CN113418968A - 交叉电容式传感器、传感器的制作方法以及油液检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交叉电容式传感器、传感器的制作方法以及油液检测系统，其中交叉电容式传感器包括：基底，所述基底上凹刻有微流道，所述微流道的两端分别设置有注油口和出油口；以及交叉电容结构，所述交叉电容结构包括4块相同的弧面铜电极以及电极支撑结构，所述弧面铜电极均由同一筒状铜电极均匀切割而来，且贴敷于所述电极支撑结构内表面，拼接成电极间具有微小间隙的筒状结构；所述交叉电容结构部分嵌入基底，使得所述微流道从交叉电容结构内部轴向穿过。本发明可根据电极间介电常数的变化，检测出是否有颗粒经过，并可以通过电容变化值来对固体、液体和气体污染物进行区分检测，检测灵敏度高。

Description

交叉电容式传感器、传感器的制作方法以及油液检测系统

技术领域

本发明涉及机械设备油液系统故障检测领域，具体而言，尤其涉及一种交叉电容式传感器、传感器的制作方法以及油液检测系统。

背景技术

在机械系统中油液(滑油、液压油等)污染是设备发生故障的主要原因之一。油液中的颗粒污染物分为固体颗粒(金属磨损、砂石等)、液体(水分)和气体污染，其中以固体颗粒污染最为严重。

目前，对于油液污染物进行检测的主要方法包括铁谱分析法、光谱分析法、声学检测法和阻抗分析法等。铁谱分析法存在检测周期长以及对检测范围具有局限性的问题。光谱分析法对技术人员的素质要求很高，且易受油液透光度的影响。声学检测法容易受到外界环境噪音以及震动的影响。阻抗分析法分为电感检测法和电容检测法，电感检测法检测精度较高但无法检测到液体和气体污染。以上几种检测方法除光谱分析法均无法对污染物进行区分检测且都存在一些固有缺陷。

中国专利申请CN 111982984 A公开了一种高精度交叉电容油液检测传感器及其检测方法。但是这种方法无法确保电极放置位置完全对称以及电极间隙不能确保相同，虽然能够大通量检测，但检测效果没有达到最佳效果。

发明内容

根据上述提出的现有油液检测方法周期长、易受干扰以及无法综合检测的技术问题，而提供一种交叉电容式传感器、传感器的制作方法以及油液检测系统。本发明能够对多种污染物(固体污染、液体污染和气体污染)进行区分监测。

本发明采用的技术手段如下：

一种交叉电容式传感器，包括：

基底，所述基底上凹刻有微流道，所述微流道的两端分别设置有注油口和出油口；以及

交叉电容结构，所述交叉电容结构包括4块相同的弧面铜电极以及电极支撑结构，所述弧面铜电极均由同一筒状铜电极均匀切割而来，且贴敷于所述电极支撑结构内表面，拼接成电极间具有微小间隙的筒状结构；

所述交叉电容结构部分嵌入基底，使得所述微流道从交叉电容结构内部轴向穿过。

进一步地，所述微流道不沿所述交叉电容结构的中轴延伸。

本发明还提供了一种如上述的交叉电容式传感器的制作方法，包括：

S101、将交叉电容结构固定于载玻片上，同时将300μm细直铜线从交叉电容器中间穿过，按照预设的嵌入深度固定；

S102、调制透明高分子聚合物基体，放置于真空环境下45分钟，直至液态基体内部气泡完全消失；

S103、将基体浇筑到载玻片上，放置真空烤箱中以80℃烘烤2小时，直至液态高分子材料基体完全凝固；

S104、将所述细直铜丝从固态基体中拔出，并挖出注油口和出油口。

进一步地，所述高分子聚合物基体采用聚二甲基硅氧烷。

进一步地，所述细直铜线固定位置不沿所述交叉电容结构的中轴延伸。

本发明还公开了一种交叉电容式油液检测系统，包括计算机、阻抗分析仪、注油装置、出油装置以及上述的交叉电容式传感器。

一种交叉电容式油液检测方法，基于上述的系统实现，具体步骤包括：

S201、连接装置，将阻抗分析仪连接至所述交叉电容式传感器，将阻抗分析仪的正极连接至距离所述微流道最近的第一弧面铜电极，将阻抗分析仪的负极连接至与第一弧面铜电极相对的第二弧面铜电极；

