一种微波透射式油中微量水分在线检测系统及其检测方法

1.本发明涉及微量水分检测技术领域，特别是涉及一种微波透射式油中微量水分在线检测系统及其检测方法。


背景技术：

2.目前，在工业生产中对油中的微量水分越来越重视，油中的微量水分不仅影响油的质量，还有可能引起生产事故，比如淬火油是一种金属零件淬火工序中常见的冷却介质，随着使用时间增长，淬火油中会混入水分导致油的品质变差以及失效，在高温环境下，淬火油中含有水分还会带来火灾隐患，因为淬火油中的水分会在高温下沸腾膨胀，使淬火油从淬火池中溢出，若溢出的淬火油遇到高温物体，则会引发火灾。一般情况下，淬火油中含水率要控制在0.03％以下，当淬火油中水分含量大于0.02％时就需要引起重视，目前能够检测油中微量水分的设备分为离线式与在线式两大类，离线式测量需要检测人员进行一系列复杂的操作，使用到很多化学试剂，并且离线式测量最大的问题是等待时间很长，测量结果不具有实时性，无法实现工业现场的实时监控；在线式测量设备具有操作简单、实时显示结果的优点。申请号为202011168084.1的专利文献公开了基于微波透射法的远程原油含水率测量装置及其测量方法。该方法通过检测微波损耗值的方法，实现了原油中含水率的检测并且可以将检测结果上传云端，实现了在线式与非接触式的检测，但是其也具有检测精度不够高，无法检测油中0.1％以下的水分并且也不能对含水率超标的情况进行警告以及设备体积不够小巧的缺点。而目前已有的在线式微量水分检测设备均为接触式检测并且有一些设备还需要额外的化学试剂，这会导致油品受到污染，设备传感器也会被腐蚀，检测产生的废液还需要专门处理。因此，需要一款可以实现非接触测量的油中微量水分在线检测设备，这既能保证检测结果的实时性，还能保证油品的质量并延长设备的使用寿命。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种微波透射式油中微量水分高精度在线检测系统及其检测方法，可以实现非接触测量，既能保证检测结果的实时性，还能保证油品的质量并延长设备的使用寿命。
4.为了达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
5.一种微波透射式油中微量水分高精度在线检测系统，包括上外壳1和下外壳2扣合在一起形成的设备外壳20，设备外壳20内部安装有锂电池40和检测系统电路板30，以及与检测系统电路板30信号连接并位于设备外壳20外部的试样检测模块90，其中检测系统电路板30通过定位孔安装在上外壳1内部，锂电池40安装在下外壳2内部，锂电池40为检测系统电路板30提供12v的直流电能。
6.所述的检测系统电路板30包括电源模块50、数据处理模块60、信号采集模块70和微波器模块80；电源模块50的输入端与锂电池40连接，电源模块50的输出端与数据处理模块60、信号采集模块70和微波器模块80连接进行供电；数据处理模块60与信号采集模块70
连接并接收信号采集模块70发送的数据进行微量水分的计算，同时数据处理模块60将微量水分计算结果实时显示；信号采集模块70与微波器模块80连接接收微波器模块80的电压信号并通过信号转换输出数字信号发送给数据处理模块60；微波器模块80与试样检测模块90连接，通过发射和接收微波信号检测微波信号功率的衰减，并将发射端与接收端的功率值分别转换为对应的电压值输出给信号采集模块70。
7.所述试样检测模块90包括发射端天线901、接收端天线903和试样测试容器902，发射端天线901接收微波器模块80产生的微波信号并将微波信号发射到空气当中，接收端天线903接收发射端天线901所发射的微波信号并将微波信号传输到微波器模块80，所述微波信号透射穿过试样测试容器902中的被测试样发生功率衰减，试样测试容器902放置被测油品试样并固定被测试样的体积，发射端天线901和接收端天线903分别安装在试样测试容器902的两端。
8.所述数据处理模块60包括单片机最小系统601、显示屏模块602、调试串口603和功能按键604；
9.单片机最小系统601，用于接收信号采集模块发送的16位数据，所述16位数据为信号采集模块将从微波器模块采集的模拟电压信号转换而来的一组数字信号；同时所述单片机最小系统通过内部微量水分计算程序将所述16位数据计算得到被测试样的微量水分信息并发送给显示屏模块；所述单片机最小系统还通过功能按键与调试串口进行程序功能的选择以及程序的调试和烧写；
10.显示屏模块602，用于动态显示被测试样微量水分的数值、锂电池剩余电量信息以及警告信息；
11.调试串口603，用于将检测系统电路板与外部上位机连接，进行程序调试、程序烧写以及将检测系统电路板的数据发送给上位机；
12.功能按键604，用于选择单片机最小系统601中的程序的功能，实现显示数值、记录曲线和水分超标警告检测功能以及程序的调试。
