[发明专利]基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头及制作方法

权利要求书

1.一种基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头，其特征在于：包括依次从上到下设置的高精度检测电容、高介电常数环氧树脂层和恒温控制结构；

所述高精度检测电容包括正负极对状梳齿和绝缘油漆，所述正负极对状梳齿附着在高介电常数环氧树脂层上，并浸没在绝缘油漆中、通过绝缘油漆固定在高介电常数环氧树脂层上；

所述正负极对状梳齿包括正电极、负电极、若干个成对的正极梳齿和负极梳齿，所述正极梳齿并联于正电极，所述负极梳齿并联于负电极，所述正极梳齿和负极梳齿相互交叉平面设置；

所述正电极、负电极、正极梳齿和负极梳齿均采用PCB工艺中的印制覆铜。

2.根据权利要求1所述的基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头，其特征在于：所述高介电常数环氧树脂层采用FR-4材料制成。

3.根据权利要求1所述的基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头，其特征在于：所述恒温控制结构包括绝缘加热片和测温传感器，所述绝缘加热片包括第一绝缘加热片、第二绝缘加热片和第三绝缘加热片，所述测温传感器包括第一测温传感器和第二测温传感器；所述第一测温传感器位于第一绝缘加热片和第二绝缘加热片之间，所述第二测温传感器位于第二绝缘加热片和第三绝缘加热片之间，所述第一绝缘加热片、第二绝缘加热片和第三绝缘加热片通过加热片导线引出控制。

4.根据权利要求1所述的基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头，其特征在于：所述正极梳齿和负极梳齿均为15个梳齿，每个梳齿的尺寸是长为10mm、宽为0.3mm，相邻梳齿的间隔均为0.6mm。

5.根据权利要求4所述的基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头，其特征在于：所述正极梳齿和负极梳齿均等距交叉设置，正极梳齿和负极梳齿的交叉深度为9.7mm，正极梳齿远离正电极的一端距离负电极边缘为0.15mm，负极梳齿远离负电极的一端距离正电极边缘为0.15mm。

6.根据权利要求1所述的基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头，其特征在于：所述高介电常数环氧树脂层厚度为1.6mm±0.05mm。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将n个成对的正极梳齿和负极梳齿相互交叉平面设置组成n-1对耦合正负梳齿电容，并将n个正极梳齿的末端并联于正电极、n个负极梳齿的末端并联于负电极，从而形成并联关系的正负极对状梳齿；

通过每一对耦合正负梳齿电容c_c均由正对电场效应电容c_α和边缘电场效应电容c_β组成，计算获得总的检测电容为C_c、总正对电场效应电容为C_α和总边缘电场效应电容为C_β，分别为如下公式，

C_α＝(n-1)c_α(1)

C_β＝(n-1)c_β(2)

C_c＝C_α+C_β(3)

C_c＝(n-1)c_α+(n-1)c_β(4)

其中，n为正极梳齿或负极梳齿的个数；式(4)是将式(1)和式(2)带入式(3)得到；

2)将正负极对状梳齿附着在高介电常数环氧树脂层上，并浸没在绝缘油漆中、通过绝缘油漆固定在高介电常数环氧树脂层上，并以高介电常数环氧树脂层的水平放置方向即水平方向为x轴、垂直方向为y轴；

设正对电场线穿透介质介电常数为ε_x，正对电场效应系数为α，正对电场效应对应的平板面积为S₁，正对电场效应对应的平板距离为d_x，边缘电场线穿透介质介电常数为ε_y，边缘电场效应系数为β，边缘电场效应对应的平板面积为S₂，边缘电场效应对应的平板距离为d_y，由于电容值与平板距离成反比、与平板面积成成正比，则总正对电场效应电容C_α和总边缘电场效应电容C_β为如下公式，

Cα=(n-1)ϵxαS1dx---(5)]]>

Cβ=(n-1)ϵyβS2dy---(6)]]>

由式(5)和式(6)带入式(3)，可得总的检测电容C_c为，

Cc=(n-1)ϵxβS1dx+(n-1)ϵyβS2dy---(7)]]>

3)通过绝缘油漆的设置，将正对电场线永久地封在绝缘油漆中，固定了电容内部介质，使得总正对电场效应电容C_α为一个固定值；且考虑到温度对测量电容值的影响表现为e的指数次方，由式(7)得到式(8)，

Cc=[(n-1)ϵxβS1dx+(n-1)ϵyβS2dy]ec1-kT---(8)]]>

其中，e^c1-kT为温度对测量电容值的影响值，c1为固定常数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；

4)将恒温控制结构设置在高介电常数环氧树脂层下，并考虑温度对测量电容值的影响远小于电场效应对检测电容所带来的影响，使得温度影响获得忽略，由式(8)得到式(9)，进而将式(9)改写为式(10)，

Cc=Cα+(n-1)ϵyβS2dy---(9)]]>

Cc=Cα+(n-1)βS2dy*ϵy---(10)]]>

通过改变耦合正负梳齿电容对数n-1，边缘电场效应系数为β，边缘电场效应对应的平板面积为S₂，边缘电场效应对应的平板距离为d_y，计算式(10)中边缘电场效应电容系数以增大边缘电场效应所产生的总边缘电场效应电容C_β。