CN105158582B - 一种变间距叉指型相邻电容传感器 - Google Patents

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Abstract

一种变间距叉指型相邻电容传感器，用于变厚度高分子材料介电性能的检测，属于无损检测领域。该传感器主要由激励电极、感应电极、基底、屏蔽层和引线接头等组成。激励电极和感应电极的特征为均包含多个叉指单元，根据待测结构厚度变化规律，对组成叉指传感器电极的每个叉指单元的宽度和间距进行独立的优化设计，即在保证穿透深度的条件下，使得电极宽度尽量大，以获得最大的信号强度和检测灵敏度。与传统等间距叉指型相邻电容传感器相比，变间距叉指型相邻电容传感器的有效电极面积增大，提高了信号强度和检测灵敏度。

Description

一种变间距叉指型相邻电容传感器
技术领域
本发明涉及一种新型相邻电容传感器，特别是一种变间距叉指型相邻电容传感器，用于变厚度高分子材料介电性能的检测，属于无损检测领域。
背景技术
高分子材料以其重量轻、可塑性强、强度高、耐腐蚀等优点，在工业各领域得到广泛应用，如市政供水管网、各类仪表板/盘的基础支撑部件、电力系统外绝缘材料等。这些高分子材料在长期使用过程中，受热、光、氧、水等外界因素的综合作用，容易产生老化失效。以电力系统的复合绝缘子为例，其外绝缘部分由高温硫化硅橡胶这种典型高分子材料制成。为保证绝缘子的自清污能力，外绝缘的伞裙结构为具有一定倾角的斜面形式，其厚度从靠近芯棒处至伞裙边缘逐渐减薄。在使用过程中，伞裙结构在高电压冲击和光照、雨水、盐雾、工业污染、臭氧、紫外线等环境因素综合作用下，高温硫化硅橡胶材料会发生不可逆的老化，导致绝缘子外绝缘的电气性能下降，甚至严重威胁高压电网的安全稳定运行。
现有的高分子材料老化损伤检测方法，如目测法、拉伸试验法、红外光谱分析法等，通常依据材料外观、力学性能和分子结构对其使用性能进行评估，难以直接对材料本身介电性能的变化进行评价。相邻电容传感器是一种基于电容边缘效应的新型传感技术，它利用电容值来表征低电导率材料的介电性能变化，从而实现介电结构的性能检测及评价。与传统的平行板电容器相比，相邻电容传感器具有灵敏度高、非侵入、可应用于空间受限场合检测等特点，现已广泛用于工业生产中多种参数的测量，如材料特性、损伤、厚度、含水量等。
相邻电容传感器主要由激励电极、感应电极、屏蔽层和基底等组成。研究表明，激励和感应电极的结构形式和几何尺寸对电容传感器的信号强度、穿透深度、测量灵敏度和信噪比等有很大影响。为此，围绕相邻电容传感器的结构设计及参数优化问题国内外学者做了大量的研究工作。Li等[Design principles for multichannel fringing electricfield sensors[J].Sensors Journal,IEEE,2006,6(2):434-440]对多种结构形式的多通道相邻传感器的性能进行了数值仿真研究。结果表明，叉指型相邻电容传感器的性能指标，如信号强度、灵敏度、线性范围等，明显优于正方型、迷宫型和螺旋型等结构形式的电容传感器。Kim等[Capacitive humidity sensors based on a newly designedinterdigitated electrode structure[J].Microsystem technologies,2012,18(1):31-35]设计了一种电极厚度渐变的新型叉指传感器，大大提高了传感器的灵敏度。Rivadeneyra等[Design and characterization of a low thermal drift capacitivehumidity sensor by inject-printing[J].Sensors andActuators B 195(2014):123-131]设计了回折型叉指电容传感器。与传统的叉指型传感器相比，该传感器的信号强度提高了28％。
