CN114002237A - 一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统及其检测方法，由微波信号源、安装到油液输送管道中的微波谐振单元、输出信号处理器、参数检测单元、PC端和微波传输线构成，微波谐振单元分别通过微波传输线与微波信号源和输出信号处理器相连，微波信号源和输出信号处理器均连接至参数检测单元，参数检测单元连接PC端；微波谐振单元包括谐振腔壁、上管道和下管道、样品腔、探针、上齿轮和下齿轮、微波发射口及微波接收口。本发明检测系统成本低、数据采集速度快、微波信号功耗低，易于安装；检测方法适用范围广、不会对人体造成危害，检测速度快、检测精准，数据更新速度快，可实时检测产业链中油液的含水品质，便于工作人员实时监测。

Description

一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于微波技术下油液含水率在线监测技术领域，具体涉及基于微波技术的油液含水率在线检测系统及检测方法。

背景技术

随着经济和科学技术的发展，人类对成品油的需求越来越大，同时也越来越看重成品油的品质，其中成品油含水率是影响成品油品质的一个重要因素。成品油是由原油生产加工制成的，主要包括石油燃料、石油溶剂和润滑油等，其水分含量极低。成品油中的含水量对各类动力系统液压系统、燃油系统、滑油系统可靠性和安全性等有着重要影响。成品油中的水分过多会对工业设备安全造成隐患。国家标准下，润滑油中含水量要低于0.03％，部分油液含水量要为零。因为，在油液中有水分的存在，会使油液氧化变质，使润滑油乳化，从而降低润滑油的品质，使润滑效果变差；同样，油液中的水会加剧有机酸对金属的腐蚀，锈蚀设备，造成发动机抱轴、烧坏等严重机械事故。由此，精准并在线检测油液的含水率是在工业生产过程的重要环节，以此减少安全隐患、资金损耗。

目前，油液含水率检测的方法主要有密度法、电容法、射线法及微波法等。密度法测油液的含水量是通过纯油和纯水的密度来计算油液中的含水率，但是水和油的密度受温度和其他因素影响较大，导致密度法测量油液的含水率精确度不够。电容法测量方式是根据油液中水分变化，其电容也会变化来实现对水分的检测，但这种测量方式的检测范围比较小；射线法测量精度比较高，但其成本高昂，不能实现普遍适用；同时，射线对人体也具有一定的危害。

目前，以有的利用微波技术检测油液的含水率装置大部分用于检测含水较高的原油；对于低含水油液的传统检测是通过抽取少量样品，在实验室中进行油液检测，不能实现实时在线检测油液在生产和传输过程中的动态含水量变化；现有的在线监测低含水油液含水率装置的准确性较低，灵敏度不够。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种安装便捷的微波谐振腔技术检测油液含水率的检测系统，还提供一种微波谐振腔技术检测油液含水率的检测方法，以解决在线精准检测油液含水率的问题，能够实时、快速、准确地得到所测油液的含水情况。本发明通过双参数检测方法可以大大提高检测装置的精准度，同时能实现在生产线和传输线上安装便捷、在线监测等功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统，由微波信号源1、安装到油液输送管道中的微波谐振单元2、输出信号处理器3、参数检测单元4、PC端5和微波传输线6构成；所述微波谐振单元2分别通过微波传输线6与微波信号源1和输出信号处理器3相连，微波信号源1和输出信号处理器3均连接至参数检测单元4，参数检测单元4连接PC端5；

所述微波谐振单元2包括谐振腔壁8、与谐振腔壁8紧固的上管道7和下管道9、盛放检测油液的样品腔10、设置在样品腔10的一个或两个探针、放置在样品腔10上下两侧的上齿轮11和下齿轮12、微波发射口17以及微波接收口18；所述谐振腔壁8与样品腔10紧密接触，油液通过上管道7注入样品腔10中，与谐振腔壁8接触；所述微波发射口17和微在波接收口18处设有穿过谐振腔壁8固定于谐振腔中的SMA转接口；所述探针与SMA转接口的内侧插接，SMA转接口的外侧分别与微波传输线6相连；

