CN103267474B - 一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器，包括固定极板、滑动极板和电容测量电路，固定极板为分段式导电单元结构，数量为2—50块，分段式导电单元包括接收电极和发射电极，接收电极相互独立，发射电极连接在一起，构成固定极板的总发射电极，总发射电极和接收电极连接电容测量电路；滑动极板数量为一块，覆盖在分段式导电单元上，滑动极板连接深基点和浅基点的测绳。本发明的固定极板采用了分段式导电单元结构，其总长度等于待测长度+滑动电极长度，远小于现有的2倍待测长度，并且测量绝对误差小于滑动极板与其中某一分段式导电单元测量时的最大误差。

Description

一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器

技术领域

本发明属于煤系地层矿井井下巷道顶板离层监测技术领域，具体涉及一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器。

背景技术

目前煤系地层矿井井下巷道顶板围岩离层监测所涉及到的传感器主要是位移传感器，按监测原理位移传感器可分为电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、光栅、磁栅、容栅位移传感器和磁致伸缩位移传感器等几类。其中，研究较多的是：1)电阻式位移传感器。该传感器具有结构简单、采集方便等特点；2) 光电、磁电脉冲编码位移传感器。该类传感器实质是一个增量位移传感器，不能记录绝对位置，当微处理器受干扰发生复位时，该传感器将无法确定绝对位置；3) 光栅位移传感器。该传感器成本较高，精度可达μm级，但如此高的测量精度并不适合矿井井下巷道的顶板围岩离层监测。

电容式传感器具有耗散功率小、输出阻抗低、静电引力小、动态性能好和灵敏度高等特点，电容的容量与两极板之间的距离成反比，与两极板之间介质的介电常数成正比，利用这一特性，可以做成各种类型的电容式传感器。当电容式传感器测量位移较大时，目前的电容式传感器主要为变介质电容式位移传感器和变面积电容式位移传感器，其主要缺点为：1) 传感器的长度大于2倍待测长度，传感器尺寸较大；2) 测量绝对误差随着待测长度的增加而增加。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种传感器长度尺寸短、位移测量绝对误差小的用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器。

为达到上述目的，本发明采用如下解决方案：一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器，包括固定极板、滑动极板和电容测量电路，其特征在于：固定极板为分段式导电单元结构，数量为2—50块，分段式导电单元包括接收电极和发射电极，接收电极宽度为B，长度为L，100mm>B>4mm，100mm>L>4mm，形状为圆形或方形，材料为金属导电材料，接收电极相互独立，发射电极宽度为C，长度为L，100mm>C>4mm，形状为圆形或方形，材料为金属导电材料，发射电极连接在一起，构成固定极板的总发射电极，总发射电极和接收电极连接电容测量电路；滑动极板宽度为D，长度为A，D>B，2L>A>L，形状为圆形或方形，材料为金属导电材料，数量为一块，位移测量时滑动极板最多只能同时覆盖两块分段式导电单元，滑动极板连接深基点和浅基点的测绳，不连接电容测量电路。

本发明的工作原理：位移测量时，固定极板的发射电极发射10—1000KHz的频率信号，根据平行电容的计算公式，总发射电极与接收电极之间的电容为

(1)

式中：S为耦合面积；δ为总发射电极与接收电极之间的极板距离；ε为介电常数。滑动极板未覆盖处，总发射电极与接收电极之间的电容为C_min，数值较小；滑动极板已覆盖处，滑动极板的存在增加了总发射电极与接收电极之间的耦合面积，即增加了总发射电极与接收电极之间的电容。当滑动极板处于某一位置时，总发射电极与接收电极之间的电容C_i、C_i+1为

(2)

(3)

式中：X为滑动极板与已覆盖的第一块分段式导电单元的相对位移。

滑动极板已覆盖处的分段式导电单元接收电极电压为U_i、U_i+1

(4)

(5)

式中：K、K₁为与绝缘材料厚度、介电常数、频率和输入阻抗等相关的常数。采用比值法消除绝缘材料厚度和介电常数等因素对位移测量的影响，由公式(4)和公式(5)可得

(6)

(7)

根据第i块分段式导电单元的位置，及滑动极板与已覆盖的第一块分段式导电单元的相对位移X，得到滑动极板的总位移

(8)

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1. 本发明一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器，其总长度等于待测长度+滑动电极长度。若待测长度分为十段，则传感器总长度小于1.1倍待测长度，远小于现有电容式位移传感器的2倍待测长度。