现有叉指型相邻电容传感器的结构设计及参数优化等研究工作均基于等厚度待测结构进行，设计的传感器为等间距叉指结构。针对变厚度结构的叉指相邻电容传感器的优化设计还鲜见报道。
发明内容
本发明的目的在于设计一种变间距叉指型相邻电容传感器，用于变厚度高分子材料介电性能的检测。根据待测结构厚度变化规律，对组成叉指传感器电极的每个叉指单元的宽度和间距进行独立的优化设计，即在保证穿透深度的条件下，使得电极宽度尽量大，以获得最大的信号强度和检测灵敏度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种变间距叉指型相邻电容传感器，其结构如图1所示，该传感器包括激励电极1、感应电极2、基底3、屏蔽层4、引线接头5；激励电极1和感应电极2粘贴在基底3的正面且相互交叉布置，屏蔽层4粘贴在基底3的背面；引线接头5焊接在基底3背面两侧。
激励电极1和感应电极2均包含多个叉指单元，各叉指单元依次交替排列，且各个叉指单元的宽度和相邻两叉指单元的间距取决于待测结构厚度；
基底3为绝缘材料，且具有一定的强度和刚度，以起到支撑电极和屏蔽层的作用；基底3上设有通孔，便于将激励电极1和感应电极2分别用导线引至基底背面；
如图2所示，屏蔽层4粘贴基底3背面，在感应电极1和激励电极2引线附近，屏蔽层4留有U型切口；屏蔽层4的位置与激励电极1和感应电极2相对。
如图2所示，引线接头5焊接在基底3背面，引线接头5的中间引脚通过基底上预留的引线孔分别与激励电极1和感应电极2相连，引线接头5的外侧引脚与屏蔽层4相连。
所述的变间距叉指型相邻电容传感器，其各叉指单元的宽度和间距具体设计步骤如下：
定义叉指传感器的关键参数，主要包括：单个叉指单元宽度w、长度l、相邻叉指单元间距g、极板覆盖率γ，各参数标示如图3所示。基本单元长度C＝w+g，极板覆盖率γ表征叉指宽度w在传感器一个基本单元C中所占的比例，即γ＝w/(w+g)。
步骤一：制作单对叉指单元组成的相邻电容传感器，其基本单元长度为C，极板覆盖率为γ,如图4所示。单对叉指单元组成的相邻电容传感器主要包括：激励电极、感应电极、屏蔽层和基底等，其中激励电极和感应电极想当于叉指传感器中对应的叉指单元。按图4所示，制作极板宽度为w＝C*γ、间距为g＝C*(1-γ)、屏蔽层宽度为C的相邻电容传感器。
步骤二：测量不同厚度待测试样的电容值。将不同厚度的待测试样放置于步骤(一)制作的相邻电容传感器上方，其中待测试样紧贴传感器电极放置，测量并记录多个厚度不等待测试样的电容值。
步骤三：计算各不同厚度待测试样的电容值相对于稳定值的变化率。待测试件厚度为h时的电容值为Ch，则Ch相对于稳定值Ch→∞的变化率为Difference％，即：
得到各不同厚度待测试样的电容值相对于稳定值的变化曲线。
步骤四：计算单对叉指单元组成的相邻电容传感器的穿透深度。在步骤(三)的基础上，取Difference％为10％绘制水平线，与不同厚度待测试样的电容值相对于稳定值的变化曲线的交点所对应的待测试样厚度值h，即为传感器的有效穿透深度。
步骤五：重复步骤(一)～(四)，测量不同单元长度C、不同极板覆盖率γ下相应传感器的有效穿透深度h。
步骤六：确定每个叉指单元的宽度和间距，组合得到变间距叉指型相邻电容传感器。依据步骤(五)得到的有效穿透深度h与各单元长度和极板覆盖率的对应关系，结合待测渐变厚度试件的几何尺寸特征，对每个叉指单元的宽度和间距进行选取，得到不同形式的变间距叉指相邻电容传感器组合，其结构如图1所示。