所述微波信号源1通过微波传输线6连接到微波发射口17上，微波信号通过探针输入到谐振腔中，当输入的微波波长与谐振腔的尺寸相匹配时，腔内形成驻波，发生共振现象；微波信号由探针接收，再由微波接收口18通过微波传输线6输送到输出信号处理器3。

进一步地，所述上管道7及下管道9通过四根螺杆20和四个螺母19与谐振腔壁8紧固。

进一步地，所述谐振腔是开放式圆柱形谐振腔，两端由上齿轮11、下齿轮12组成，谐振腔壁8通过上齿轮11和下齿轮12与上管道7和下管道9紧密接触，组成一个整体。

进一步地，所述SMA转接口并不完全穿过谐振腔壁8，SMA转接口的内侧到样品腔10的距离为0.1～0.8mm。

进一步地，所述探针为两个，微波发射探针15和微波接收探针16，均不直接与谐振腔壁8接触，在探针与谐振腔壁8中间留有间隔，微波发射探针15和微波接收探针16分别与左侧SMA转接口13和右侧SMA转接口14插接。

更进一步地，所述微波信号源1为微波压控振荡器，输出信号处理器3为功率转换器，参数检测单元4为电压检测单元。

进一步地，所述探针为一个，单探针发射且接收微波信号。

更进一步地，所述微波信号源1用宽频带微波源代替；同时有部分的发射信号输入到接收机，检测输入信号；所述输出信号处理器3用功分器和定向耦合器组成的输出信号收集单元代替；所述参数检测单元4用接收机代替，实现对入射信号和反射信号的检测。

一种基于微波技术的油液含水率在线检测方法，包括以下步骤：

A、将微波谐振单元2安装到油液输送管道中，油液经过上管道7流入样品腔10中，最终从下管道9流出；

B、将微波信号源1、输出信号处理器3连接到微波谐振单元2；将参数检测单元4连接到微波信号源1和输出信号处理器3上；PC端5与参数测单元4相连；

C、在双探针谐振单元下，通过电压检测装置，检测压控振荡器的输入电压，由此得到谐振频率f；检测功率转换器输出的电压，以此得到谐振腔输出功率P，利用以上双参数测量实现计算出不同油液的含水率；或在单探针谐振单元下，通过接收机来检测输入谐振腔的谐振频率f和谐振腔内反射出的微波功率P，利用以上双参数测量实现计算出不同油液的含水率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明检测系统具有成本低、数据采集速度快(只需几分钟而不是几小时)、微波信号功耗低，易于安装等优点；

2、本发明将微波信号源、微波谐振腔、输出信号处理器、参数检测单元、PC端一体化，利用双参数测量实现系统地在线无损检测油液含水率，本检测系统具有体积小、测量精准、易于安装、适用范围广等特点，实现了在生产线、传输线上精准在线检测油液的含水率，解决了检测系统过大，安装拆卸繁琐等问题，且微波谐振腔作为管道的一部分接入，对整个生产线和传输线管道流体并无影响；

3、该检测系统及检测方法适用范围广、经济适用、微波发生源的功率较低，产生辐射极少，不会对人体造成危害；且该检测系统的检测速度快、检测精准，数据更新速度快，可实现实时检测产业链中油液的含水品质，便于工作人员实时监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的微波技术油液含水率监测系统结构框图；

图2是微波谐振单元的结构图；

图3是微波谐振单元的结构俯视图；

图4是圆柱形谐振腔TE111模场结构图；

图5是双探针谐振腔S参数与频率f关系曲线图；

图6是单探针谐振腔S参数与频率f关系曲线图；

图7是圆柱形谐振腔中加入含水率为0的油液与加入一定含水率的油液时谐振频率f与输出功率P关系曲线图。

图中：1.微波压控振荡器 2.微波谐振单元 3.功率转换器 4.电压检测单元 5.PC端 6.微波传输线 7.上管道 8.谐振腔壁 9.下管道 10.样品腔 11.上齿轮 12.下齿轮13.左侧SMA转接口 14.右侧SMA转接口 15.微波发射探针 16.微波接收探针 17.微波发射口 18.微波接收口 19.螺母 20.螺丝。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