13.所述信号采集模块70包括第一运算放大器701、第二运算放大器702、减法器703、adc芯片704；
14.第一运算放大器701，用于对第一对数检波器805输出电压进行可调倍数放大，使第一运算放大器701的输出电压恰好为3.3v，所述第一运算放大器701输出电压作为微量水分计算过程中的基准值即未经衰减的微波功率值；
15.第二运算放大器702，用于对第二对数检波器809输出电压进行可调倍数放大，使第二运算放大器702的输出电压在试样测试容器中未装入被测试样时为3.3v，即此时第一运算放大器701和第二运算放大器702的输出电压差值基本为0；
16.减法器703，用于将第一运算放大器701和第二运算放大器702的输出电压作差，做差后的电压被放大100倍输出到adc芯片704；
17.adc芯片704，用于采集减法器703输出的电压信号，将电压信号转换成对应的16位数字信号，通过spi协议发送数据给单片机最小系统。
18.所述微波器模块80包括压控振荡器801、可变增益放大器802、第一带通滤波器803、第一定向耦合器804、第一对数检波器805、带线隔离器806、第二带通滤波器807、第二定向耦合器808、第二对数检波器809、负电压电源810和精密可调电阻811；压控振荡器801，
用于产生10ghz微波信号。
19.可变增益放大器802，用于对压控振荡器801输出的微波信号进行可控制增益的放大或衰减以达到控制发射功率的目的。所述可变增益放大器802的增益控制电压由负电压电源提供并通过精密可调电阻进行精密调节实现
‑
3.3v至
‑
1v之间变化，其增益值在
‑
2db至16db之间变化。
20.第一带通滤波器803，用于对发射端微波信号进行带通滤波，以减少微波信号的谐波噪声。
21.第一定向耦合器804，用于耦合发射端传输线上的微波信号功率，所述耦合得到的微波信号功率反映了发射端微波信号功率的数值。
22.第一对数检波器805，用于检测第一定向耦合器804输出的微波信号功率并输出对应的直流电压，以反映其接收的微波信号功率大小。
23.带线隔离器806，用于隔离发射端的反射信号，使反射信号无法返回到第一定向耦合器804。
24.第二带通滤波器807，用于对接收端微波信号进行带通滤波。
25.第二定向耦合器808，用于耦合接收端传输线上的微波信号功率。
26.第二对数检波器809，用于检测第二定向耦合器807输出的微波信号功率并输出对应的直流电压，以反映其接收的微波信号功率大小。
27.负电压电源810，用于产生
‑
3.3v直流电压为可变增益放大器802的增益控制端、栅极控制端提供负电压。
28.精密可调电阻811，用于组成串联分压电路，使输出到可变增益放大器802增益控制端的电压在
‑
3.3v至
‑
1v之间变化。
29.所述设备外壳的上外壳1与下外壳2采用非对称的结构，上外壳1与下外壳2的配合面采用内外交错扣合的方式，上外壳1与下外壳2采用螺丝进行固定。
30.所述上外壳1用于固定检测系统电路板并为检测系统电路板的结构件留出开口，所述上外壳1的开口包括显示屏模块开口3、功能按键开口4、微波器模块发射端开口9和微波器模块接收端开口10，另外还包括检测系统电路板固定孔5、防反装结构6和上下外壳安装孔7；
31.所述下外壳2用于固定锂电池并为锂电池结构件留出开口，所述下外壳开口包括电源开关开口8、锂电池充电开口11、防反装结构6和上下外壳安装孔7。
32.所述第一带通滤波器803和第二带通滤波器807是一种微带线器件，其3db带宽为9ghz
‑
11 ghz，中心频率为10ghz，在10ghz的插入损耗为0.7db，所述第一带通滤波器803和第二带通滤波器807的结构采用阶跃阻抗线与平行耦合线相结合的方式，其结构为：输入端口1001、第一阶跃阻抗谐振器1002、交指平行耦合线1003、第二跃阻抗谐振器1004和输出端口1005依次连接，第一带通滤波器803的输入端口连接可变增益放大器802，输出端口连接第一定向耦合器804。第二带通滤波器807的输入端口连接接收端天线903，输出端口连接第二定向耦合器808。
33.所述信号采集模块70利用微波器模块中的第一对数检波器805和第二对数检波器809的输出电压作为信号处理和采集对象，第一对数检波器805和第二对数检波器809的输出电压先分别经过第一运算放大器701和第二运算放大器702的放大，在没有任何被测试样
加入时，第一运算放大器701和第二运算放大器702的输出电压相等，当加入含水的被测试样时，第二对数检波器809的输出电压发生衰减从而第二运算放大器702的输出电压也减小，此时第一运算放大器701的输出电压和第二运算放大器702的输出电压产生差异，经过减法器703作差并放大100倍后输入adc芯片704进行电压采集，减法器703的输出电压与输入电压的关系为v
out
＝100*(v
in+
‑
v
in
‑
)，其中v
out