步骤七：变间距叉指型相邻电容传感器的优化选取。对步骤(六)得到的不同组合的传感器性能进行测试，对比传感器电场线分布和信号强度，选取最优的变间距叉指型相邻电容传感器。
本发明具有以下优点：1)在相同检测面积条件下，变间距叉指型相邻电容传感器的有效电极面积增大，提高了信号强度，同时传感器的电场线分布更符合待测渐变厚度试件的结构特点；2)通过测量高分子材料的电容值，对材料介电性能直接进行表征，更直观的衡量材料的电气性能。同时，该方法具有灵敏高、非侵入的特点。3)无需对材料进行破坏性试验，实现了真正意义上的无损检测，且可以实现连续在线监测。
附图说明
图1变间距叉指型相邻电容传感器结构示意图。
图2实验系统连线图。
图3变间距叉指型相邻电容传感器关键参数示意图。
图4单对叉指单元构成的相邻电容传感器截面示意图。
图5极板覆盖率为0.5不同单元长度C时电容值随待测试件厚度变化图。
图6极板覆盖率为0.5不同单元长度C时电容值相对于稳定值变化率。
图7单对叉指单元构成的相邻电容传感器的穿透深度曲线。
图8待测渐变厚度试件尺寸示意图。
图9变间距叉指型传感器与渐变厚度待测试件相对位置示意图。
图10a等间距叉指型传感器电场线在待测试件内部分布示意图。
图10b极板覆盖率为0.5变间距叉指型传感器电场线分布图。
图10c极板覆盖率为0.6变间距叉指型传感器电场线分布图。
图10d极板覆盖率为0.7变间距叉指型传感器电场线分布图。
图11变间距叉指型传感器与等间距传感器信号强度对比图。
图中：1、激励电极，2、感应电极，3、基底，4、屏蔽层，5、引线接头，6、渐变厚度试件，7、阻抗分析仪，8、变间距叉指型相邻电容传感器。
具体实施方式
下面结合附图1～附图11对一种变间距叉指型相邻电容传感器的设计作进一步说明。
基于相邻电容边缘效应，设计了一款变间距叉指型相邻电容传感器，用该传感器对厚度渐变结构的介电性能进行评定。
一种变间距叉指型相邻电容传感器，其结构如图1所示，包括激励电极1、感应电极2、基底3、屏蔽层4、引线接头5；基底3分为正面和背面，激励电极1和感应电极2粘贴在基底3的正面，屏蔽层4粘贴在基底3的背面；引线接头5焊接在基底3背面。
所述的激励电极1和感应电极2选用0.1mm厚的高导电性铜箔，激励电极1和感应电极2的宽度均为40mm、总的长度为38mm；激励电极1和感应电极2各包含三个叉指单元，激励叉指单元和感应叉指单元依次交替排列；
所述基底3选用有机玻璃板，其长宽高分别为60mm、50mm、2.5mm，在距离左端面和右端面分别为10mm的位置，留有直径为2mm的过孔，选用宽度为2mm的铜箔作为引线，通过引线将激励电极1和感应电极2引至基底背面，便于与引线接头5连接；
所述的屏蔽层4粘贴基底3背面，如图2所示，屏蔽层选用0.1mm厚的高导电性铜箔，屏蔽层长度为60mm、宽度为50mm，屏蔽层上U型切口的宽度为4mm、长度为30mm，屏蔽层的位置与激励电极1和感应电极2相对。
所述的引线接头5焊接在基底3背面，如图2所示，引线接头5的中间引脚分别与激励电极1和感应电极2的引线相连，引线接头5的外侧引脚与屏蔽层4相连。
所述的变间距叉指相邻电容传感器，其具体设计步骤如下：
步骤一：制作单对叉指单元组成的相邻电容传感器，其基本单元长度C为10mm，极板覆盖率为γ＝0.5，此时叉指单元宽度分别为5mm，叉指单元单元间距为5mm，选取叉指单元长度为40mm，按图4所示制作单对叉指单元组成的相邻电容传感器。