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定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明使用HFSS仿真技术，实现圆柱形谐振腔的电磁仿真，确定仿真结果最好的谐振腔尺寸；通过仿真软件HFSS中optimize模块对谐振腔的半径、长度、探针伸入腔体长度、齿轮厚度、齿轮齿数进行优化，找到品质因数较好、能明显区分不同含水油液的谐振腔尺寸，结合实验验证本发明能快速得到不同油液的含水率。

圆柱形谐振腔的尺寸与谐振波长以及工作模式有关，由于水的介电损耗系数在频率为9.0～10.0GHz时较大，较稳定；因此，谐振腔的谐振频率选用9.0～10.0GHz。

在双探针谐振单元和单探针谐振单元下，谐振腔的工作模式为TE111模，如图3。根据公式(1)、公式(2)以及公式(3)初步计算出腔体的尺寸，其谐振波长λ₀、谐振频率f和品质因数Q₀分别为：

其中，R为圆柱形谐振腔的半径，L为圆柱形谐振腔的长，δ为趋肤深度，c为光速。

通过以上HFSS仿真，找到合适尺寸的圆柱形谐振腔，结合整个检测系统实现对油液含水率的在线检测。

如图1所示，本发明基于微波技术的油液含水率在线检测系统，由微波信号源1、微波谐振单元2、输出信号处理器3、参数检测单元4、PC端5和微波传输线6构成；所述微波谐振单元2分别通过微波传输线6与微波信号源1和输出信号处理器3相连。微波信号源1与输出信号处理器3都连接到参数测单元4，检测微波信号源1的和输出信号处理器3的相关微波信号参数信息。

所述微波谐振单元2包括谐振腔壁8、上管道7、下管道9、伸入谐振腔内的一个或两个探针、放置谐振腔体中的SMA转接口、盛放检测油液的样品腔10、上齿轮11、下齿轮12、微波发射口17和微波接收口18。上齿轮11、下齿轮12放置在样品腔10上下两侧。样品腔10与谐振腔壁8紧密接触。上管道7、下管道9和谐振腔壁8通过四根螺杆20和四个螺母19紧固，还可以通过它们与具体的测量系统油液管道连接。

所述谐振腔是开放式圆柱形谐振腔，两端由上齿轮11、下齿轮12所组成，齿轮结构有利于增大油液通过谐振腔的流量且有助于谐振腔的谐振，使谐振腔的品质因数增大；谐振腔壁8通过上齿轮11和下齿轮12与上管道7和下管道9紧密接触，组成一个整体。

所述探针可以为单探针或双探针。

为双探针时，分别为微波发射探针15和微波接收探针16，均不直接与谐振腔壁8接触，在探针与谐振腔壁8中间留有间隔，防止发生短路。在微波发射口17处放置了左侧SMA转接口13，微波发射探针15插在左侧SMA转接口13的内侧上，左侧SMA转接口13的外侧与微波传输线6相连。同样，微波接收口18放置了右侧SMA转接口14，接收微波探针16插在右侧SMA转接口14内侧上，右侧SMA转接口14的外侧与微波传输线6相连。

此时，所述微波信号源1在双探针一端发射、一端接收微波信号的情况下，使用微波压控振荡器；输出信号处理器3可以使用功率转换器；参数检测单元4采用电压检测单元实现相关参数的测量。

微波信号源1通过微波传输线6连接到微波发射口17上，微波信号通过微波发射探针15输入到谐振腔中，当输入的微波波长与谐振腔的尺寸相匹配时，腔内形成驻波，发生共振现象；微波信号由微波接收探针16接收，再由微波接收口18通过微波传输线6输送到输出信号处理器3。

