算题1、求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。

2、求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ，和概率密度函数p(x)。

3、求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。

4、求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=T t T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。

5、求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x at ω的频谱。

第二章测试装置的基本特性（一）填空题1、某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。

2、试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。

柔性极板电容式液位传感器的研究和应用

高度为 hl，见式（1），感应极板 1 与液体重合的面积为 S1，对应的感应极板 1 的电容记为 C1'；感应极板 2 与液体重合的面积为 S2，对应的感应极板 2 的电容记为 C2'。由式（2）可知，液体和感应极板重合的面积与它们之间形成的电容成正比，设比例系数为 a。
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包装工程
2021 年 12 月
近年来，液位检测在智能家居、工业控制、食品灌装、汽车、医疗等行业领域得到广泛的应用[1]。随着自动化程度的增加和检测技术的提高，人工监控和干预的时代已远去，液位传感器的重要性也越加突显[2]。
测量液位方法包括电容法、电导率法、磁致伸缩法、超声波法、振动法、浮子液位计法、液位开关法、伺服液位计法等[3—5]。电容式液位传感器根据电容量的变化感知当前液位的高度变化，其具有结构简单、读取方便、工作时不会污染待测液体的优点。电容式液位检测包括点液位测量和连续液位测量[6—7]，连续液位测量用于过程监控的连续液位测量，点液位测量用于激活报警或跳闸的点液位测量。在这 2 个应用场景中，电容的极板都是在硬质 PCB 板上的覆铜，实际应用中待测液位的储液容器基本都是中空的圆柱，若使用上述 2 类液位传感器，极板和待测容器的接触面积很少，工作时电容器的电场线只有一小段从待测液体柱中穿过，使得传感器灵敏度下降甚至无法使用。针对这个缺陷，文中设计一种柔性极板的电容式液位传感器，使得电容极板可以弯曲，并与储液容器的外壁紧密贴合，实现较高灵敏度的连续水位检测。
(11)
将液位计算方法转化为计数值的变化量 ΔM1 和
ΔM2（初始值与当前值的差值），检测液位在不同高
度时，记录两极板计数值的变化量，并建立数学关系，

基于电容传感器的润滑油含水率监测研究

■
图１传感器实物图
图２ＬＲ数字电桥Ｃ
本实验所设计的传感器是基于螺旋线式，两根螺旋
李钰洁等：于电容传感器的润滑油含水率监铡研究基
导线并列螺旋印制于印刷电路板上，表层涂绝缘漆。印板５０ＩＩ】，Ｉｍ厚刷电路大小（０×５）ｌｌ电极间距为ｌｍ，度为２ｔ。图１示为传感器实物图。图２示为本实验所０ｍａ所所
李钰洁田洪祥韩秋平
（海军７程大学船舶与动力学院，－湖北武汉４０３）３０３
摘要：针对润滑油中混入水分的问题，设计了一种基于电容原理的螺旋线状传感器，利用ＬＲ数字电桥对不同含水率的润滑油电容值进行测定，Ｃ并
对测量数据进行显著性检验，结果表明这种传感器测量重复性好，可有效检测含水率分别为０１％、．％、．％、％的润滑油。．５Ｏ２Ｏ５１２５
卡尔费休库伦法：在电解池中由阳极直接氧化产生
滴定剂，通过计算反应过程中消耗的电量来测定样品水
电容计算公式Ｃ：皇
一
（）２
分含量。特点：测定结果准确，速度快且灵敏度高，广泛
用于水分测量，但润滑油在甲醇中的溶解性低，需要加入甲苯等作为改性剂，甲苯是有毒试剂，对人体有害。重量法：将待测样品在恒温下加热烘干至恒重或加热烘干一定时间，根据脱水前后的重量计算出水分含量。特点：待测装置简单，可同时测量多个试样，且测量精度
关键词：电容传感器；显著性检验；润滑油；电常数介

基于电容传感器的飞机滑油磨粒检测系统设计

基于电容传感器的飞机滑油磨粒检测系统设计何永勃;徐斌【摘要】飞机发动机的异常摩擦、磨损会在滑油中产生大量的磨粒，对滑油磨粒的有效检测可以为发动机的故障诊断提供可靠信息。

设计了一个弧状极板式电容传感器，但传感器中电容变化量非常小，传统方法难以检测，采用交流电桥式电容检测方法。

系统以AD9833为DDS信号发生器给交流电桥施加激励信号，经C/V 转换、差分放大、相敏解调以及低通滤波等处理后得到实时电压变化。

可实现弱信号的精确检测，且能有效克服杂散电容和寄生电容的影响。

多次实验结果均表明：该检测系统具有灵敏度高，稳定性好等特点。

%The abnormal friction and abrasion of aircraft engine will produce a large amount of abrasive particles in lubricating oil,effective detection of lubricating oil abrasive particles can provide reliable information for engine fault diagnosis. An arc plate capacitance sensor is designed,but the capacitance change of sensor is very small,it is difficult to detect with traditional method,alternating current bridge capacitance detection method is used here. The system takes the AD9833 as DDS signal generator to exert pumping signal on alternating current bridge,by C/V conversion,differential amplifier,phase sensitive demodulation and low pass filtering obtain real time change of voltage. The design can realize accurate detection of weak signal,and it can overcome influence of stray capacitance and parasitic capacitance effectively. Multiple experimental results show that the system has characteristics of high sensitivity and good stability.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2016(035)010【总页数】4页(P112-115)【关键词】磨粒;电容传感器;AD9833;信号发生器【作者】何永勃;徐斌【作者单位】中国民航大学航空自动化学院，天津300300;中国民航大学航空自动化学院，天津300300【正文语种】中文【中图分类】TP212飞机发动机结构复杂且工作环境恶劣，内部的异常摩擦、磨损是造成发动机各种故障的主要原因[1]。