S202、向所述第一弧面铜电极施加电压激励，将余下的弧面铜电极接地；

S203、所述阻抗分析仪将采集到的电容信号发送至计算机，由计算机判断待检油液中的污染物成分。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明公开的电容检测法可根据电极间介电常数的变化，检测出是否有颗粒经过，并可以通过电容变化值来对固体、液体和气体污染物进行区分检测，检测灵敏度高。

2、本发明公开的交叉电容本身作为电容计量基准，具有非常高的精度，误差源小、稳定性高，因此本发明采用计算交叉电容器结合油液检测系统传感器，能够大大提高油液检测效果。

3、本发明优化了计算电容器与芯片主体结合确定最佳流道放置位置，可以有效提高油液污染物监测精度。

4、本发明电极附着于电极支撑结构内部，可以更好地实现电极对称放置以及间隙问题，更好地提高检测效果。

基于上述理由本发明可在油液污染检测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明交叉电容式传感器结构示意图。

图2为本发明电极支撑结构示意图。

图3为本发明弧面铜电极结构示意图。

图4为本发明交叉电容式油液检测系统结构框图。

图中：1、基底；11、微流道；12、注油口；13、出油口；2、交叉电容式传感器结构；21、支撑结构隔板；22、第一弧面铜电极；23、第二弧面铜电极。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-3所示，本发明提供了一种交叉电容式传感器，主要包括基底1和交叉电容结构2。其中基底1上凹刻有微流道11，微流道11的两端分别设置有注油口12和出油口13。交叉电容结构包括4块相同的弧面铜电极22以及电极支撑结构，所述弧面铜电极22均由同一筒状铜电极均匀切割而来，且贴敷于电极支撑结构内表面，并由电极支撑结构的内部隔板21分隔，拼接成电极间具有微小间隙的筒状结构。交叉电容结构2部分嵌入基底1，使得所述微流道11从交叉电容结构2内部轴向穿过。进一步优选地，所述微流道不沿所述交叉电容结构的中轴延伸。

下面通过优选的应用实例，对上述交叉电容式传感器的结构做进一步说明。如图1所示，该交叉电容式传感器由4块1/4半圆铜片组成的电极、电极支撑结构、芯片主体和连接电路组成。所述芯片主体包括：注油口、出油口与微流道。4个半圆铜电极贴在电极支撑结构内侧，同轴铸模使得微流道从环形电极内部穿过。使用时从注油口注入待检油液，流经检测单元，用所述电容值采集系统对检测单元施加电压激励，同时对电容信号值进行检测，检测结束油液由出油口流出。进一步地，所述1/4半圆铜片电极是由黄铜管对称切割制成；所述电极支撑结构是由3D打印机制作；芯片主体为透明高分子材料浇筑，流道直径为300μm。图1中4个铜电极的规格为：轴向长度15mm；1/4半圆的内径8mm，外径12mm；相邻电极之间间距为1mm；4个电极两两对称放置。采用电火花线切割机器将铜管平均切割成4个1/4半圆。图2中电极支撑结构轴向长度为10mm，方便外接电路；贴近电极处的外径12.2mm，内径11.8mm；其厚度为2mm；内部隔板厚度为1mm。使用转码软件转码后的模型导入3D打印机进行制作。

为改进检测效果，本实施例还找到一个最佳布置微流道位置，其为偏离环形截面圆心，并靠近被施加电压电极位置放置。此最佳布置流道位置由有限元分析软件计算仿真后的结果找到，为电场强度最大的位置。

本发明还提供了一种如上述的交叉电容式传感器的制作方法，包括：

S101、将交叉电容结构固定于载玻片上，同时将300μm细直铜线从交叉电容器中间穿过，按照预设的嵌入深度固定。

S102、调制透明高分子聚合物基体，放置于真空环境下45分钟，直至液态基体内部气泡完全消失。进一步地，所述高分子聚合物基体采用聚二甲基硅氧烷。

S103、将基体浇筑到载玻片上，放置真空烤箱中以80℃烘烤2小时，直至液态高分子材料基体完全凝固。

S104、将所述细直铜丝从固态基体中拔出，并挖出注油口和出油口。进一步地，所述细直铜线固定位置不沿所述交叉电容结构的中轴延伸。

交叉电容是由四个相同形状电极两两对称放置，相邻两电极之间有无穷小绝缘间隙，对其中一个施加电动势，其余3个电极进行接地；这种交叉电容器实际上作为一种高精度的电容基准，采用交叉电容结构设计的新型传感器具有比常规电容器精度高以及误差源少稳定性高的优势。