为单探针时，伸入谐振腔内的微波发射探针15和微波接收探针16只保留一个，单探针实现发射且接收微波信号。

单探针发射并接收微波情况下，所述微波信号源1可以用宽频带微波源代替；同时有部分的发射信号输入到接收机，检测输入信号；所述输出信号处理器3可以用功分器和定向耦合器组成的输出信号收集单元代替；所述参数检测单元4可以用接收机代替，实现对入射信号和反射信号的检测。

所述SMA转接口并不完全穿过谐振腔壁8，SMA口的内侧到样品腔10的距离为0.1～0.8mm。

本发明中微波谐振单元2各个部分材料和尺寸选择，在双探针谐振腔内：所述上管道7、下管道9、谐振腔壁8选用金属材质，其内半径为8mm～13mm，厚度为4mm～8mm；所述微波发射探针15、微波接收探针16选用铜材质，长度为3～5mm，半径为0.25～0.5mm；探针放置在谐振腔轴向正中间；上齿轮11和下齿轮12选用金属材质，齿轮的厚度为0.8mm～1.5mm，齿轮齿数为4～12；谐振腔的高度为15mm～25mm。

在单探针谐振腔内：所述上管道7、下管道9、谐振腔壁8选用金属材质，其内半径为19mm～23mm，厚度为4mm～8mm；所述微波发射探针15、微波接收探针16选用铜材质，长度为3～5mm，半径为0.25～0.5mm；探针放置在谐振腔轴向正中间；上齿轮11和下齿轮12选用金属材质，齿轮的厚度为2mm～5mm，齿轮齿数为6～12；谐振腔的高度为45mm～55mm。

本发明的微波谐振单元如图2、图3所示，图中伸入谐振腔的微波发射探针15、微波接收探针16是设置在样品腔10的耦合探针，发送和接收电磁波。谐振腔壁8与样品腔10紧密接触，油液直接通过上管道7注入样品腔10中，油液直接与谐振腔壁8接触。

基于微波技术的油液含水率检测系统下的检测方法，包括以下步骤：

A、将微波谐振单元2安装到油液输送管道中，油液经过上管道7流入样品腔10中，最终从下管道9流出。在油液流经样品腔的过程中，要保证油液为层流，减少气泡的产生，避免对实验结果造成误差；

B、将微波信号源1、输出信号处理器3连接到微波谐振单元2；将参数测单元4连接到微波信号源1和输出信号处理器3上；PC端5与参数测单元4相连。

C、在双探针谐振单元下，通过电压检测装置，检测压控振荡器的输入电压，由此得到谐振频率f；检测功率转换器输出的电压，以此得到谐振腔输出功率P，利用以上双参数测量实现计算出不同油液的含水率；或在单探针谐振单元下，通过接收机来检测输入谐振腔的谐振频率f和谐振腔内反射出的微波功率P，利用以上双参数测量实现计算出不同油液的含水率。

油液含水率检测原理

水分子是有极性的，在外电场的作用下，水分子电偶极子受到电场作用，会重新排列，发生旋转极化现象。水分子极化过程中，吸收外电场能量，将其储存为势能；同时由于在极化过程中，水分子间的碰撞会将吸收的外电场能量以热能的形式释放。水分子有着高度的电位移，由此对微波能量有强烈反应。但油的电位移低，对微波能量的反应小。在谐振腔中，油液中极少的水也会造成油液的介电常数的变化；在谐振腔中，由于不同含水率的油液，对微波能量的反应不同，其介电常数也不同，每次的谐振频率以及从谐振腔输出的微波功率值也会随之不同。

系统检测前，需要对整个系统进行设备预热，预热时间30分钟，同时要保证检测过程外界温度不变，否则就要进行温度修正。

系统检测时，将待测油液注入样品腔10中，整个样品腔中的介电常数略有变化(大体积，小ε变化)，开始系统监测；微波信号源1以预定的频率范围9至15GHz之间振荡，微波信号通过探针输入到谐振腔中，在某个频率下，电磁波在谐振腔内振荡，形成驻波，发生共振现象。

