CN113589042A - 一种包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，包括两块相对布置的极板，两极板的相对面内都包含有电气上相互独立且表面导电的激励电极区域和感测电极区域，激励电极区域面积远大于感测电极区域面积，激励电极区域构成激励电极，感测电极区域均匀分布于激励电极区域内部、由电气上互联但独立于激励电极的点或/和线组成，感测电极区域构成感测电极，激励电极用于向两极板间的被测介质输入激励电流，感测电极用于感测介质与两极板接触界面处两个介质表面之间的电位差，由激励电流和感测电位差可得被测介质的精确阻抗参数。本传感器结构简单，使用方便，可有效排除引线电阻等多种干扰因素，实现对介质电学阻抗参数的高精度检测。

Description

一种包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器。
背景技术
介质的电学阻抗参数包括介质的电阻率、电阻、介电常数、容抗、电容等等，是评价众多介质的物理化学特性的一类重要参数，因此介质的阻抗参数及其检测在科学研究、生产生活中都有着广泛而重要的应用。比如，在新材料研究领域通过测量介质材料的阻抗参数来评价介质的纯度或某种成分的含量，在食品生产领域通过测定液体食品的电阻率或介电常数等来判定食品是否合格，在医疗领域通过检测人体组织的电学阻抗参数来进行疾病诊断等等。
阻抗传感器是获取介质电学阻抗参数的关键。目前常用的阻抗传感器为图1所示的双极型阻抗传感器，其结构通常为两个相对的导电板型电极DM1和DM2，被测介质置于两个板型电极之间，从两电极上分别引出导线，用以输入激励电流
Figure BDA0003186481230000011
并输出两个极板与被测介质的两个接触界面间的感测电压
Figure BDA0003186481230000012
通过
Figure BDA0003186481230000013
得到被测介质的阻抗，进而结合传感器极板面积、极板间距等参数解算获得其他阻抗相关参数。由于这种传感器的两个电极既用于输入激励电流
Figure BDA0003186481230000015
又用于输出感测电压
Figure BDA0003186481230000014
因此，这种传感器实际上是激励电极和感测电极被合二为一的双极型阻抗传感器。
上述这种双极型阻抗传感器在实际的介质阻抗检测过程中是存在很多干扰和较大误差的，这可从其图2所示的等效电路模型及检测原理中分析得出。在图2中，RW1、RW2为引线线路电阻(包括引线自身电阻和线路接头处的接触电阻)，LW1、LW2为引线电感，RF1、RF2为电极表面的氧化膜或反应膜的膜电阻，RP1、RP2为介质与电极接触界面的接触电阻，CP1、CP2为介质与电极接触界面处极化效应的等效电容，RS和CS为两引线间的泄漏电阻和分布电容，RO、CO、LO分别为介质体系的等效电阻、等效电容和等效电感，需要检测的目标阻抗即为介质体系阻抗
Figure BDA0003186481230000021
由图2可见，对于该传感器，检测电路只能检测到通过接线端子dm1和dm2输入的总电流
Figure BDA0003186481230000022
而无法检测出只通过介质体系的电流
Figure BDA0003186481230000023
只能检测到接线端子dm1和dm2两端的电压
Figure BDA0003186481230000024
而无法检测出介质体系两侧电压
Figure BDA0003186481230000025
因此利用该传感器得到的检测结果
Figure BDA0003186481230000026
实际上除了介质体系阻抗ZO外，还包括与其串并联的线路电阻、引线电感、电极表面膜电阻、电极表面接触电阻、电极极化电容、引线泄漏电阻和分布电容等等干扰因素，用检测结果
Figure BDA0003186481230000027
来表示目标阻抗—介质体系阻抗
Figure BDA0003186481230000028
就会存在很大的误差。