为减法器703输入到adc芯片704的电压，v
in+
为第一运算放大器701的输出电压，v
in
‑
为第二运算放大器702的输出电压，adc芯片704进行电压采集的adc采集值变化范围为0
‑
65535，若将(v
in+
‑
v
in
‑
)记为δv，则adc采集值data与电压差δv的关系为
[0034][0035]
本发明还提供一种微波透射式油中微量水分高精度在线检测系统的检测方法，包括以下步骤：
[0036]
将被测油品加入试样测试容器902并使油面高度达到试样测试容器902内的刻度线，然后开启检测系统的电源开关，系统上电后产生频率为10ghz的微波信号，通过发射端天线901和接收端天线903发射和接收微波信号就可使微波信号在透射过被测油品时发生功率的衰减，通过第一对数检波器805与第二对数检波器809分别对微波器模块80的发射机和接收机进行检波得到发射端天线901发射的微波信号功率值和接收端天线903接收的微波信号功率值并输出对应的直流电压信号，发射机与接收机微波信号功率值对应的电压信号再经过第一运算放大器701和第二运算放大器702的放大实现微波信号没有衰减时两路电压信号没有电压差，当微波信号产生功率衰减后第二运算放大器702的输出电压即接收机微波信号功率的检波电压逐渐减小，两路电压产生差异之后通过减法器703电路将两路电压信号先作差后放大，使微波功率的微弱衰减量进一步放大实现高精度检测，再将代表微波信号功率衰减量的电压信号通过16位adc芯片704采集得到高精度的数据，并将数据发送到单片机最小系统601代入提前标定的微量水分与adc采集值的关系式可得到微量水分检测结果，最后通过显示屏模块602将微量水分信息进行展示。
[0037]
本发明的创新点：
[0038]
(1)使用微波透射的方法进行油中微量水分检测，在微量水分检测领域未见相同应用，实现了非接触的在线检测。
[0039]
(2)采用集成化的电路设计方法，使检测系统具有小巧的体积，同时检测精度几乎不受影响，操作步骤简单，检测结果实时显示。
[0040]
(3)采用减法器电路对发射机与接收机的检波电压信号的差值进行100倍放大，在电压采集精度不变的情况下进一步放大了两路电压差值的数值，使系统检测灵敏度提高100倍，在几乎不增加成本的前提下提高了检测灵敏度。
[0041]
(4)使用硬件电路对电压信号进行比例和减法运算，相比用软件程序处理信号具有更高的精度和可靠性，adc芯片所输出的数字信号直接反映了微波信号的功率衰减值，比输出模拟信号具有更强的抗干扰性，减少单片机i/o口的占用的同时，避免了由于单片机采集多路电压不同步带来的检测误差。
附图说明
[0042]
图1是本发明的整体系统框图。
[0043]
图2是本发明主要功能电路及模块的系统框图。
[0044]
图3是本发明设备外壳的轴测图。
[0045]
图4是本发明试样检测模块的主视图。
[0046]
图5是本发明第一带通滤波器与第二带通滤波器的结构主视图。
[0047]
图6是本发明压控振荡器的电路原理图。
[0048]
图7是本发明可变增益放大器的电路原理图。
[0049]
图8是本发明第一对数检波器与第二对数检波器的电路原理图。
[0050]
图9是本发明第一运算放大器的电路原理图。
[0051]
图10是本发明第二运算放大器的电路原理图。
[0052]
图11是本发明减法器的电路原理图。
[0053]
图12是本发明adc芯片的电路原理图。
[0054]
图13是本发明单片机最小系统的电路原理图。
[0055]
图14是本发明显示屏模块的电路原理图。
[0056]
图15是本发明实际测试结果与标定函数的比较图。
[0057]
图16是本发明显示屏模块显示的系统信息和微量水分信息。
[0058]
其中：1
‑
上外壳；2
‑
下外壳；3
‑
显示屏模块开口；4
‑
功能按键开口；5
‑
检测系统电路板固定孔；6
‑
防反装结构；7
‑
上下外壳安装孔；8
‑
电源开关开口；9
‑
微波器模块发射端开口；10
‑
微波器模块接收端开口；11
‑
锂电池充电开口；901
‑
发射端天线；902
‑
试样测试容器；903
‑
接收端天线；1001
‑
输入端口；1002
‑
第一阶跃阻抗谐振器；1003
‑
交指平行耦合线；1004
‑
第二阶跃阻抗谐振器；1005
‑
输出端口。
具体实施方式
[0059]
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图，并获得其他的实施方式。
[0060]
为使图面简洁，各图中只示意性地表示了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘制了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
[0061]