本发明采用的是开放式圆柱形谐振腔，当在谐振腔内双探针实现发射和接收微波信号和谐振腔内只有一个探针实现微波的发射和接收的情况下，工作模式为TE111模，当腔体长度L>2.1R,此时TE111模是谐振腔中最低次模，干扰模较少；腔体较小、频带较宽；如图4所示：腔体内电场方向指向腔外，磁场由圆柱腔底部沿腔体表面指向圆柱腔顶部。该谐振腔的谐振频率为9.0～10.0GHz，在9.0～10.0GHz附近，水的介电常数约为70，油的介电常数约为2.3；且水的介电损耗系数要比油的介电损耗系数大的多，且对应谐振波长不大，设计得到的谐振腔尺寸较小，便于安装。

根据公式(1)、公式(2)以及公式(3)初步计算出腔体的尺寸，其谐振波长λ₀、谐振频率f和品质因数Q₀分别为：

其中，R为圆柱形谐振腔的半径，L为圆柱形谐振腔的长，δ为趋肤深度，c为光速。

通过以上公式得到初步腔体的尺寸，还需通过HFSS仿真修正腔体尺寸，确定探针伸入腔体的长度、齿轮的齿数以及齿轮的厚度，最终得到品质因数Q值较高且分辨率较好的谐振腔尺寸。

基于微波技术的油液含水率的在线检测是通过确定谐振腔中加入样品后与未加样品前谐振频率的变化来进行的，通过谐振频率计算得到不同含水油液的介电常数，来实现油液含水率的测量。在特定的谐振腔中谐振波长为常数，由于样品腔中样品的介电常数发生变化，谐振频率随着样品介电常数的变化而变化。系统未加入待测样品时(样品腔中为空气时)，此时微波压控振荡器输出9～15GHz的微波，某个频率的微波信号在谐振腔中共振；样品腔中注入油液后，腔内发生共振的微波信号的频率发生了变化，此时从谐振腔输出的功率值也发生相应的变化。

进一步地，所述通过谐振腔空腔与加入样品谐振频率与介电常数的关系、以及经谐振腔衰减后的功率与含水率的线性关系得到油液含水率，双参数测量的实现方法为：

在双探针谐振单元下，微波压控振荡器将低功率微波信号输入谐振腔中，功率转换器接收从谐振腔输出的微波信号功率，将其转换成电压。电压检测单元检测输入到微波压控振荡器的电压，由此计算得到相应的频率值f；电压检测单元检测功率转换器输出的电压，由此计算得到微波信号从谐振腔输出的功率值P。在单探针谐振单元下，宽频带微波源发射微波信号到谐振腔中，同时有部分的发射信号输入到接收机，检测输入微波频率f；用功分器和定向耦合器组成的输出信号收集单元接收从谐振腔反射回来的微波信号，最终输入到接收机，接收机检测到谐振腔反射回来的微波功率值P。将得到的相关参数检测值更新发送到PC端5。

该发明基于微波技术实现油液含水率在线检测所用到的关键部分是谐振腔单元2。在谐振腔中，电磁波在腔体内来回反射，当电磁波的波长与谐振腔的尺寸匹配，会产生驻波，发生谐振；在整个腔体内充满样品，通过大体积，小的介电变化实现介电微扰；谐振腔内的样品介电常数发生变化时，腔体内部的电磁场、谐振频率、输出功率值也会随之发生变化。该发明中谐振腔内的样品为不同含水的油液，油液中含水量变化，其介电常数也会发生变化，介电的变化引起腔内谐振频率和谐振腔的输出功率的变化。最终将谐振频率和微波输出功率与油液的含水率联系起来。

微波信号源1通过微波传输线6将低功率宽频带微波输入谐振腔中，此时电磁波在含有油液的样品腔10中来回传播，微波接收探针16接收电磁波，输出信号处理器3将接收到的电磁波信号，最终通过参数检测单元4检测相关微波信号参数。参数检测单元4检测输入到微波谐振单元2的频率，由此得到相应的谐振频率值f；参数检测单元4检测输出信号处理器3中的输出微波信号功率转换后的电压值，由此计算得到谐振腔的输出功率值P。