在前述的干扰因素中，对于引线间的泄漏电阻RS和分布电容CS，通过尽量缩短电极引线长度、加大引线间的走线间距、选用带较强绝缘性能胶皮的导线、保持引线周边环境清洁干燥等措施可以比较容易地将其降到足够低的程度，使检测到的激励电流
Figure BDA0003186481230000029
比较理想地趋于介质体系电流
Figure BDA00031864812300000210
但本发明的发明人经过研究发现，对于线路电阻、引线电感、电极表面膜电阻、电极表面接触电阻、电极极化电容等其他干扰因素，利用这种双极型阻抗传感器则基本上无计可施，这就需要采取新的技术方案来降低或排除这些因素的干扰，以获得高精度的被测介质阻抗。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明在保持传感器一体化结构和使用方便的前提下，提供一种能有效避免阻抗检测中线路电阻、引线电感、电极表面膜电阻、电极表面接触电阻、电极极化电容等因素干扰的高精度阻抗检测传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，包括两块相对布置的第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板的相对表面内都包含有激励电极区域和感测电极区域，所述激励电极区域和感测电极区域表面导电且电气上相互独立，所述激励电极区域的面积远大于感测电极区域的面积，所述激励电极区域构成激励电极，所述感测电极区域均匀分布于激励电极区域内部、由电气上互联但独立于激励电极的点或/和线组成，所述感测电极区域构成感测电极，所述激励电极用于向第一极板和第二极板之间的被测介质输入激励电流，所述感测电极用于感测介质与两极板接触界面处两个介质表面之间的电位差。
与现有技术相比，本发明提供的包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，根据激励电流
Figure BDA0003186481230000031
和感测电位差
Figure BDA0003186481230000032
可获得两极间被测介质的精确阻抗值
Figure BDA0003186481230000033
结合极板面积、极板间距d等参数可进一步解算获得被测介质的电阻率、介电常数、容抗等电学阻抗相关参数。本传感器结构简单，使用方便，可有效排除传感器电极引线阻抗、线路接触阻抗、电极表面氧化膜或反应膜阻抗、电极与介质间的接触阻抗、电极极化效应等因素对介质阻抗参数检测结果的干扰，实现对被测介质电学阻抗相关参数的高精度检测。具体阻抗检测时，仪器通过两极板激励电极的接线端子输入激励电流
Figure BDA0003186481230000034
经由导线/电极引线、第一极板激励电极和第二极板激励电极流过被测介质，不论输入激励电流
Figure BDA0003186481230000035
的环路路径中线路电阻、引线电感、电极表面氧化膜或反应膜电阻、电极与被测介质接触界面的接触电阻和极化电容有多大，只要控制好电流流经线路的长度、间距及其与周边环境的绝缘，则流过被测介质的电流
Figure BDA0003186481230000036
就会足够接近仪器输出激励电流
Figure BDA0003186481230000037
即可较容易地保证
Figure BDA0003186481230000038
两极板感测电极的接线端子用于接入电压检测电路，以检测两极板感测电极之间的电压即电位差，由于电压检测电路的输入阻抗都非常高，通常可认为输入阻抗为无穷大，因此第一极板感测电极与其对应接线端子之间(或者第二极板感测电极与其对应接线端子之间)的电流几乎为零，即在两极板感测电极处流过电极与介质接触界面的电流也为零，也即介质在其与极板的整个接触界面处的表面电位与相邻侧的感测电极的电位、以及对应接线端子的电位都是相等的，所以仪器通过两极板感测电极的接线端子可精确测出介质体系本身在其与两极板接触界面处的两个表面间的电位差
Figure BDA0003186481230000041
而将线路电阻、引线电感、电极表面膜电阻、电极与介质间接触电阻及电极极化效应等引起的电压降干扰排出在外，最终通过
Figure BDA0003186481230000042
