[发明专利]一种用于顶板离层监测的分段互电容式位移传感器

说明书

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：