如图4所示，本发明还公开了一种交叉电容式油液检测系统，包括计算机、阻抗分析仪、注油装置、出油装置以及上述的交叉电容式传感器。

本发明还公开了一种基于上述交叉电容式油液检测系统的交叉电容式油液检测方法，具体步骤包括：

S201、连接装置，将阻抗分析仪连接至所述交叉电容式传感器，将阻抗分析仪的正极连接至距离所述微流道最近的第一弧面铜电极，将阻抗分析仪的负极连接至与第一弧面铜电极相对的第二弧面铜电极。

S202、向所述第一弧面铜电极施加电压激励，将余下的弧面铜电极接地。

S203、所述阻抗分析仪将采集到的电容信号发送至计算机，由计算机判断待检油液中的污染物成分。

具体地，将交叉电容器的第一弧面铜电极接入阻抗分析仪的正极接口，对角位置的第二弧面铜电极接入阻抗分析仪的负极接口，并给一个2V的电压激励。阻抗分析仪采集到的电容信号传输至电脑端读取。根据电容信号的大小即可判断待检油液中的污染物成分，可通过每种污染物的介电常数不同引起测得的电容值不同有效区分固体、液体和气体污染物。

这种方法可以实现快速实时检测，且不易受到外部环境影响，而且它的显著优势是能够做到对污染物的区分检测。能够有效解决现有技术存在问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种交叉电容式传感器，其特征在于，包括：

基底，所述基底上凹刻有微流道，所述微流道的两端分别设置有注油口和出油口；以及

交叉电容结构，所述交叉电容结构包括4块相同的弧面铜电极以及电极支撑结构，所述弧面铜电极均由同一筒状铜电极均匀切割而来，且贴敷于所述电极支撑结构内表面，拼接成电极间具有微小间隙的筒状结构；

所述交叉电容结构部分嵌入基底，使得所述微流道从交叉电容结构内部轴向穿过。

2.根据权利要求1所述的交叉电容式传感器，其特征在于，所述微流道不沿所述交叉电容结构的中轴延伸。

3.一种如权利要求1所述的交叉电容式传感器的制作方法，其特征在于，包括：

S101、将交叉电容结构固定于载玻片上，同时将300μm细直铜线从交叉电容器中间穿过，按照预设的嵌入深度固定；

S102、调制透明高分子聚合物基体，放置于真空环境下45分钟，直至液态基体内部气泡完全消失；

S103、将基体浇筑到载玻片上，放置真空烤箱中以80℃烘烤2小时，直至液态高分子材料基体完全凝固；

S104、将所述细直铜丝从固态基体中拔出，并挖出注油口和出油口。

4.根据权利要求3所述的交叉电容式传感器的制作方法，其特征在于，所述高分子聚合物基体采用聚二甲基硅氧烷。

5.根据权利要求3所述的交叉电容式传感器的制作方法，其特征在于，所述细直铜线固定位置不沿所述交叉电容结构的中轴延伸。

6.一种交叉电容式油液检测系统，其特征在于，包括计算机、阻抗分析仪、注油装置、出油装置以及权利要求1中所述的交叉电容式传感器。

7.一种交叉电容式油液检测方法，基于权利要求6中所述的系统实现，其特征在于，具体步骤包括：

S201、连接装置，将阻抗分析仪连接至所述交叉电容式传感器，将阻抗分析仪的正极连接至距离所述微流道最近的第一弧面铜电极，将阻抗分析仪的负极连接至与第一弧面铜电极相对的第二弧面铜电极；

S202、向所述第一弧面铜电极施加电压激励，将余下的弧面铜电极接地；

S203、所述阻抗分析仪将采集到的电容信号发送至计算机，由计算机判断待检油液中的污染物成分。

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