步骤二：测量不同厚度待测试样的电容值。将厚度为1mm的高温硫化硅橡胶放置于步骤(一)制作的相邻电容传感器上方，记录此时测得的电容值。然后，逐层叠加厚度为1mm的硅橡胶片，并记录每增加1mm厚度后测得的电容值，得到电容值随硅橡胶厚度变化曲线如图5所示。从图5中可以看出当硅橡胶厚度为14mm时，测量的电容值已经趋于平稳。
步骤三：计算各不同厚度待测试样的电容值相对于稳定值的变化率。将步骤(二)中得到的不同硅橡胶厚度下的电容值按照式(1)计算得到不同待测试样厚度h下电容值相对于稳定值Ch→∞的变化率如图6所示。
步骤四：计算单对叉指单元组成的相邻电容传感器的穿透深度。在步骤(三)的基础上，取Difference％为10％绘制水平线，如图6中虚线所示。虚线与不同待测试样厚度下电容值相对于稳定值Ch→∞的变化率曲线的交点对应的h值为6.03mm，此即为单元长度C为10mm、极板覆盖率为0.5时传感器的有效穿透深度。
步骤五：重复步骤(一)～(四)，制作单元长度C为4mm\5mm\6mm\7mm\8mm\9mm\10mm，极板覆盖率为γ为0.1～0.9的单对叉指单元相邻电容传感器，测量并计算得到不同参数组合下传感器的有效穿透深度，绘制成图7所示。
步骤六：确定每个叉指单元的宽度和间距，组合得到变间距叉指型相邻电容传感器。分析待测渐变厚度试件的几何尺寸特征如图8所示，从图中可以看出，待测试件最厚位置为6.27mm，最薄处厚度为2mm，倾斜面与水平方向的夹角约为5°，水平方向长度为46mm。从距离待测渐变厚度试件左端5mm位置处开始布置第一对叉指单元，此处待测试件最大厚度为5.89mm，依据步骤(五)得到的有效穿透深度h与各单元长度和极板覆盖率的对应关系，可知当极板覆盖率γ为0.5、0.6、0.7、单元宽度C为10mm时的传感器穿透深度满足要求，得到三种不同组合的变间距叉指传感器。图9所示为变间距叉指型传感器与渐变厚度待测试件相对位置示意图。按照图9所示，在不同厚度处布置各个独立的叉指单元。当极板覆盖率γ为0.5时，取C1＝10mm、C2＝8mm、C3＝6mm、C4＝5mm、C5＝4mm，各个叉指的宽度以及各间距如表1所示。当极板覆盖率γ为0.6时，取C1＝10mm、C2＝8mm、C3＝6mm、C4＝5mm、C5＝4mm，各个叉指的宽度以及各间距如表2所示。当极板覆盖率γ为0.7时，取C1＝10mm、C2＝8mm、C3＝7mm、C4＝6mm、C5＝5mm，各个叉指的宽度以及各间距如表3所示。最后，按照表1、表2和表3对应的叉指宽度和间距，结合图1制作相应的变间距叉指型相邻电容传感器。
步骤七：变间距叉指型相邻电容传感器的优化选取。图10a-10d给出了不同类型传感器的电场线分布图，对比可知，针对渐变结构，变间距叉指型相邻电容传感器的电场线分布优于传统等间距叉指结构。按照图2搭建实验系统，该系统包括渐变厚度试件6、阻抗分析仪7、变间距叉指型相邻电容传感器8，阻抗分析仪7与变间距叉指型相邻电容传感器8连接，通过阻抗分析仪7测得三种变间距组合的传感器的信号强度如图11所示，组合1为极板覆盖率为0.5，组合2为极板覆盖率为0.6，组合3为极板覆盖率为0.7。对比三种组合，极板覆盖率为0.7时，信号强度为11.49pF最大，与间距叉指型结构的信号强度3.08pF相比，提高了3.7倍。最后，优选的传感器参数如表3所示。
表1
叉指宽度 5mm 5mm 4mm 3mm 2.5mm 2mm
间距 5mm 4mm 3mm 2.5mm 2mm
表2
叉指宽度 6mm 5mm 4.8mm 3.6mm 3mm 2.4mm
间距 4mm 3.2mm 2.4mm 2mm 1.6mm
表3
叉指宽度 7mm 5.6mm 4.9mm 4.2mm 3.5mm 2mm
间距 3mm 2.4mm 2.1mm 1.8mm 1.5mm