本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
[0062]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或
描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0063]
如图1所示，一种微波透射式油中微量水分高精度在线检测系统，包括上外壳1和下外壳2扣合在一起形成的设备外壳20，设备外壳20内部安装有锂电池40和检测系统电路板30，以及与检测系统电路板30信号连接并位于设备外壳20外部的试样检测模块90，其中检测系统电路板30通过定位孔安装在上外壳1内部，锂电池40安装在下外壳2内部，锂电池40为检测系统电路板30提供12v的直流电能，保证检测系统电路板正常工作，所述锂电池可循环充电。如图2、图3和图4所示，检测系统电路板30通过位于其四角的固定孔用螺丝固定在上外壳1的检测系统电路板固定孔5上，锂电池40固定在下外壳2的内部，上外壳1与下外壳2通过上下外壳安装孔7用螺丝固定。
[0064]
所述的检测系统电路板30用于产生频率为10ghz微波信号，发射并接收所述微波信号，将所述微波信号的功率转化为电压信号并对所述电压信号进行放大和采集，之后对采集到的电压信号进行运算得到微量水分结果，最后将微量水分信息显示给使用人员；包括电源模块50、数据处理模块60、信号采集模块70和微波器模块80；电源模块50的输入端与锂电池40连接，电源模块50的输出端与数据处理模块60、信号采集模块70和微波器模块80连接进行供电；电源模块50，用于将所述锂电池40的12v电压进行降压处理，转换成所述检测系统电路板30上各个芯片模块所需的3.3v、3.4v、5v、5.4v等电压，然后通过导线与各个芯片模块进行电气连接提供电能；数据处理模块60与信号采集模块70连接并接收信号采集模块70发送的数据进行微量水分的计算，同时数据处理模块60将微量水分计算结果实时显示；信号采集模块70与微波器模块80连接接收微波器模块80的电压信号并通过信号转换输出数字信号发送给数据处理模块60；微波器模块80与试样检测模块90连接，通过发射和接收微波信号检测微波信号功率的衰减，并将发射端与接收端的功率值分别转换为对应的电压值输出给信号采集模块70；
[0065]
所述试样检测模块90用于放置被测油品并发射和接收所述微波器模块80产生的微波信号，包括发射端天线901、接收端天线903和试样测试容器902，发射端天线901接收微波器模块80产生的微波信号并将微波信号发射到空气当中，接收端天线903接收发射端天线901所发射的微波信号并将微波信号传输到微波器模块80，所述微波信号透射穿过试样测试容器902中的被测试样发生功率衰减，试样测试容器902放置被测油品试样并固定被测试样的体积，发射端天线901和接收端天线903分别安装在试样测试容器902的两端。
[0066]
所述数据处理模块60用于接收所述微波信号功率所转换的电压数据，之后对发射端和接收端的电压差值信息进行运算得出微量水分结果，最后向使用人员展示微量水分信息，包括单片机最小系统601、显示屏模块602、调试串口603和功能按键604；
[0067]
单片机最小系统601，用于接收信号采集模块发送的16位数据，所述16位数据为信号采集模块将从微波器模块采集的模拟电压信号转换而来的一组数字信号；同时所述单片机最小系统通过内部微量水分计算程序将所述16位数据计算得到被测试样的微量水分信息并发送给显示屏模块；所述单片机最小系统还通过功能按键与调试串口进行程序功能的选择以及程序的调试和烧写；
[0068]
显示屏模块602，用于动态显示被测试样微量水分的数值、锂电池剩余电量信息以及警告信息；
[0069]
调试串口603，用于将检测系统电路板与外部上位机连接，进行程序调试、程序烧写以及将检测系统电路板的数据发送给上位机；
[0070]
功能按键604，用于选择单片机最小系统601中的程序的功能，实现显示数值、记录曲线和水分超标警告检测功能以及程序的调试。
[0071]
如图2、图13和图14所示，单片机最小系统601中的微控制器芯片(u10)的第一类电源引脚(6、17、32、33、39、52、62、72、84、95、108、121、131、144)接3.3v电压(f103_3.3v)，第二类电源引脚(16、30、31、38、51、61、71、83、94、107、120、130、143)接地(dgnd)。时钟输入引脚(23)与晶振(y1)的第一引脚(1)连接，时钟输出引脚(24)与晶振(y1)的第二引脚(2)连接。
[0072]
所述微控制器芯片(u10)的显示屏模块第一类数据引脚(56、58、59、60、63、64、65、66、67、68、77、78、79、85、86、114、115、118、119、127)接显示屏模块602接口(p1)的第一类数据引脚(1、2、3、4、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21)连接。
