[发明专利]一种变间距叉指型相邻电容传感器

说明书

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 electric field 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 designed interdigitated 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 capacitive humidity 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。