即可获得被测介质体系的精确阻抗ZO。
进一步，所述第一极板和第二极板的极板面为平面或曲面。
进一步，所述第一极板和第二极板在展平情况下的边缘形状为圆形或多边形。
进一步，所述分布于激励电极区域内部构成感测电极的点为圆形点或多边形点。
进一步，所述分布于激励电极区域内部构成感测电极的线为直线段、折线段、圆弧、螺旋线、叉指型线中的至少一种。
进一步，所述第一极板和第二极板平行相对或成预定角度斜相对。
进一步，所述激励电极和感测电极的表面镀金。
附图说明
图1是传统双极型阻抗传感器及其检测原理示意图。
图2是传统双极型阻抗传感器的等效电路模型及其检测原理示意图。
图3是本发明提供的一种阻抗传感器的极板和电极设置实施例(图中各极板只示出了激励电极和感测电极，省略了绝缘支承基板等其他组成要素)。
图4是本发明提供的高精度阻抗传感器的剖面结构示意图。
图5是本发明提供的阻抗传感器的等效电路模型及其检测原理示意图。
图6是本发明提供的另一种阻抗传感器的极板和电极设置实施例(图中各极板只示出了激励电极和感测电极，省略了绝缘支承基板等其他组成要素)。
图7是本发明提供的再一种阻抗传感器的极板和电极设置实施例。
图8是用PCB的加工方法制作本发明所提供传感器极板的制作实施例。
图9是通过利用本发明提供传感器检测斜壁容器/槽内介质阻抗来检测介质液面高度时传感器两极板的斜相对布置实例图。
图中，11、第一极板；12、第二极板。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
请参考图3至图9所示，本发明提供一种包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，包括两块相对布置的第一极板11和第二极板12，所述第一极板11和第二极板12的相对表面内都包含有激励电极区域和感测电极区域，所述激励电极区域和感测电极区域表面导电且电气上相互独立，即在两块极板的相对面内各自包含有表面导电的且电气上相互独立的两个区域，所述激励电极区域的面积远大于感测电极区域的面积，所述激励电极区域构成激励电极，具体第一极板11的激励电极区域构成激励电极D1，第二极板12的激励电极区域构成激励电极D2，所述感测电极区域均匀分布于激励电极区域内部、由电气上互联但独立于激励电极的点或/和线组成，所述感测电极区域构成感测电极，即感测电极由电气上互联但独立于激励电极的点或/和线组成，具体第一极板11的感测电极区域构成感测电极M1，第二极板12的感测电极区域构成感测电极M2，所述激励电极用于向第一极板11和第二极板12之间的被测介质输入激励电流
Figure BDA0003186481230000051
所述感测电极用于感测介质与两极板接触界面处两个介质表面之间的电位差
Figure BDA0003186481230000052
由所述激励电流
Figure BDA0003186481230000053
和感测电位差
Figure BDA0003186481230000054
可得两极板间被测介质的精确阻抗值
Figure BDA0003186481230000061
结合极板面积、极板间距等参数可进一步解算获得介质的电阻率、介电常数、容抗等电学阻抗相关参数。
与现有技术相比，本发明提供的包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，根据激励电流
Figure BDA0003186481230000062
和感测电位差
Figure BDA0003186481230000063
可获得两极间被测介质的精确阻抗值
Figure BDA0003186481230000064
结合极板面积、极板间距d等参数可进一步解算获得被测介质的电阻率、介电常数、容抗等电学阻抗相关参数。本传感器结构简单，使用方便，可有效排除传感器电极引线阻抗、线路接触阻抗、电极表面氧化膜或反应膜阻抗、电极与介质间的接触阻抗、电极极化效应等因素对介质阻抗参数检测结果的干扰，实现对被测介质电学阻抗相关参数的高精度检测。图4中激励电极D1或D2的表面氧化膜或反应膜与被测介质接触面两侧的“+”和“-”表示检测时电极极化效应产生的双电层，该效应等效于图2和图5中的电极极化电容CP1及CP2。具体阻抗检测时，仪器通过两极板激励电极的接线端子d1、d2输入激励电流