[0073]
所述微控制器芯片(u10)的显示屏模块第二类数据引脚(21、22、47、48、49)与显示屏模块602接口(p1)的第二类数据引脚(29、30、31、33、34)连接。
[0074]
所述微控制器芯片(u10)的显示屏背光控制引脚(46)与显示屏模块602接口(p1)的背光控制引脚(23)连接。
[0075]
所述微控制器芯片(u10)的第一类调试串口引脚(103、109、110、133、134)和第二类调试串口(101、102)与调试串口603连接。
[0076]
所述微控制器芯片(u10)的功能按键引脚(26、27、28)与功能按键模块604连接。
[0077]
所述微控制器芯片(u10)的电压差值数据接收引脚(75)与adc芯片704的数据输出引脚(adc_sdo)连接，spi时钟引脚(74)与adc芯片704的时钟输入引脚(adc_sck)连接。
[0078]
所述微控制器芯片(u10)的电池电量检测引脚(44)与电源模块50输入端的电阻串联分压网络(dian_liang)连接。
[0079]
具体的，如图2所示，单片机最小系统601实现以下功能：
[0080]
接收操作信息：功能按键604可以向单片机最小系统601发送使用人员的操作信息，所述操作信息包括界面菜单选择、微量水分检测功能确认和微控制器芯片复位。单片机最小系统601中的微控制器芯片可以接收所述操作信息并执行对应功能；
[0081]
接收发射端、接收端微波信号功率差值adc采集数据：所述发射端、接收端微波信号功率差值adc采集数据为adc芯片704所发送的代表微波信号功率衰减值的16位数据，单片机最小系统601中的微控制器芯片通过spi协议接收所述发射端、接收端微波信号功率差值数据，并将16位二进制数据转换为对应的十进制数据用于微量水分结果的计算；
[0082]
计算微量水分结果：所述微量水分结果为adc采集数据与微量水分关系式的计算结果，所述微控制器芯片通过接收adc芯片704发送的16位数据并代入所述adc采集数据与微量水分关系式得到微量水分检测结果，所述adc采集数据与微量水分关系式为通过预先微量水分标定实验得到的数学表达式；
[0083]
显示系统信息：所述系统信息包括锂电池电量信息、环境温度信息、微量水分检测信息、微量水分曲线、水分超标警告信息，所述微控制器芯片通过数据接口将所述系统信息
发送给显示屏模块602向使用人员展示所述系统信息。
[0084]
所述信号采集模块70信号采集模块70，用于对所述微波信号功率所转换的电压信号进行放大和采集，将模拟信号转换为数字信号，并将由数字信号组成的电压数据发送给数据处理模块60，包括第一运算放大器701、第二运算放大器702、减法器703、adc芯片704；
[0085]
第一运算放大器701，用于对第一对数检波器805输出电压进行可调倍数放大，使第一运算放大器701的输出电压恰好为3.3v，所述第一运算放大器701输出电压作为微量水分计算过程中的基准值即未经衰减的微波功率值；
[0086]
具体如图2、图9所示，第一运算放大器701(u14)的第一电源引脚(5)接3.4v电压(adc_3.4v)，第二电源引脚(2)接地(agnd)，同相输入引脚(3)接第一对数检波器805(u8)输出的检波电压(fa_she)，输出引脚(1)输出放大后的发射端电压(fa_she_2)作为微量水分结果计算的基准值。反相输入引脚(4)接由精密可调电阻(r58)和电阻(r52)组成的串联分压网络，所述串联分压网络的输入端接输出引脚(1)，另一端接地(agnd)。
[0087]
第二运算放大器702，用于对第二对数检波器809输出电压进行可调倍数放大，使第二运算放大器702的输出电压在试样测试容器中未装入被测试样时为3.3v，即此时第一运算放大器701和第二运算放大器702的输出电压差值基本为0；
[0088]
具体如图2、图10所示，第二运算放大器702(u15)的第一电源引脚(5)接3.4v电压(adc_3.4v)，第二电源引脚(2)接地(agnd)，同相输入引脚(3)接第二对数检波器809(u9)输出的检波电压(jie_shou)，输出引脚(1)输出放大后的接收端电压(jie_shou_2)作为微量水分结果计算的比较值。反相输入引脚(4)接由精密可调电阻(r57)和电阻(r53)组成的串联分压网络，所述串联分压网络的输入端接输出引脚(1)，另一端接地(agnd)。
[0089]
减法器703，用于将第一运算放大器701和第二运算放大器702的输出电压作差，做差后的电压被放大100倍输出到adc芯片704；
[0090]
