CN100543405C - 非接触电容传感器和带有双层主动屏蔽的电缆 - Google Patents

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Abstract

一种非接触电容传感器探头，包括具有对置于要进行感测的电介质的第一表面的金属传感器；多个相邻于金属传感器的主动金属屏蔽，每块主动金属屏蔽板在屏蔽表面上具有抑制涡流的沟槽图案，其中在一块屏蔽板上的图案不与在第二块屏蔽板上的图案重叠，和与主动金属屏蔽板相邻的被动金属屏蔽板，从而主动金属屏蔽夹在金属传感器与被动金属屏蔽之间。

Description

非接触电容传感器和带有双层主动屏蔽的电缆
技术领域
本发明涉及一种使用电容性测量装置非接触地测量传感器和导电或者非导电表面之间的间隙的方法和系统，所述电容性测量装置带有多块导电板，其同样能够测量固体和流体中的气体、材料深度和介电性变化。
背景技术
具有两块平行叠置的彼此电绝缘的导电板的非接触间隙测量传感器例如在美国专利4,675,670；5,990,807；6,075,464和6,552,667中被公开。高频信号被加到传感器的第一板(感测板)上。通过测量感测板与一个邻近的表面之间的电容性感应，传感器产生一个表示传感器与所述表面之间的间隙或者电介质的信号。
主动护板位于感测板后面以防止感测信号与置于感测板后面的表面产生相互感应。感测信号与除相互感应的所需邻近表面以外任何表面之间的相互感应在预期输出中产生误差。基于相同的原因，还需要防止在电缆中传送的感测信号与不在同一电位的任何表面相互感应。
非接触电容传感器可以用于高电压和高电流的环境中。例如这些传感器可被附接到发电机的定子上用以测量定子和转子之间的间隙。在发电机内，电磁场强度可以达到15000高斯以上。在这些条件下，可在传感器探头的金属表面上产生强的涡流。如果不加以抑制，这些涡流可以产生足以损坏传感器探头和发电机的热量。
为了使涡流最小化，众所周知的是：对例如铜绕组和磁极等的发电机用导电材料进行层压。类似地，为了使用在电容传感器内的导电片上的涡流最小化，众所周知的是：在金属表面上蚀刻出紧密间隔的并且平行的沟槽。这些沟槽常常称为“梳刷(combing)”，因为这些沟槽显现得像发梳上的齿。所述沟槽通过在表面上形成介电间隙而阻滞金属表面上的涡流。所述沟槽中可填充有由用于将传感器中的金属板粘结在一起的材料例如环氧化合物制成的树脂和纤维。
困难在于，感测板上的电场信号通过主动护板中的梳刷沟槽到达置于主动护板后面的表面处。这种穿过护板的漏电流可引起测量误差。另外，由于在电缆的金属导线束之间存在空隙，因此连接到传感器上的同轴电缆的中心导线上传送的感测信号可能穿过编结的同轴主动防护层。
由在传感器上的主动防护与电缆的主动防护层的金属导线之间的空隙的梳刷产生的另一个困难是梳宽与导线束的变化可以造成传感器与传感器以及电缆与电缆间的不一致的信号误差。梳刷和导线束的变化由制造差异而产生。
需要有一种对由于在传感器探头板和探头与邻近电路之间的布线中的制造差异造成的电容量变化不太敏感的电容性测量方法和非接触电容测量传感器。对于这些变化的过度敏感可增加传感器的制造难度并且提高传感器对温度和其它环境因素的敏感性。
发明内容
已经开发出一种用于直接感测相对于表面或者电介质的探头电容的非接触电容性探头。所述电容传感器探头具有多块主动金属屏蔽板，所述主动金属屏蔽板隔离感测板并且防止感测板发出的电信号泄露到接地表面或者电位表面。感测板和主动屏蔽板具有带沟槽的表面以使涡流最小化。主动屏蔽板之一中的沟槽是偏移的并且不与另一块屏蔽板中的沟槽对齐。通过偏移开相邻的主动屏蔽板中的沟槽，大大减少或者消除了电感测场经这些板的泄露。
本发明可以实施成一种非接触电容传感器探头，包括一个具有对置于要进行感测的电介质的第一表面的金属传感器；多个相邻于金属传感器的主动金属屏蔽，每块主动金属屏蔽板在每个所述主动金属屏蔽板屏蔽表面上具有抑制涡流的沟槽图案，其中在第一块所述主动金属屏蔽板上的图案不与在第二块所述主动金属屏蔽板上的图案重叠；和与主动金属屏蔽板相邻的被动金属屏蔽板，从而主动金属屏蔽夹在金属传感器与被动金属屏蔽之间，所述第一和第二主动金属屏蔽(24、26)由一介电片(30)分隔开。