样品腔中未加样品时(空腔)，在谐振腔中，电磁波发生谐振；当样品腔中注入油液时，谐振频率f、S参数、品质因数Q值都会发生相应的改变，谐振频率随介电常数的变化而变化，通过油液和空腔的谐振频率，便会计算出油液的含水率；双探针和单探针谐振单元中，空腔和注入油液谐振腔谐振频率f与S参数的曲线分别如图5、图6所示。

通过测量谐振频率f、谐振腔的输出功率P，通过这些参数，都可以计算得到油液的含水率。本发明采用双参数检测，方法如下：

微波信号源1通过微波传输线6将低功率宽频带微波(9GHz～15GHz)输入谐振腔中，此时电磁波在含有油液的样品腔10中来回传播，微波接收探针16接收电磁波，输出信号处理器3将接收到的电磁波信号，最终通过参数检测单元检测谐振腔输出的微波功率。未加油液时(空腔下)，通过PC端获取相应的谐振功率f_vac，在样品腔10中注入不同含水的油液后，此时油液的介电常数为ε_mix，同样的在PC端获取一定含水率的油液的谐振频率f_mix。根据以下公式可以得到该油液的介电常数ε_mix：

将(4)式变换得到(5)式，如下：

根据布吕格曼方程，已知水的介电常数ε_water、油的介电常数ε_oil(在温度一定的情况下，水的介电常数ε_water、油的介电常数ε_oil为常数)，可得到油液的含水率β；油液的含水率β由以下公式计算得到：

在PC端同时可以接收到谐振腔的衰减功率，在空腔的情况下，此时得到谐振腔的输出功率为P_vac；谐振腔注入油液时，此时谐振腔的输出功率为P_mix。微波信号的输入功率是常数，为P₀。随着油液中含水量的增加，谐振腔中微波能量的损耗也增加，谐振腔中注入不同含水率的油液，得到的输出功率值也随之不同。微波通过介质后，谐振腔的衰减量N由以下公式计算得到：

式中：P₁代表谐振腔输出后的功率；P₀代表谐振腔的输入功率。

由(7)式，分别得到空腔下的衰减量N₀和加入油液后的衰减量N’；公式如下：

对微波功率衰减量的精确测量，经过统计分析可得出衰减量N与油液含水率β的关系，如以下公式：

β＝kN (10)

式中：k为比例系数。

根据统计分析，确定好比例系数k的数值，便可通过(10)式计算得到油液的含水率；本发明的检测方法是通过测量谐振频率f和谐振腔输出功率P双参数，实现精准测量油液的含水率。

实施例1

本发明基于微波技术的油液含水率在线检测系统，由微波信号源1、微波谐振单元2、输出信号处理器3、参数检测单元4、PC端5和微波传输线6构成；所述微波谐振单元2分别通过微波传输线6与微波信号源1和输出信号处理器3相连。

本发明中微波谐振单元2各个部分材料选择，在双探针谐振腔中，所述上管道7、下管道9、谐振腔壁8选用金属材质，其内半径为8mm～13mm，厚度为4mm～8mm；所述微波发射探针15、微波接收探针16选用铜材质，长度为3～5mm，半径为0.25～0.5mm；探针放置在谐振腔轴向正中间；上齿轮11和下齿轮12选用金属材质，齿轮的厚度为0.8mm～1.5mm，齿轮齿数为4～12；谐振腔的高度为15mm～25mm。

然而在单探针谐振腔中，所述上管道7、下管道9、谐振腔壁8选用金属材质，其内半径为19mm～23mm，厚度为4mm～8mm；所述微波发射探针15、微波接收探针16选用铜材质，长度为3～5mm，半径为0.25～0.5mm；探针放置在谐振腔轴向正中间；上齿轮11和下齿轮12选用金属材质，齿轮的厚度为2mm～5mm，齿轮齿数为6～12；谐振腔的高度为45mm～55mm。

