平面电容传感器设计及在材料探伤中的应用研究*

汪蓓蓓,黄云志,刘永洪

(合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥 230009)



平面电容传感器设计及在材料探伤中的应用研究*

汪蓓蓓,黄云志*,刘永洪

(合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥 230009)

材料内部不同损伤具有不同的介电特性,利用平面电容传感器可以实现无损检测。平面电容传感器电极位于同一平面,敏感场非均匀分布,电极结构是影响传感器敏感场分布的主要因素。研究敏感场分布特性有助于提高传感器测量精度。本文基于有限元研究了不同电极结构的平面电容传感器,仿真结果表明,矩形叉指电极敏感场分布均匀性好。分别优化矩形叉指电极和圆形电极结构参数,并基于PCB工艺研制传感器用于材料损伤检测。实验验证了平面电容传感器用于材料探伤的有效性,且矩形叉指电极传感器测量效果优于圆形电极。

平面电容传感器;电极结构;敏感场分布;材料探伤

平面电容传感器的电极位于同一平面,电场单边穿透、信号强度可调,且测量时对样本无任何损伤,与X射线、超声等无损探测技术相比,其成本低、效率高,具有广阔的应用前景。但同面电极产生的敏感场分布非均匀,且电极结构对敏感场均匀性影响很大,在敏感场强度较弱的区域,传感器探测能力差,影响测量结果。研究不同电极结构对传感器敏感场分布的影响,有助于优化平面电容传感器的设计,提高传感器性能。

国内外相关机构结合不同的应用对平面电容传感器的电极结构进行了研究。Mukhopadhyay S C等将平面电容传感器用于海产品软骨藻酸的检测,研究梳状电极的结构对灵敏度和电场分布的影响[1],实验表明减少传感器驱动电极数目可以改善传感器的电场分布,提高传感器的灵敏度。Rashed H Bhuiyan等研究了用于混凝土含水量检测的圆电极和矩形电极叉指型平面电容传感器[2],圆电极叉指传感器能够提高传感器的信号强度和灵敏度。Dehkhoda F等分析比较了多种不同电极结构平面传感器的灵敏度和线性度[3],通过优化结构参数提高性能。Chen Tianming比较了圆盘型、圆叉指型和圆螺旋型平面电容传感器的信号强度、灵敏度和穿透深度。仿真结果表明圆叉指型和圆螺旋型传感器的信号强度和灵敏度相比圆盘型有明显改善[4]。李晓钰等提出在传感器面积相同的情况下,复杂的电极结构有利于提高传感器的输出信号强度和灵敏度[5]。李楠研究了圆电极、圆阵列和花型电极结构的平面电容传感器在车辆雨刷自动控制系统中的应用[6]。花型电极结构的传感器能够延伸有效电极长度,提高传感器的灵敏度。

以上研究从灵敏度和信号强度等角度分析平面电容传感器,没有考虑传感器敏感场分布特性对传感器性能的影响。本文基于有限元研究不同结构的传感器敏感场分布情况,选择改善电场分布的电极结构并设计参数,研制传感器应用于材料探伤。

1 平面电容传感器电极结构仿真研究

1.1 不同电极结构的平面电容传感器

图1 不同电极结构的平面电容传感器(单位:mm)

平面电容传感器主要由驱动电极和感应电极组成。在驱动电极上施加一定频率的交流信号,在感应电极产生相同频率不同幅度的输出信号,驱动电极和感应电极之间形成空间电场。通过计算输出信号和驱动信号增益比,可以得到传感器极间电容值。传感器的电极结构形状是影响电场分布的主要因素,电极结构形状有叉指型[2]、回字型[3]、早字型[3]、圆盘型[4]、螺旋型[7]等,如图1所示。

1.2 平面电容传感器敏感场仿真分析

利用敏感场分布参数SFD(Sensitive Field Distribution)[8-10]描述电极结构对敏感场分布的影响。敏感场中每一个单元的敏感度Sε,j,定义为:

(1)

式中Cε,j表示第j个单元添加样本后传感器输出电容。C0表示传感器空载时的电容值。敏感场分布:

(2)

其中

(3)

(4)

SFD越小,说明平面传感器敏感场分布越均匀。

采用有限元法仿真分析不同电极结构的传感器敏感场分布特性。仿真中平面电容传感器感应电极的面积设定为28.26 mm2～31.5 mm2。电极材料设置为tin,厚度为0.018 mm。驱动电压给定1 V,感应电压给定0 V,仿真收敛误差设置为2%。敏感场分布参数如表1所示。