本发明还可以实施成一种非接触电容传感器探头，包括：适于从对置的表面位移开以测量所述对置的表面与传感器板之间的间隙的电容的传感器板；相邻并且重叠在所述传感器板上并且与所述传感器板绝缘的主动屏蔽组件，其中所述主动屏蔽组件还包括多个分别由介电片相互分开的屏蔽层；接地屏蔽板在所述主动屏蔽组件上，从而把主动屏蔽组件夹在接地屏蔽板与传感器板之间，并且所述接地屏蔽板由介电片与主动屏蔽组件分隔开。
本发明还可以实施成一种非接触电容传感器探头，包括具有对置于要进行感测的电介质的第一表面的金属传感器；多个相邻于金属传感器的主动金属屏蔽，每块主动金属屏蔽板在屏蔽表面上具有抑制涡流的沟槽图案，其中在一块屏蔽板上的图案不与在第二块屏蔽板上的图案重叠；和与主动金属屏蔽板相邻的被动金属屏蔽板，从而主动金属屏蔽夹在金属传感器与被动金属屏蔽之间，它们全部通过一条多层同轴(三轴)电缆连接至一个电路，其中探头的第一(感测)表面连接至电缆的中心(最内层)导线，多个探头的主动金属屏蔽连接至电缆的同轴(第二)层，所述电缆同轴层包含一个没有空隙的连续实心金属层和一个绞合的金属层，并且探头的被动金属屏蔽层连接至电缆的三轴(第三)层。
本发明还可以实施成一种非接触电容传感器探头，包括具有对置于要进行感测的电介质的第一表面的金属传感器；多个相邻于金属传感器的主动金属屏蔽，每块主动金属屏蔽板在屏蔽表面上具有抑制涡流的沟槽图案，其中在一块屏蔽板上的图案不与在第二块屏蔽板上的图案重叠，它们全部通过一条同轴电缆连接至一个电路，其中探头的第一(感测)表面连接至电缆的中心(最内层)导线，多个探头的主动金属屏蔽连接至电缆的同轴(第二)层，所述电缆同轴层包含一个没有空隙的连续实心金属层和一个绞合的金属层。
附图说明
图1和2是非接触电容传感器的示意图；
图2是图1所示传感器的端部部分和表面的放大视图；
图3是传感器探头中的多个板和层的分解视图；和
图4是传感器电缆的侧视图，图中暴露出其各个导电层和介电层。
具体实施方式
图1和2示意地示出了邻近一个对置的表面12的传感器板探头10和在传感器与对置的表面之间的间隙14。在一个例子中，板探头10可永久地固定到发电机的定子11的内侧表面上，而对置的表面12可以是发电机转子的外周面。在该例子中，传感器板探头10测量环形的内侧定子表面与旋转转子的圆柱形外表面之间的间隙14距离。
传感器探头10产生一个表示间隙14距离或者表示传感器前方的电介质比例的信号。除了测量间隙距离以外，传感器探头还可以确定传感器前方流动的流体的介电性的变化，或者材料的厚度。
传感器探头10包括多块相邻的且相互间电绝缘的导电板16、18和19。该主动屏蔽板组件16将传感器板18与传感器10后面的表面上的电扰动和被动屏蔽板19屏蔽开。传感器板18面向转子表面12和间隙14。该传感器板被用于测量穿过间隙的电容并且平行于转子表面取向。主动屏蔽板组件和被动屏蔽板与传感器板叠置并层压在一起形成板传感器10。
主动屏蔽板组件16紧邻在传感器板18后面并且通过连接作为邻近电路20的输入端而主动地屏蔽传感器板。电缆22把传感器板18和主动屏蔽板组件16连接至邻近电路。
主动屏蔽板组件16包括带有偏移的梳刷图案的主动内部导电的双平行板24和26。主动板组件16在电容传感器探头10的主动感测板18的后面以防止该感测板观测到传感器的被动的接地层或者其它可能位于传感器探头10后面的电位表面。此外，主动屏蔽板16被连接到三轴电缆22的一个同轴层上，该同轴层也连接至邻近电路20。
邻近电路20放大感测板18与导电介质12之间的电容性感应。主动屏蔽16的信号与感测板18等电位，从而没有电场感应或者电容。一个典型的邻近传感器被公开于共有的且未审定的美国专利申请序列号10/825,185(Dkt号839-1540)中并且题为“用于非接触间隙和电介质测量的电容传感器和方法”，其全文并入本说明书作为参考。