对于各个部件材料的选择，都是经过实验和仿真进行的最佳选择，尽可能实现不同含水率的油液谐振频率f和微波输出功率值P分辨度的越大越好。由于本发明的测量精度高，且微波对于器件的加工要求严格，所以谐振腔内壁的加工要足够精准、必须光滑，齿轮表面也必须光滑，否则实验结果有很大误差。

以5种不同含水量的油液为例：

通过HFSS仿真实验，双探针情况下：在谐振腔的内半径为10～11mm，谐振腔壁厚为5～8mm，齿轮厚度为1～2mm时；在单探针情况下：腔的内半径为19～22mm，谐振腔壁厚为5～8mm，齿轮厚度为3～5mm时，测量不同低含水的油液，谐振频率分开的效果最好(如图7所示)。

实施例2

基于微波技术的油液含水率在线检测方法，微波谐振单元2采用的双探针谐振腔，具体实施步骤如下：

未加油液时(空腔下)，通过PC端获取相应的谐振功率f_vac，此时的谐振频率f_vac的范围为14～15GHz；加入油液后，PC端得到的谐振频率f的范围为9～10GHz(在该频率范围内，对油液中水的变化最为敏感，对于不同的含水量的分辨率更好)。

为了测量油液的含水率，分别配置了不同含水的油液进行实验测试：样品1为含水率为0％的油液；样品2为含水率为0.05％的油液；样品3为含水率为0.1％的油液；样品4为含水率为0.15％的油液；样品5为含水率为0.2％的油液；将五个样品分别注入到谐振腔中，可在PC端分别获得其每个样品的谐振频率f₁、f₂、f₃、f₄、f₅。通过不同含水油液的谐振频率，通过(4)(5)(6)计算得到油液的含水率。

谐振腔注入样品1时，f₁＝9.47～9.48GHz，f_vac＝14.3～14.32GHz，可求得该样品的介电常数为2.3，检测到样品1的含水率为0。

谐振腔注入样品2时，f₂＝9.46～9.47GHz，可求得该样品的介电常数为2.30317，检测到样品1的含水率为0.05％。

谐振腔注入样品3时，f₃＝9.45～9.46GHz，可求得该样品的介电常数为2.30635，检测到样品1的含水率为0.1％。

谐振腔注入样品4时，f₄＝9.44～9.45GHz，可求得该样品的介电常数为2.30953，检测到样品1的含水率为0.15％。

谐振腔注入样品5时，f₅＝9.43～9.44GHz，可求得该样品的介电常数为2.3127，检测到样品1的含水率为0.2％。

未加油液时(空腔下)，通过PC端获取相应的输出功率为P_out，在样品腔中分别依次注入样品1、样品2、样品3、样品4、样品5的油液，在PC端分别获得其每个含水的谐振腔输出功率P₀、P₁、P₂、P₃、P₄。通过不同含水油液的输出功率值，检测油液的含水率。

谐振腔注入样品1时，P₀＝16.86～16.91dBm，根据谐振腔的输出功率得到衰减量，衰减量与含水率的归一化曲线，检测到样品1的含水率为0％。

谐振腔注入样品2时，P₁＝16.80～16.85dBm，根据谐振腔的输出功率得到衰减量，衰减量与含水率的归一化曲线，检测到样品1的含水率为0.05％。

谐振腔注入样品3时，P₂＝16.74～16.79dBm，根据谐振腔的输出功率得到衰减量，衰减量与含水率的归一化曲线，检测到样品1的含水率为0.1％。

谐振腔注入样品4时，P₃＝16.68～16.73dBm，根据谐振腔的输出功率得到衰减量，衰减量与含水率的归一化曲线，检测到样品1的含水率为0.15％。

谐振腔注入样品5时，P₄＝16.62～16.67dBm，根据谐振腔的输出功率得到衰减量，衰减量与含水率的归一化曲线，检测到样品1的含水率为0.2％。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统，其特征在于：由微波信号源(1)、安装到油液输送管道中的微波谐振单元(2)、输出信号处理器(3)、参数检测单元(4)、PC端(5)和微波传输线(6)构成；所述微波谐振单元(2)分别通过微波传输线(6)与微波信号源(1)和输出信号处理器(3)相连，微波信号源(1)和输出信号处理器(3)均连接至参数检测单元(4)，参数检测单元(4)连接PC端(5)；