以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不局限于此。

Claims (2)

1.一种变间距叉指型相邻电容传感器，其特征在于：该传感器包括激励电极(1)、感应电极(2)、基底(3)、屏蔽层(4)、引线接头(5)；激励电极(1)和感应电极(2)粘贴在基底(3)的正面且相互交叉布置，屏蔽层(4)粘贴在基底(3)的背面；引线接头(5)焊接在基底(3)背面两侧；
激励电极(1)和感应电极(2)均包含多个叉指单元，各叉指单元依次交替排列，且各个叉指单元的宽度和相邻两叉指单元的间距取决于待测结构厚度；
屏蔽层(4)粘贴在基底(3)背面，在感应电极(1)和激励电极(2)引线附近，屏蔽层(4)留有U型切口；屏蔽层(4)的位置与激励电极(1)和感应电极(2)相对；
引线接头(5)焊接在基底(3)背面，引线接头(5)的中间引脚通过基底上预留的引线孔分别与激励电极(1)和感应电极(2)相连，引线接头(5)的外侧引脚与屏蔽层(4)相连；
各叉指单元的宽度和间距具体设计步骤如下：
定义叉指传感器的关键参数，主要包括：单个叉指单元宽度w、长度l、相邻叉指单元间距g、极板覆盖率γ；基本单元长度C＝w+g，极板覆盖率γ表征叉指宽度w在传感器一个基本单元C中所占的比例，即γ＝w/(w+g)；
步骤一：制作单对叉指单元组成的相邻电容传感器，其基本单元长度为C，极板覆盖率为γ；单对叉指单元组成的相邻电容传感器主要包括：激励电极、感应电极、屏蔽层和基底，其中激励电极和感应电极相当于叉指传感器中对应的叉指单元；制作极板宽度为w＝C*γ、间距为g＝C*(1-γ)、屏蔽层宽度为C的相邻电容传感器；
步骤二：测量不同厚度待测试样的电容值；将不同厚度的待测试样放置于步骤(一)制作的相邻电容传感器上方，其中待测试样紧贴传感器电极放置，测量并记录多个厚度不等待测试样的电容值；
步骤三：计算各不同厚度待测试样的电容值相对于稳定值的变化率；待测试件厚度为h时的电容值为Ch，则Ch相对于稳定值Ch→∞的变化率为Difference％，即：
<mrow> <mi>D</mi> <mi>i</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>n</mi> <mi>c</mi> <mi>e</mi> <mi>%</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
得到各不同厚度待测试样的电容值相对于稳定值的变化曲线；
步骤四：计算单对叉指单元组成的相邻电容传感器的穿透深度；在步骤(三)的基础上，取Difference％为10％绘制水平线，与不同厚度待测试样的电容值相对于稳定值的变化曲线的交点所对应的待测试样厚度值h，即为传感器的有效穿透深度；
步骤五：重复步骤(一)～(四)，测量不同单元长度C、不同极板覆盖率γ下相应传感器的有效穿透深度h；
步骤六：确定每个叉指单元的宽度和间距，组合得到变间距叉指型相邻电容传感器；依据步骤(五)得到的有效穿透深度h与各单元长度和极板覆盖率的对应关系，结合待测渐变厚度试件的几何尺寸特征，对每个叉指单元的宽度和间距进行选取，得到不同形式的变间距叉指相邻电容传感器组合；
步骤七：变间距叉指型相邻电容传感器的优化选取；对步骤(六)得到的不同组合的传感器性能进行测试，对比传感器电场线分布和信号强度，选取最优的变间距叉指型相邻电容传感器。
2.根据权利要求1所述的一种变间距叉指型相邻电容传感器，其特征在于：基底(3)为绝缘材料；基底(3)上设有通孔，便于将激励电极(1)和感应电极(2)分别用导线引至基底背面。
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