除了测量间隙位移外，传感器探头10还可用于测量流体的深度和材料的厚度。传感器板18发出的信号受间隙中相邻介质的介电性的影响。所述相邻介质可以是传感器板与另一个表面12之间的气隙、贯通传感器板的流体或者邻接传感器板的固体材料。相邻介质的介电性影响间隙的电容，这直接影响从传感器板发出的信号。
与传感器板18相邻的介质的介电性可表示：流体的深度或者流体中的不纯度，其中流体是介质，或者固体的厚度或者固体中的不纯度，其中所述固体是介质。因此传感器探头可以用于测量流体的深度、固体介质的厚度或者与传感器板相邻的介质中的不纯度。
被动屏蔽板19对传感器后面的表面提供附加的屏蔽，并且为探头提供一个接地基准。被动屏蔽板19可通过在邻近电路20中的电阻器连接至主动屏蔽板组件18，以提供一条使邻近电路能够检测在探头10和连接电缆22中的开路和短路的直流电流通路。
图3是传感器探头10的分解视图。为了进行阐述，该分解视图示出分开的板。实际上，板由树脂例如环氧粘结在一起，从而所述板被层压在一起。板可以是铜或者其它金属材料。
板可被蚀刻出紧密隔开的沟槽28，例如梳刷，以将板上的涡流降到最小。传感器探头的板具有被称为梳线的呈梳状布置的沟槽28。对于用在15000高斯的50赫兹至60赫兹的发电机电磁场中，沟槽间距可以相隔1/10至1/4英寸并且大约四密尔(100微米)宽。板表面上的涡流不流过沟槽，沟槽起到涡流的介电阻挡层的作用。此外，所述沟槽可以用非蚀刻的其它方法形成，例如在板表面上机加工出沟槽，采用压印或者其它方法，以在板上产生阻滞涡流的平行沟槽线。
主动屏蔽板组件包括一对相邻的屏蔽板24、26，它们把一块薄的玻璃纤维片30夹在中间，所述玻璃纤维片30相互分开并且绝缘板24、26。类似的纤维片30可以把传感器板18与主动板组件分开并且把被动板19与主动板组件分开。一块纤维片30可以是5个密尔(125微米)厚。探头10中的铜板、绝缘的纤维片和把板和片粘结在一起的树脂可以是制造印刷电路板中常用的常规材料。
主动屏蔽板组件中的板被叠置使得梳刷沟槽不重叠。在一块板上的沟槽可平行于另一块板上的沟槽。为了避免重叠，在一块板26上的沟槽与另一块板24中的蚀刻线偏移32开。偏移量32在图3中用板26上的箭头和从相邻的板24的蚀刻线发出的垂线表示出。偏移32确保一块板24上的沟槽不直接重叠另一块板26上的蚀刻线。第二板26和蚀刻线的偏移32防止不然就会经第一主动屏蔽板24泄露的电场电流找到一个电位表面或者接地。如果没有这种偏移，就有可能经第一板24上的沟槽泄露的电流会直接流进在第二板26上并且通过第二板26的重叠的沟槽中。因此，两个主动屏蔽板和其沟槽的偏移确保感测板上的电位不会通过主动屏蔽板组件发生泄露。
图4是将传感器探头10连接至邻近电路20的导体电缆22的侧视图。电缆可以实施成三轴电缆，所述三轴电缆具有一条轴一心传感器信号缆芯线34和同轴的屏蔽导电层38、40、46。信号缆芯线34可焊接到传感器板18的一个边缘上。缆芯线34把传感器板连接至邻近电路的输入端上。导体电缆具有把信号缆芯线34与电缆的主动屏蔽层38、40分开的第一介电同轴层36。
同轴层内含金属箔层38，所述金属箔层38提供中心信号缆芯线34的无孔连续的金属覆盖层，以防止中心缆芯线上的信号泄露到电缆外部的三轴层46上或者泄露到地面上。
连续的同轴铝箔层38包绕信号缆芯线34，把缆芯线与外部的电干扰电气隔离开，并且防止电流从信号缆芯线中泄露。箔层38由一个编结的同轴线层40包绕并且与之电接触，所述编结的同轴线层40为箔层提供结构强度和低电阻。所述线层40的端部可被焊接到所述对主动屏蔽板24、26的边缘42上。主动屏蔽板组件16电连接到电缆22中的主动屏蔽层38、40上。
第二同轴介电层44把主动屏蔽层38、40与由编结线形成的第三导电同轴层46绝缘开。第三层46可以电连接到传感器探头的被动层19上，从而探头、电缆和邻近传感器均具有一个均匀的接地电平。外部同轴封壳48提供了用于电缆22封闭层的外壳。
尽管已结合目前认为最实际和优选的实施方式对本发明进行了说明，但是应当理解本发明不限于所公开的实施方式，而是相反，本发明旨在覆盖包括在所附技术方案的精神和范围内的各种变型和等效的布置。
零件表
 