表1 不同结构平面电容传感器的SFD

由表1可知,矩形叉指传感器的敏感场分布均匀性好,圆盘型传感器的敏感场分布最差。矩形电极的电场集中在电极的尖角附近,而圆盘型传感器的电场集中在圆盘感应电极的边缘处,内部电场强度很弱,整个传感器敏感场分布均匀性下降,由此可见,矩形叉指电极能有效改善电场分布。

1.3 叉指型传感器结构参数设计

矩形叉指传感器结构参数有电极宽度、电极间距、电极厚度、基板厚度、基板介电常数、电极长度和电极数目,如图2所示。

图2 叉指传感器结构参数示意图

传感器的互导电容与结构参数之间的关系可表示为[11]:

(5)

其中,ε0表示空气介电常数,εm表示样本的相对介电常数,εs表示基板的相对介电常数。εa表示由电极厚度引起的间隙填充的相对介电常数,h表示电极厚度,a表示电极间距,s表示电极宽度,b表示电极间距和电极宽度的和,N表示传感器的电极数目,L表示传感器电极长度,K(·)表示第一类完全椭圆积分。

传感器性能指标有信号强度、穿透深度和灵敏度。信号强度定义为传感器空载时输出电容大小。穿透深度为传感器电场能够穿透样本的理想高度。灵敏度取决于电容随被测样本的介电常数变化的程度:

(6)

式中,Cs表示添加样本后传感器的测量值,C0表示传感器空载测量值,εs表示样本相对介电常数,ε0表示空气相对介电常数。

设计结构参数时,首先设计传感器的电极宽度和电极间距。电极宽度和电极间距是影响灵敏度、信号强度以及穿透深度的主要参数,且对灵敏度和信号强度的影响趋势一致。电极宽度和电极间距对信号强度的影响如图3所示。

图3 电极宽度和电极间距对信号强度的影响

由图3可知,电极宽度越大,信号强度越大;电极间距越大,信号强度越小。电极宽度和电极间距对穿透深度的影响如图4所示。

图4 电极宽度和电极间距对穿透深度的影响

通过最小二乘拟合获得穿透深度与电极宽度、电极间距之间的关系式为:

T=0.60s+0.69a

(7)

式中,T为传感器的穿透深度,a为电极间距,s为电极宽度。

电极宽度和电极间距的设计首要满足测量对象需要的穿透深度,其次是信号强度和灵敏度。本文根据应用对象的特点设计传感器的电极宽度和电极间距都为1.5 mm。

其次设计电极厚度、基板厚度和基板介电常数。电极厚度增加,传感器的灵敏度和信号强度略有增加。但电极厚度越大,带来的横向电容效应增大,不利于传感器测量,因此传感器的电极厚度应根据传感器的制作工艺尽量减小;基板厚度根据制作工艺中常规板厚设计。本文电极厚度设计为0.018 mm,基板材料为FR4,厚度为1.5 mm。

最后设计电极长度和电极数目。电极长度和电极数目越大,传感器的信号强度和灵敏度越大,但同时传感器的面积增加。为了保证传感器的电场能量集中在被测样本中,提高测量精度,被测样本要完全覆盖传感器表面。本文根据应用对象需求设计4根感应电极,电极长度为66 mm。为了减小外界的噪声对传感器敏感场的干扰,在感应电极两侧各设计一根屏蔽电极。矩形电极传感器的电极数目总共为13根,7根驱动电极,4根感应电极,2跟屏蔽电极。

综上所述,本文针对应用对象设计叉指传感器结构参数如下:矩形电极叉指传感器的结构参数设计为电极宽度为1.5 mm,电极间距1.5 mm,电极厚度0.018 mm,基板的材料为FR4,厚度为1.5 mm,7根驱动电极,4根感应电极,2根屏蔽电极,电极长度为66 mm;圆电极叉指传感器有6根驱动电极,4根感应电极,1根屏蔽电极,最外层圆环为驱动电极,半径为30 mm。除此以外,其余结构参数与矩形传感器结构参数一样。

2 实验研究

2.1 传感器与测量系统

研制的PCB型传感器如图5所示。

图5 PCB型叉指传感器

将研制的传感器接入测量系统,首先对两种电极结构的传感器进行重复性误差标定[12]。测量频率范围为5 Hz～3500 Hz。矩形电极传感器的重复性误差在0.04 pF以内;圆电极传感器的重复性误差在0.03 pF以内。