基于平行板电容传感器的地沟油检测研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｒｏｂｌｅｍｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｄｒａｉｎａｇｅｏｉｌａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ａｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ
ＳＴＭ３２Ｆ０５１．Ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｒｉｓｅｓａｐａｒａｌｌｅｌ — ｐｌａｔｅｃａｐａｃｉｔｏｒｓｅｎｓｏｒｍｏｄｕｌｅ，ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅ
摘
要：针对目前地沟油难以检测的难题，提出一种了基于平行板电容传感器的检测系统。它是根据各种油样品介
电常数的差异，去影响平行板电容传感器的内部电容量，由可编程电容一数字转换器ＡＤ７７４６和嵌入式微控制器
ＣｈｅｎＹｉｎｇｇｕａｎｇＸｉａｏＤａｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｃｈｉｎａ）
ｐａｒａｌｌｅｌｐｌａｔｅｃａｐａｃｉｔｏｒｓｅｎｓｏｒｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｉｔｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｖａｒｉｏｕｓｏｉｌｓａｍｐｌｅｓｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌ — ｐｌａｔｅｃａｐａｃｉｔｏｒｓｅｎｓｏｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｄｉｇｉｔａｌａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｆｕｎｃｔｉｏｎｂｙＡＤ７７４６ｗｉｔｈａｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｔｏｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｎｄｅｍｂｅｄｄｅｄｍｉｃｒｏ — ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

《传感器与检测技术》-题库分析

《传感器与检测技术》题库一、填空：1，测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。

2.霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势大小。

3.热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式为Eab （T ，To ）=T B A TT BA 0d )(N N ln )T T (e k 0σ-σ⎰+-。

在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。

4.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。

相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。

（2分）5. 变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）6. 仪表的精度等级是用仪表的（① 相对误差 ② 绝对误差 ③ 引用误差）来表示的7 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（① 变面积型 ② 变极距型 ③ 变介电常数型）外是线性的。

8、变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（①增大，②减小，③不变）。

9、在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。

10、在变压器式传感器中，原方和副方互感M 的大小与原方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与副方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与回路中磁阻成（①正比，②反比，③不成比例）。

11、传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。

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采用谐振法对不同使用期的油样进行了测试实验，其中重复性测试数据的最大偏差为4.8%。

使用电容传感器测量油液的介电常数可以反映润滑油品质、磨损故障等信息。

当前的离线油质分析仪不能完全准确地反映整体油液的质量信息，在油液中磨粒较大、分布不均匀的情况下尤为明显。

本文设计了一种用于现场快速检测的电容传感器，该传感器成本低廉、使用方便，外接电路后可快速检测润滑油的使用状况。

1 润滑油介电常数测量原理润滑油是一种复杂的烃类混合物，可以把它作为一种电介质来考虑。

随着润滑油使用期的增加，其性能衰变主要体现在以下几个方面：（1）润滑油内部组分长期与空气接触发生氧化反应；（2）粘度指数改进剂、抗氧剂、抗磨剂等添加剂损耗；（3）外部污染，包括水污染、乙二醇污染、固体颗粒污染等。

润滑油被氧化、添加剂损耗会导致分子极性变化；水的进入会产生，-离子；酸值的变化伴随着，RCOOˉ离子的产生；金属磨粒会产生自由电子［2］。

以上几种因素均会不同程度地改变油液内部极化成分的数量，从而导致介电常数值的变化，所以介电常数是反映油液老化、被污染以及磨损状况的一个综合参数。

电介质的介电常数大小可通过测量平行板电容器的电容来间接获得。

对于如图1所示的平行板电容器，多数文献采用了以下公式表达电容与内部介质的介电常数关系：（1）式中：为内部介质的相对介电常数；为真空介电常数；S为极板面积；d为两极板间距。

上述公式是在极板长度a，宽度b远大于极板间距d的情况下推导出的，此时由于边缘效应影响而引起的附加电容可以忽略不计。

但在实际应用中，因测量空间的限制，极板不可能为无限大。

根据文献［3］的研究成果，有限尺寸的平板电容器，计及边缘效应的电容近似表达式为：εbπ1+ln1+2πad+ln1+2πad（2）又，所以上式可改写为：（3）由此可以看出电容值C与介质的相对介电常数具有理论上的线性关系，通过测量内部充满润滑油的电容器的电容值,就可以确定机油品质的劣化程度。