具体如图2、图11所示，减法器703(u17)的第一电源引脚(5)接3.4v电压(adc_3.4v)，第二电源引脚(2)接地(agnd)，同相输入引脚(3)接由电阻(r62)和电阻(r64)组成的串联分压网络，所述串联分压网络的输入端接第一运算放大器701输出的发射端电压(fa_she_2)，另一端接地(agnd)。反相输入引脚(4)接由电阻(r63)和电阻(r59)组成的串联分压网络，所述串联分压网络输入端接第二运算放大器702输出的接收端电压(jie_shou_2)，另一端接输出引脚(1)。所述减法器703将发射端电压(fa_she_2)与接收端电压(jie_shou_2)作差并将电压差值放大100倍输出到adc芯片704。
[0091]
adc芯片704，用于采集减法器703输出的电压信号，将电压信号转换成对应的16位数字信号，通过spi协议发送数据给单片机最小系统。
[0092]
具体的如图2、图12所示，adc芯片704(u18)的第一电源引脚(1)接3.4v电压(adc_3.4v)，第一类电源引脚(3、7)和片选引脚(4)接地(agnd)，电压输入引脚(2)接经过由电阻(r61)和电容(c95)组成的低通滤波器滤波的差值电压，数据输出引脚(5)输出差值电压所转换的16位数据信号(adc_sdo)，时钟输入引脚(6)输入spi通信协议时钟信号(adc_sck)。
[0093]
所述16位数据信号为0至65535的十进制数对应的二进制数，模拟信号到数字信号的转换方法为，电压输入引脚(2)的输入电压除以基准电压(adc_3.4v)得到的比例关系再乘65535，得到的数据即为所述模拟信号对应的16位数字信号，最后根据时钟输入引脚(6)时钟信号的下降沿将16位数据从高位到低位在数据输出引脚(5)依次输出。
[0094]
所述微波器模块80，用于产生频率为10ghz的微波信号并对所述微波信号进行滤波和功率检测然后将微波信号功率转化为电压信号输出给信号采集模块70，所述微波器模块80分别输出发射端和接收端的微波信号功率所转化的电压用于对两路信号进行比较，得出所述微波信号经过被测油品后功率的衰减数值；包括压控振荡器801、可变增益放大器802、第一带通滤波器803、第一定向耦合器804、第一对数检波器805、带线隔离器806、第二带通滤波器807、第二定向耦合器808、第二对数检波器809、负电压电源810和精密可调电阻811；压控振荡器801，用于产生10ghz微波信号，微波信号的频率与输入压控振荡器801的调谐电压存在对应关系，所述的对应关系是指压控振荡器的芯片数据手册中给出了输出频率与调谐电压之间关系的曲线，可根据曲线选择输入调谐电压的范围，本发明使用10ghz的微波频率，根据微波频率与调谐电压的关系得到压控振荡器的调谐电压为5v，所述调谐电压由电源模块50提供。
[0095]
具体如图2、图6所示，压控振荡器801(u3)的第一电源引脚(21)接入5v电压(hmc512_5v)，第一类电源引脚(6、7)悬空，第二类电源引脚(5、11)和无电气属性引脚(1、2、3、8、9、10、13、14、15、16、17、18、20、22、23、24、25、26、27、28、30、31、32)均接地(rfgnd)，调谐电压输入引脚(29)接由精密可调电阻(r7)分压再经过由电阻(r6)和电容(c98、c2)组成的低通滤波器滤波的电压，此时压控振荡器801(u3)产生10ghz微波信号并通过射频输出引脚(19)输出。
[0096]
可变增益放大器802，用于对压控振荡器801输出的微波信号进行可控制增益的放大或衰减以达到控制发射功率的目的。所述可变增益放大器802的增益控制电压由负电压电源提供并通过精密可调电阻进行精密调节实现
‑
3.3v至
‑
1v之间变化，其增益值在
‑
2db至16db之间变化。
[0097]
具体如图2、图7所示，可变增益放大器802(u7)的第一类电源引脚(19、24)接入5v电压(hmc996_5v)，第二类电源引脚(3、5、14、16)和无电气属性引脚(1、2、6、8、10、11、13、17、18、20、21、22、23)均接地(rfgnd)，第一栅极控制引脚(7)和第二栅极控制引脚(12)接入由电阻(r29)和精密可调电阻(r30)组成的串联分压网络，增益控制引脚(9)接入由精密可调电阻811(r32)和电阻(r31)组成的串联分压网络，射频输入引脚(4)接收压控振荡器801(u3)产生的微波信号，射频输出引脚(15)输出增益后的微波信号。
[0098]
第一带通滤波器803，用于对发射端微波信号进行带通滤波，以减少微波信号的谐波噪声。
[0099]
第一定向耦合器804，用于耦合发射端传输线上的微波信号功率，所述耦合得到的微波信号功率反映了发射端微波信号功率的数值。
[0100]
第一对数检波器805，用于检测第一定向耦合器804输出的微波信号功率并输出对应的直流电压，以反映其接收的微波信号功率大小，进一步地反映了发射端所发射微波信号功率的大小。