附图标记 说明
10 传感器板探头
11 定子
12 对置表面
14 间隙
16 第二主动屏蔽板组件
17 电阻器
18 第一板(传感器板)
19 被动屏蔽(第三板)
20 邻近电路
22 电缆
24 屏蔽板
26 屏蔽板
28 沟槽
30 片
32 沟槽的偏移
34 轴-心传感器信号缆芯线
36 第一介电同轴
38 箔层-同轴屏蔽导电层
40 同轴屏蔽导电层
42 所述对主动屏蔽板的边缘
46 同轴屏蔽导电层
48 外部同轴封壳

Claims (9)

1、一种非接触电容传感器探头(10)，包括：
具有对置于要进行感测的电介质的第一表面的金属传感器；
多个相邻于金属传感器的主动金属屏蔽板，每块主动金属屏蔽板(24、26)的屏蔽表面上具有抑制涡流的沟槽(28)图案，其中在第一块所述主动金属屏蔽板上的图案不与在第二块所述主动金属屏蔽板上的图案重叠，其中所述第一和第二主动金属屏蔽板(24，26)相互叠置；
与主动金属屏蔽板相邻的被动金属屏蔽板(19)，从而主动金属屏蔽板夹在金属传感器与被动金属屏蔽板之间，和
所述第一和第二主动金属屏蔽板(24、26)由一介电片(30)分隔开。
2、根据权利要求1所述的非接触电容传感器探头，其中该金属传感器是一块金属板(18)，而主动金属屏蔽板是多块金属板(24、26)。
3、根据权利要求1所述的非接触电容传感器探头，其中每个主动金属屏蔽板上的沟槽(28)图案是一种由平行线构成的图案。
4、根据权利要求1所述的非接触电容传感器探头，其中沟槽(28)图案是各具有1/10英寸至1/4英寸间隔的线性沟槽。
5、根据权利要求1所述的非接触电容传感器探头，其中沟槽(28)图案是具有大约4密尔宽度的线性沟槽。
6、根据权利要求1所述的非接触电容传感器探头，其中在每个主动金属屏蔽板(24、26)上的沟槽(28)图案是一种由平行线构成的图案，并且其中在第一主动金属屏蔽板上的平行线图案相对于在第二主动金属屏蔽板上的平行线图案是偏移(32)的。
7、根据权利要求1所述的非接触电容传感器探头，其中所述第一和第二主动金属屏蔽板(24、26)在它们中间夹有所述介电片(30)。
8、根据权利要求1所述的非接触电容传感器探头，进一步包括一条同轴电缆(22)，所述同轴电缆(22)具有一条电连接到金属传感器的中心导线(36)，和包绕该中心导线并电连接到传感器探头的主动金属屏蔽板的一个同轴金属主动屏蔽(38、40)。
9、根据权利要求8所述的非接触电容传感器探头，其中同轴金属主动屏蔽包括圆柱形地包绕所述中心导线布置的连续箔层(38)和一个与所述连续箔层相邻的编结线管(40)。
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