图1 平板电容器模型2 电容传感器设计考虑到现场离线快速检测的便捷性、稳定性要求，传感器采用平行极板式结构，其基本形状示意图如图2所示，主要由一对平行极板、外部固定装置和一个有机玻璃油槽组成。

接线柱内嵌铜芯，与极板焊接在一起。

由于在下一步的方案规划中，拟加入光电检测模块，所以在传感器左右两侧设计了凹槽，以使激光穿过油液，测量透光率。

为避免外界电磁干扰，电极外面加上金属屏蔽罩。

图2 电容传感器示意图对于传感器材料的选择和尺寸的确定主要考虑以下因素：（1）用于电容传感器的电极材料主要有炭材料、金属氧化物和导电聚合物。

本文选择成本低廉、导电性好、温度系数低、容易获取和加工的铜作为极板材料，并根据其标准规格和灵敏度要求确定极板厚度。

（2）极板尺寸和间距决定了传感器的大小和被测油量的多少。

使用中的润滑油是成分复杂的混合物，尤其是摩擦产生的磨粒，大小和分布并不均匀。

为了使测量更加准确，显然取油量越大越好，但现场操作又要求用最少的油样数量获得满意的数据，而且小型化的传感器更利于制成便携式检测系统。

为了减弱边缘效应的影响，极板间距要尽量小，但间距的减小势必导致极板被击穿的可能性增加。

综上所述并参考文献中的设计经验，初步确定极板长a=50 mm，宽b=30 mm，间距。

（3）油槽材料选择有机玻璃［3］，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，这种材料表面光滑度高，不易粘着油液中的污染物，清洗方便；透射率高达92~93%，可透过可见光99%；强度高，韧性好，易于加工；能耐一般的化学腐蚀。

根据加工的要求和有机玻璃的标准规格，拟定油槽壁厚为1.5 mm。

（4）聚四氟乙烯具有较高的机械强度和良好的绝缘性，且成本低、介质损耗小，因此选用该材料加工成固定装置［4］。

3 实验验证采用谐振法对传感器进行了测试，测试电路由振荡电路、低通滤波放大电路、单片机计数器及显示模块组成，如图3所示。

振荡电路将传感器的电容变化转化为频率的变化，此频率信号经滤波放大和分频后送入单片机计数器，由单片机进行数据处理，将得到的电容值显示在LCD上。

测量之前要保证油槽的干燥以防混入水分，被测油样分别取自某型号柴油发动机和变速箱。

从表1中数据可看出，实验结果重复性很好，2种不同介质多次测量结果标准差分别为0.207，0.351，最大偏差分别为3.1%，4.8%，说明在确定的实验条件下，测得的数据是可靠的。

空气的相对介电常数可视为1，从表中数据也可计算出传感器的杂散电容大约为pF。

对不同使用期的油样进行了测量，每种油样均采用多次测量求平均值的方法得出最终数据，实验结果如表2所示。

根据式(2)计算油样的相对介电常数值，计算时需减去杂散电容［4］。

绘制油品相对介电常数与使用期的关系曲线，如图4所示。

4 结语本文基于介电常数测量原理研制了一种用于润滑油现场快速检测的电容传感器，该传感器具有以下优点：结构简单，不需要复杂的制造工艺，而且所选择的材料价格低廉；取油方便，不必对机器内部油路进行拆装即可实现现场快速检测；极板间电场强度相对均匀，这就使各种极化成分在检测场内的空间位置对测量结果的影响较小；玻璃油槽将油液与极板隔开，防止对极板造成污染，测量后容易清洗，避免了污染物沉积影响测量精度。

实验验证了其稳定性和有效性，对于合理标定换油阈值、实现按需换油，具有重要的应用价值。

参考文献［1］MANG T, DRESEL W.润滑剂与润滑［M］.北京:化学工业出版社,2005.［2］李红旗.基于介电常数的车用润滑油在线监测方法研究［D］.长春：吉林大学,2007.［3］王连海.平行板电容式原油含水率仪的设计与开发［D］.北京：中国石油大学,2007.［4］刘凯.油液在线监测电容传感器的研制及在线测试方法研究［D］.沈阳：沈阳理工大学,2008.［5］蒙文舜,杨运经,刘云鹏.电容传感器的原理及应用［J］.现代电子技术,2003,26(13):105-108.［6］RAADNUI Surapol, KLEESUWAN Srawut. Low-cost condition monitoring sensor for used oil analysis \// Proceedings of . 15th International Conference on Wear of Materials. \: ICWM, 2005: 1502-1506.［7］张晓飞,杨定新,胡政,等.基于电介质介电常数测量的油液在线监测技术研究［J］.传感技术学报,2008,21(12):11-17.［8］李建波,万加富.基于单片机的数字化润滑油检测仪［J］.煤矿机械,2008(22):6-10.［9］肖志红.平板式电容传感器测量电路研究［J］.现代电子技术,2004,27(17):97-99.［10］陈永真,李锦.电容器手册［M］.北京:科学出版社,2008.作者简介: 侯晓亚男，1988年出生，在读硕士研究生。

研究方向为车辆试验分析与故障诊断。

张英堂男，教授，博导。

研究方向为车辆试验分析与故障诊断。