2. 本发明一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器，测量绝对误差不随待测长度的增加而增加。无论传感器多长，绝对误差都小于滑动极板与其中某一分段式导电单元测量时的最大误差。若滑动极板与其中某一分段式导电单元测量时的误差为5%，固定极板长度为20mm，则无论传感器长度为多长，最大测量误差都不会超过1mm。

3. 本发明一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器，降低了对测量电路的要求。若总待测长度为200mm，要求最大误差不超过1mm，采用现有测量方法的测量误差小于5%；在本发明中采用十个分段，即每个分段20mm时，则测量误差小于0.5%，对测量系统的误差要求降低了10倍。

4. 本发明一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器，利用了互电容的原理，滑动极板只需一块导电材料，测量时不需引入电路，因此滑动极板没有引线。

5. 本发明一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器，采用了电压比值的测量方法，可以减小绝缘材料厚度和介电常数等参数对测量的影响，简化制作工艺。

6. 本发明一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器，固定极板和滑动极板可以制成圆形或方形等各种形状，以满足不同场合的需要。

7. 本发明一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器，广泛用于煤系底层矿井井下锚杆支护巷道顶板离层监测，及隧道、矿山巷道、地下电站和油气储库等大型构筑物或建筑物的巷道硐室顶板离层监测等方面。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为分段式导电单元的结构示意图。

图中：1—固定极板 2—滑动极板 3—电容测量电路

4—总发射电极 5—接收电极 6—发射电极。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：如图1、图2所示，本实施例分段互电容式位移传感器包括固定极板1、滑动极板2和电容测量电路3，其中，固定极板1为分段式导电单元结构，数量为五块，分段式导电单元包括接收电极5和发射电极6，接收电极5宽度为12.7mm，长度为24.8mm，形状为方形，材料为铜，发射电极6宽度为12.7mm，长度为24.8mm，每块间隙0.2mm，形状为方形，材料为铜，固定极板1总长度125mm；滑动极板2宽度为30mm，长度为24.8mm，数量为一块，形状为方形，材料为铜，位移测量时滑动极板2最多只能同时覆盖两块分段式导电单元；各分段式导电单元的发射电极6连接在一起，构成固定极板1的总发射电极4，各分段式导电单元的接收电极5相互独立，总发射电极4和接收电极5连接电容测量电路3；滑动极板2连接深基点和浅基点的测绳，不连接电容测量电路3。

本实施例的工作过程：位移测量时，电容测量电路3测量该时刻固定极板1的总发射电极4和各分段式导电单元的接收电极5之间的电容。在滑动极板2已覆盖处，固定极板1的总发射电极4和两块分段式导电单元的接收电极5之间的电容C₃、C₄分别为85pF、112pF；在滑动极板2未覆盖处，固定极板1的总发射电极4和分段式导电单元的接收电极5之间的电容C_min为4 pF，找出C₃>C_min的分段式导电单元，该分段式导电单元所处的位置为滑动极板2的区间位移，其值为49.6mm；根据公式(7)，计算滑动极板2与已覆盖的第一块分段式导电单元的相对位移13.7mm，从而得到滑动极板2的总位移为63.3mm。

该分段电容式位移传感器的最大测量误差为0.95mm，在某矿井15^#煤层1501工作面运输顺槽的顶板离层监测中应用较好。

实施例2：本实施例的固定极板1采用丝印方式，按照附图将导电浆体印制到机械式顶板离层仪的水平臂上(圆形)，印制完导电层后，涂覆一层绝缘层，分段式导电单元的引出线采用柔性印刷电缆引到电容测量电路，主要芯片为AD7153。滑动极板2采用圆形导电材料制成。该实施例的最大测量误差为1.12mm，在某矿井15^#煤层1501工作面回风顺槽的顶板离层监测中应用较好。其它同实施例1。

Claims (1)

1.一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器，包括固定极板、滑动极板和电容测量电路，接收电极、发射电极和滑动极板形状均为圆形或方形，材料均为金属导电材料，滑动极板连接深基点和浅基点的测绳，其特征在于：固定极板为分段式导电单元结构，数量为2-50块，分段式导电单元包括接收电极和发射电极，接收电极宽度为B，长度为L，100mm>B>4mm，100mm>L>4mm，接收电极相互独立，发射电极宽度为C，长度为L，100mm>C>4mm，发射电极连接在一起，构成固定极板的总发射电极，总发射电极和接收电极连接电容测量电路；滑动极板宽度为D，长度为A，D>B，2L>A>L，数量为一块，滑动极板覆盖在分段式导电单元。