[0101]
具体如图2、图8所示，第一对数检波器805(u8)的第一类电源引脚(13、14、15、16)接入3.3v电压(hmc948_3.3v)，第二类电源引脚(3、6、7)和无电器属性引脚(1、4、5、8、9、10、12)均接地(rfgnd)，射频输入引脚(2)接收第一定向耦合器804从微波信号传输路径上耦合的一部分微波功率，检波输出引脚(11)接由电阻(r28)和电容(c43)组成的低通滤波器后输出检波电压(fa_she)。
[0102]
第一对数检波器805(u8)输出的检波电压与其射频输入引脚(2)接收到的微波功率在
‑
40dbm至0dbm之间成线性关系且接收到的微波功率越大输出的检波电压越大，检波电压(fa_she)的变化范围为1.1v至1.7v。
[0103]
带线隔离器806，用于隔离发射端的反射信号，使反射信号无法返回到第一定向耦合器804，进一步地保证第一对数检波器不会受到反射信号的干扰。
[0104]
第二带通滤波器807，用于对接收端微波信号进行带通滤波，使微波信号更加纯净。
[0105]
第二定向耦合器808，用于耦合接收端传输线上的微波信号功率，所述耦合得到的微波信号功率反映了接收端微波信号功率的数值。
[0106]
第二对数检波器809，用于检测第二定向耦合器807输出的微波信号功率并输出对应的直流电压，以反映其接收的微波信号功率大小，进一步地反映了接收端所接收微波信号功率的大小。
[0107]
具体如图2、图8所示，第二对数检波器809(u9)的第一类电源引脚(13、14、15、16)接入3.3v电压(hmc948_3.3v)，第二类电源引脚(3、6、7)和无电器属性引脚(1、4、5、8、9、10、12)均接地(rfgnd)，射频输入引脚(2)接收第二定向耦合器808从微波信号传输路径上耦合的一部分微波功率，检波输出引脚(11)接电阻(r28)和电容(c44)组成的低通滤波器后输出检波电压(jie_shou)。
[0108]
第二对数检波器809(u9)输出的检波电压与其射频输入引脚(2)接收到的微波功率在
‑
40dbm至0dbm之间成线性关系且接收到的微波功率越大输出的检波电压越大，检波电压(jie_shou)的变化范围为1.1v至1.7v。
[0109]
负电压电源810，用于产生
‑
3.3v直流电压为可变增益放大器802的增益控制端、栅极控制端提供负电压。
[0110]
精密可调电阻811，用于组成串联分压电路，使输出到可变增益放大器802增益控制端的电压在
‑
3.3v至
‑
1v之间变化。
[0111]
具体的所述精密可调电阻811(r32)和电阻(r31)组成的串联分压网络可调节可变增益放大器802(u7)的增益控制引脚(9)的输入电压在
‑
3.3v至
‑
1v之间变化，使可变增益放大器802(u7)对微波信号的增益值在
‑
2db至16db之间变化，实现对微波信号功率的调节。
[0112]
所述设备外壳的上外壳1与下外壳2采用非对称的结构，上外壳1与下外壳2的配合面采用内外交错扣合的方式，当上外壳1与下外壳2的装配位置不正确时，防反装结构可以使设备外壳无法良好配合。上外壳1与下外壳2采用螺丝进行固定。
[0113]
所述上外壳1用于固定检测系统电路板并为检测系统电路板的结构件留出开口，所述上外壳1的开口包括显示屏模块开口3、功能按键开口4、微波器模块发射端开口9和微波器模块接收端开口10，另外还包括检测系统电路板固定孔5、防反装结构6和上下外壳安装孔7；
[0114]
所述下外壳2用于固定锂电池并为锂电池结构件留出开口，所述下外壳开口包括电源开关开口8、锂电池充电开口11、防反装结构6和上下外壳安装孔7。所述第一带通滤波器803和第二带通滤波器807是一种微带线器件，其3db带宽为9ghz
‑
11 ghz，中心频率为10ghz，在10ghz的插入损耗为0.7db，所述第一带通滤波器803和第二带通滤波器807的结构采用阶跃阻抗线与平行耦合线相结合的方式，其结构为：输入端口1001、第一阶跃阻抗谐振
器1002、交指平行耦合线1003、第二跃阻抗谐振器1004和输出端口1005依次连接，第一带通滤波器803的输入端口连接可变增益放大器802，输出端口连接第一定向耦合器804。第二带通滤波器807的输入端口连接接收端天线903，输出端口连接第二定向耦合器808。具体如图2、图5所示，可变增益放大器802(u7)输出的经功率放大后的微波信号从第一带通滤波器的输入端口1001输入，经过第一阶跃阻抗谐振器1002、交指平行耦合线1003和第二阶跃阻抗谐振器1004的带通滤波，最后从输出端口1005输出滤波后的微波信号。
[0115]