所述微波谐振单元(2)包括谐振腔壁(8)、与谐振腔壁(8)紧固的上管道(7)和下管道(9)、盛放检测油液的样品腔(10)、设置在样品腔(10)的一个或两个探针、放置在样品腔(10)上下两侧的上齿轮(11)和下齿轮(12)、微波发射口(17)以及微波接收口(18)；所述谐振腔壁(8)与样品腔(10)紧密接触，油液通过上管道(7)注入样品腔(10)中，与谐振腔壁(8接触；所述微波发射口(17)和微在波接收口18处设有穿过谐振腔壁(8)固定于谐振腔中的SMA转接口；所述探针与SMA转接口的内侧插接，SMA转接口的外侧分别与微波传输线(6)相连；

所述微波信号源(1)通过微波传输线(6)连接到微波发射口(17)上，微波信号通过探针输入到谐振腔中，当输入的微波波长与谐振腔的尺寸相匹配时，腔内形成驻波，发生共振现象；微波信号由探针接收，再由微波接收口(18)通过微波传输线(6)输送到输出信号转换器(3)。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统，其特征在于：所述上管道(7)及下管道(9)通过四根螺杆(20)和四个螺母(19)与谐振腔壁(8)紧固。

3.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统，其特征在于：所述谐振腔是开放式圆柱形谐振腔，两端由上齿轮(11)、下齿轮(12)组成，谐振腔壁(8)通过上齿轮(11)和下齿轮(12)与上管道(7)和下管道(9)紧密接触，组成一个整体。

4.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统，其特征在于：所述SMA转接口并不完全穿过谐振腔壁(8)，SMA转接口的内侧到样品腔(10)的距离为0.1～0.8mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统，其特征在于：所述探针为两个，微波发射探针(15)和微波接收探针(16)，均不直接与谐振腔壁(8)接触，在探针与谐振腔壁(8)中间留有间隔，微波发射探针(15)和微波接收探针(16)分别与左侧SMA转接口(13和右侧SMA转接口(14)插接。

6.根据权利要求4所述的一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统，其特征在于：所述微波信号源(1)为微波压控振荡器，输出信号处理器(3)为功率转换器，参数检测单元(4)为电压检测单元。

7.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统，其特征在于：所述探针为一个，单探针发射且接收微波信号。

8.根据权利要求7所述的一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统，其特征在于：所述微波信号源(1)用宽频带微波源代替；同时有部分的发射信号输入到接收机，检测输入信号；所述输出信号处理器(3)用功分器和定向耦合器组成的输出信号收集单元代替；所述参数检测单元(4)用接收机代替，实现对入射信号和反射信号的检测。

9.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的油液含水率在线检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将微波谐振单元(2)安装到油液输送管道中，油液经过上管道(7)流入样品腔(10)中，最终从下管道(9)流出；

B、将微波信号源(1)、输出信号处理器(3)连接到微波谐振单元(2)；将参数测单元(4)连接到微波信号源(1)和输出信号处理器(3)上；PC端(5)与参数测单元(4)相连；

C、在双探针谐振单元下，通过电压检测装置，检测压控振荡器的输入电压，由此得到谐振频率f；检测功率转换器输出的电压，以此得到谐振腔输出功率P，利用以上双参数测量实现计算出不同油液的含水率；或在单探针谐振单元下，通过接收机来检测输入谐振腔的谐振频率f和谐振腔内反射出的微波功率P，利用以上双参数测量实现计算出不同油液的含水率。

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