Figure BDA0003186481230000065
经由导线/电极引线、第一极板激励电极D1和第二极板激励电极D2流过被测介质，不论输入激励电流
Figure BDA0003186481230000066
的环路路径中线路电阻、引线电感、电极表面氧化膜或反应膜电阻、电极与被测介质接触界面的接触电阻和极化电容有多大，只要控制好电流流经线路的长度、间距及其与周边环境的绝缘，则流过被测介质的电流
Figure BDA0003186481230000067
就会足够接近仪器输出激励电流
Figure BDA0003186481230000068
即可较容易地保证
Figure BDA0003186481230000069
两极板感测电极的接线端子m1和m2用于接入电压检测电路，以检测两极板感测电极M1和M2之间的电压即电位差，由于电压检测电路的输入阻抗都非常高，通常可认为输入阻抗为无穷大，因此第一极板感测电极M1与其对应接线端子m1之间(或者第二极板感测电极M2与其对应接线端子m2之间)的电流几乎为零，即在两极板感测电极M1及M2处流过电极与介质接触界面的电流也为零，也即介质在其与极板的整个接触界面处的表面电位与相邻侧的感测电极的电位、以及对应接线端子的电位都是相等的，所以仪器通过两极板感测电极的接线端子m1和m2可精确测出介质体系本身在其与两极板接触界面处的两个表面间的电位差
Figure BDA0003186481230000071
而将线路电阻、引线电感、电极表面膜电阻、电极与介质间接触电阻及电极极化效应等引起的电压降干扰排出在外，最终通过
Figure BDA0003186481230000072
即可获得被测介质体系的精确阻抗ZO。
作为具体实施例，所述第一极板11和第二极板12的极板面为平面或曲面(如图7中的圆柱面)，由此可使本发明提供的阻抗传感器能更方便地使用于不同的应用环境。
作为具体实施例，所述第一极板11和第二极板12在展平情况下的边缘形状为圆形或多边形，由此可使本发明提供的阻抗传感器能更方便地使用于不同的应用场景。当然，本领域技术人员在前述实施例的基础上，还可以将第一极板11和第二极板12在展平情况下的边缘形状设置为椭圆形、带直线边和曲线边的各种形状。
作为具体实施例，所述分布于激励电极区域内部构成感测电极的点为圆形点或多边形点，当然本领域技术人员在前述圆形或多边形点的基础上，还可以采用其他形状的小点来实现。
作为具体实施例，所述分布于激励电极区域内部构成感测电极的线为直线段、折线段、圆弧、螺旋线、叉指型线中的至少一种，当然本领域技术人员在前述线形的基础上，还可以采用其他形状的细线来实现。
作为具体实施例，所述第一极板11和第二极板12为平行相对或成预定角度斜相对，由此可使本发明提供的阻抗传感器能更方便地应用于不同的具体检测环境。比如，对于图9所示的某些介质容器或介质输送槽，其容器壁或槽壁不是竖直的，而是倾斜向外的，在利用本发明提供的阻抗传感器通过检测介质阻抗来检测介质液面高度h时，为了传感器的安装方便，可直接将传感器第一极板11和第二极板12贴装在向外倾斜的容器内壁或输送槽内壁，或者直接将相对的两面容器壁或槽壁当作阻抗传感器两个极板的绝缘支承基板，而将激励电极和感测电极直接制作在相对的两面容器壁或槽壁的内侧，此时传感器的两个极板即为斜相对布置。当然，在更多的正常情况下，如果不存在安装不便等特殊问题，通常采用两极板平行正对的布置方式，这样可以避免在解算介质阻抗参数时进行额外的结构参数修正。
作为一种实施例，请参考图3所示，所述第一极板11和第二极板12的为圆形平面极板，第一极板11的感测电极M1和第二极板12的感测电极M2由圆弧形细线及与圆弧形细线中部连接并引至极板边缘的直线段共同组成，两块极板上剩余的、与感测电极电气独立(绝缘)的大面积导电区域各自构成激励电极D1和D2。
作为另一种实施例，请参考图6所示，所述第一极板11和第二极板12为矩形平面极板，第一极板11的感测电极M1和第二极板12的感测电极M2由两段U型细线及小圆点经电气互联后构成，而两块极板上其余大面积的、与感测电极电气独立的表面导电区域构成激励电极D1和D2。