在频率f=3 500 Hz时,用两种电极结构的传感器分别测量正常的FR4板材。为了避免实验中的随机误差,采用多次测量取平均值。圆电极传感器对正常FR4板材测量值为17.87 pF,空气测量值为8.05 pF;矩形电极对正常FR4板材测量值为15.13 pF,空气测量值为7.43 pF。FR4板材的相对介电常数为4.4。根据灵敏度的定义式可计算获得圆电极传感器的灵敏度为2.89,矩形电极传感器的灵敏度为2.26。

2.2 板材探伤实验

采用两种结构的传感器分别对正常和损伤的FR4板材进行实验。实验中为了减小随机误差的影响,采用多次测量取平均值作为最终测量结果。矩形电极传感器和圆电极传感器的扫频测量结果分别如图6(a)和6(b)所示。

由图6可知,扫频测量中电容随频率增加逐渐减小并趋向于稳定值。以f=3 500 Hz下的测量值分析矩形电极传感器和圆电极传感器对正常与损伤板材的测量结果,并将测量结果与仿真结果比较,如表2所示。

图6 不同电极结构的叉指型传感器测量结果

表2 不同电极结构叉指传感器仿真和实验测量结果

由表2可知,两种结构的传感器对正常FR4板材的测量值要大于损伤板材。这主要是因为板材的损伤处充满的是空气,空气介电常数要小于FR4板材,因此损伤板材的测量值减小。且无论是仿真还是实验测量结果都表明矩形电极传感器的检测效果更好。尽管圆电极传感器的灵敏度略大于矩形电极的传感器,但圆电极传感器的敏感场分布均匀性较差,在敏感场较弱的区域,损伤带来的材料介电变化不能引起传感器输出较大的改变。而矩形电极的传感器敏感场分布均匀性较圆电极明显改善,在两种电极结构的传感器灵敏度相接近的情况下,矩形电极传感器各处敏感场强度接近,板材损伤在任何位置处都可被检测出来,引起传感器输出的降低。因此,矩形电极传感器在材料损伤检测时效果更好。板材探伤实验结果表明,改善平面电容传感器的敏感场分布,对提高传感器的测量结果是非常重要的。

以上实验测量结果与仿真结果在数值上存在差异主要原因:测量电路中寄生电容的影响;传感器表面与样本的接触质量的影响;同时,仿真中介电常数设定值与实际板材介电常数存在差异。

4 结语

本文基于有限元仿真研究了多种不同电极结构的平面电容传感器敏感场分布。在感应电极面积相同的情况下,矩形叉指电极敏感场分布均匀性最好。研制矩形电极和圆电极的叉指传感器,分别用于FR4板材探伤实验。结果表明,平面电容传感器可以有效检测出板材损伤且矩形电极传感器测量结果优于圆电极传感器。

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汪蓓蓓(1989-),安徽马鞍山人,合肥工业大学硕士研究生,研究方向为DSP应用技术;

黄云志(1976-),安徽淮南人,合肥工业大学电气与自动化工程学院教授,主要研究方向为传感器技术、数字信号处理和智能仪表,hqyz@hfut.edu.cn。

ResearchonPlanarCapacitiveSensorDesignandApplicationinMaterialInjuriesDetection*

WANGBeibei,HUANGYunzhi,LIUYonghong

(Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Non-destuctive testing for the internal injuries of materials is carried on by using capacitive sensor because the injuries have different dielectric properties.Based on the coplanar electrodes,sensitive field distribution of the planar capacitive sensor is non-uniform.Electrode structure is the key point affecting the sensor sensitive field distribution.It is of great importance to study its sensitive field distribution so as to improve measuring accuracy.The paper studied different electrode structure of planar capacitive sensors based on the finite element.The simulations show sensitive field distribution of the rectangular electrode interdigital sensor has good uniformity.Structure parameters of the planar sensors with interdigital rectangular electrode and circular elctrode are optimized.The sensors are fabricated on PCB for material injuries detection.The experiments verify the effectivity of internal injuries detection of materials by using planar capacitive sensor and show that the measurement result of rectangular electrode interdigital sensor is better than the circular sensor.

planar capacitive sensors;electrode structure;sensitive field distribution;material injuries detection

项目来源:国家自然科学基金项目(510076);安徽省科技计划项目(12010302059)

2014-04-14修改日期:2014-06-09

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.025

TP212

:A

:1004-1699(2014)07-0997-05