所述信号采集模块70利用微波器模块中的第一对数检波器805和第二对数检波器809的输出电压作为信号处理和采集对象，第一对数检波器805和第二对数检波器809的输出电压先分别经过第一运算放大器701和第二运算放大器702的放大，在没有任何被测试样加入时，第一运算放大器701和第二运算放大器702的输出电压相等，当加入含水的被测试样时，第二对数检波器809的输出电压发生衰减从而第二运算放大器702的输出电压也减小，此时第一运算放大器701的输出电压和第二运算放大器702的输出电压产生差异，经过减法器703作差并放大100倍后输入adc芯片704进行电压采集，减法器703的输出电压与输入电压的关系为v
out
＝100*(v
in+
‑
v
in
‑
)，其中v
out
为减法器703输入到adc芯片704的电压，v
in+
为第一运算放大器701的输出电压，v
in
‑
为第二运算放大器702的输出电压，adc芯片704进行电压采集的adc采集值变化范围为0
‑
65535，若将(v
in+
‑
v
in
‑
)记为δv，则adc采集值data与电压差δv的关系为
[0116][0117]
本发明还提供一种微波透射式油中微量水分高精度在线检测系统的检测方法，包括以下步骤：
[0118]
将被测油品加入试样测试容器902并使油面高度达到试样测试容器902内的刻度线，然后开启检测系统的电源开关，系统上电后产生频率为10ghz的微波信号，通过发射端天线901和接收端天线903发射和接收微波信号就可使微波信号在透射过被测油品时发生功率的衰减，通过第一对数检波器805与第二对数检波器809分别对微波器模块80的发射机和接收机进行检波得到发射端天线901发射的微波信号功率值和接收端天线903接收的微波信号功率值并输出对应的直流电压信号，发射机与接收机微波信号功率值对应的电压信号再经过第一运算放大器701和第二运算放大器702的放大实现微波信号没有衰减时两路电压信号没有电压差，当微波信号产生功率衰减后第二运算放大器702的输出电压即接收机微波信号功率的检波电压逐渐减小，两路电压产生差异之后通过减法器703电路将两路电压信号先作差后放大，使微波功率的微弱衰减量进一步放大实现高精度检测，再将代表微波信号功率衰减量的电压信号通过16位adc芯片704采集得到高精度的数据，并将数据发送到单片机最小系统601代入提前标定的微量水分与adc采集值的关系式可得到微量水分检测结果，最后通过显示屏模块602将微量水分信息进行展示。
[0119]
基于前述实施例，如图1、图2、图15和图16所示，下面对本发明的应用方式进行说明：
[0120]
首先配置水分含量为0％、0.003％、0.005％、0.006％、0.01％、0.012％、0.014％、0.016％、0.018％、0.02％的标准试样进行检测测试，将标准试样放入试样测试容器902，开启检测系统电源，数据处理模块60通过其显示屏模块602每3500ms刷新一次水分检测结果，
图15为实际测试结果与数据处理模块60内置的微量水分检测函数进行比较，其中水分含量为0％时的adc采集值为0，水分含量为0.003％时的adc采集值为367，水分含量为0.005％时的adc采集值为573，水分含量为0.006％时的adc采集值为1085，水分含量为0.01％时的adc采集值为2258，水分含量为0.012％时的adc采集值为4043，水分含量为0.014％时的adc采集值为18052，水分含量为0.016％时的adc采集值为31908，水分含量为0.018％时的adc采集值为45246，水分含量为0.02％时的adc采集值为58293，经过测试，本发明的检测误差在0％
‑
0.01％区间为
±
10％，在0.01％
‑
0.02％区间为
±
2％，由于淬火油微量水分检测的分辨率要求为0.01％，而本发明的检测误差为
±
0.001％，不会影响检测结果的准确性，可以实现高精度的微量水分检测。水分含量与adc采集值的关系表达式共有四个参数a＝0.0121，b＝8.674e
‑
6，c＝
‑
0.01188，d＝
‑
7.095e
‑
4，表达式形式为f(x)＝ae
b*x
+ce
d*x
，其中x代表adc采集值。
[0121]
本发明的优点：
[0122]
(1)检测系统整体尺寸较小，设备外壳的尺寸为150mm
×
90mm
×
40mm；锂电池可循环充电使用，不受电源线的局限可灵活移动；操作方式简单，并且可实时得到微量水分检测结果；
[0123]
(2)采用减法器电路将微波功率的微弱衰减放大100倍，并通过16位精度adc芯片采集电压信号，使检测系统可感知发射机与接收机两路检波电压之间0.02mv的电压差值，同时使用低噪声电源供电和优化的电路拓扑设计，提高了检测系统的灵敏度与精度，微量水分检测精度为
±
0.001％，可以检测0.02％以下的水分；
[0124]
(3)微波透射的检测方式保证了油品不受污染，不会产生检测废液，也保证检测系统不受腐蚀，可推广到用于各种油品微量水分的测量。