作为再一种实施例，请参考图7所示，所述第一极板11和第二极板12为同心轴的两个圆柱面(曲面)极板，在外圆柱面极板(第一极板11)的内表面和内圆柱面极板(第二极板12)的外表面，皆包含被分割成两个区域的导电层：其中一个区域为电气互联的、面积占很小一部分的细线区域，该区域构成感测电极M1和M2；另一个区域为极板表面除开互联细线外、电气上与感测电极绝缘的大面积导电区域，该区域构成激励电极D1和D2。
作为具体实施例，在本发明的制作工艺上，具体可选用覆铜板作为极板，在敷铜的一面采用刻蚀等现有加工手段分割出感测电极区域和激励电极区域，再于两个区域的合适位置焊接上导线作为电极引出线。也可采用电镀的方式，在绝缘基板上电镀出激励电极和感测电极。
另外，还可用现有制作PCB(印刷电路板)的工艺方法来制作传感器极板。具体用印刷电路板的工艺来制作本发明传感器的极板时，设计阶段可按图8所示在PCB板的顶部信号层用走线或放置焊盘的方式放置细线型或/和小点状的感测电极，用设置敷铜的方式放置面积较大的激励电极，再用放置过孔的方式将感测电极的各细线/小点和代表激励电极的敷铜跨接至两绝缘层之间的中间信号层，在中间信号层用走线的方式将感测电极的各小点或/和细线电气互联，同时将感测电极和激励电极引线至PCB板的合适位置后，再用放置过孔的方式从中间信号层跨接至绝缘层2的外表面，并在相应位置放置焊盘，用于焊接激励电极和感测电极的外部引线。在实际加工时，PCB板顶面的感测电极和激励电极两个区域都保留铜箔原始表面，不上绝缘漆，以保证电极表面导电性。为增强电极表面导电性，防止表面氧化或反应膜的生成，还可在所述感测电极和激励电极的表面进行镀金等相关表面处理。除此之外，其他制作工艺与印刷电路板(PCB)的制作工艺完全相同。
除上述具体实施例之外，本领域技术人员也可采用其他可行方案来具体实施，此处不再赘述。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，其特征在于，包括两块相对布置的第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板的相对表面内都包含有激励电极区域和感测电极区域，所述激励电极区域和感测电极区域表面导电且电气上相互独立，所述激励电极区域的面积远大于感测电极区域的面积，所述激励电极区域构成激励电极，所述感测电极区域均匀分布于激励电极区域内部、由电气上互联但独立于激励电极的点或/和线组成，所述感测电极区域构成感测电极，所述激励电极用于向第一极板和第二极板之间的被测介质输入激励电流，所述感测电极用于感测介质与两极板接触界面处两个介质表面之间的电位差。
2.根据权利要求1所述的包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，其特征在于，所述第一极板和第二极板的极板面为平面或曲面。
3.根据权利要求1所述的包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，其特征在于，所述第一极板和第二极板在展平情况下的边缘形状为圆形或多边形。
4.根据权利要求1所述的包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，其特征在于，所述分布于激励电极区域内部构成感测电极的点为圆形点或多边形点。
5.根据权利要求1所述的包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，其特征在于，所述分布于激励电极区域内部构成感测电极的线为直线段、折线段、圆弧、螺旋线、叉指型线中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，其特征在于，所述第一极板和第二极板平行相对或成预定角度斜相对。
7.根据权利要求1所述的包含独立激励电极和感测电极的高精度阻抗传感器，其特征在于，所述激励电极和感测电极的表面镀金。
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