Research on geometric parameter of the capacitive sensor for liquid membrane detection on the insula

Electrical Engineering and Automation September 2014, Volume 3, Issue 3, PP.21-27

Research on Geometric Parameter of the Capacitive Sensor for Liquid Membrane Detection on the Insulator Surface Ying Han 1, Nan LI 2, # 1. The twentieth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Xi’an 710071, China 2. Research Center for Non-destructive Testing and Evaluation, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China #Email: nan.li@hotmail.co.uk

Abstract A multi-pitch proximity capacitance sensor is proposed to improve the sensor performance, and the relation between the geometric parameters design of the sensor and the sensor performance is discussed. Compared to those traditional sensor geometries, such as array-based sensor, multi-ring based sensor, under the same measurement conditions, the multi-pitch based sensor’s electrical field distributions and the practical capacitance values are presented. The detail effects of the sensor design parameters, such as gaps between the sensor electrodes, the effective area and the geometry of the sensor plates are qualitative analysis. The experimental results prove that the complex structure sensor can improve the measurement linearity, signal strength and measurement sensitivity.

Keywords: Proximity Capacitive Sensor; Multi-Pitch; Measurement Sensitivity; Geometric Parameter

绝缘表面液膜检测电容传感器的几何参数研究* 韩颖 1，李楠 2 1. 中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安，710071 2. 北京工业大学机电学院无损检测与评估研究所，北京，100124 摘

要：设计了多螺旋盘形相邻电容传感器，并分析了传感器几何参数设计对其测量性能的影响。与传统的阵列式、多

环式相邻电容传感器在同等测量环境下进行测量，对各相邻电容传感器分别进行电场分布仿真和边缘电容测量值测量， 并进行比较分析，确定了包括极板间距、面积与形状等传感器几何参数传感器性能的具体影响。实验结果表明，复杂传 感器结构能够提高电容传感器的测量线性度、测量信号强度以及测量灵敏度等性能。 关键词：相邻电容传感器; 多螺旋盘形; 测量灵敏度; 几何参数

引言 随着科学技术的迅速发展，传感器技术已经广泛应用于工业生产，医疗卫生，交通运输等领域，并逐 渐渗透到人们的生活当中，传感器技术已经在许多系统的实现与应用中取得了不同程度的成功 [1-3]。针对绝 缘表面液膜形成程度的检测，在多数潮湿工业环境中，也有很广泛的需求。例如工业仪表中的仪表盘等显 示窗口，由于服役时间过长导致密封不好，或者仪器中部分灵敏部件的绝缘表面，由于操作不当或环境原 因，导致的液膜形成，都需要实时在线的进行检测，以免出现检测误差甚至工业事故。因此，迫切需要一 种能够用于绝缘表面液膜检测的传感器检测技术，不仅能够精确检测绝缘表面液膜形成程度，还能在恶劣 *基金项目：国家自然科学基金(51105008)，北京市教育委员会科技计划项目(KM201310005034)

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环境中保持工作稳定性。相邻电容传感器技术作为传统电容传感器检测技术的延伸，以其诸多优点，如 1) 测量范围大，2) 灵敏度高，3) 动态响应快，4) 稳定性好，可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作， 尤其是解决高温高压环境下的检测难题，5) 设计成本低，在恶劣环境中工作的高稳定性以及对调节信号的 地要求，已逐渐成为工业检测领域中的主流技术之一。 本文首先介绍了相邻电容传感器进行绝缘表面液膜形成程度检测的检测原理，基于传感器检测原理给 出了影响相邻电容传感器检测性能的设计参数，基于参数平衡的原则，设计了多螺旋盘形相邻电容传感 器，与多阵列圆形传感器、多环形传感器的检测性能进行了仿真分析与比较，给出了性能比较结果。最 后，给出了多螺旋盘形相邻电容传感器设计需要改进的部分以及未来研究的方向。

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相邻电容传感器设计

1.1 传感器工作原理 绝缘表面液膜检测应用中，相邻电容传感器主要应用电容边缘效应。传感器由激励极板与接收极板组 成，通常在激励极板上加载 AC 电压，则激励极板和接收极板之间通过边缘效应形成一个稳定的静电场。绝 缘待测物体或介质位于传感器极板对上方，默认介电常数为空气(ε1)，当待测物体靠近极板表面时，由于不 同介质（非导电）的介电常数(ε2)不同于空气介电常数(ε1)，因此待测材料与空气形成混合电介质并对传感器 的边缘电场共同作用形成边缘电容，极板之间的介电常数发生变化，导致极板间电场(E)发生改变，影响电 容值变化 。最终，通过外部电路检测该变化，将信号返回控制单元分析处理，来判断待测[4, 5]，其基本原理 如图 1 所示。 1

待测介质（绝缘时）

2 1

E

接收极板

E

激励

接收极板

接地屏蔽 图 1 边缘效应电容传感器的基本结构和工作原理

由于特殊液体（如水、油、醇等）多有固定介电常数，与干燥空气、绝缘表面材料的固有介电常数不 同，因此利用相邻电容传感器进行绝缘表面液膜形成程度检测是可行的，并且检测性能的高低，主要取决 于传感器的检测性能与检测电路的设计。

1.2 相邻电容传感器设计原则 基于电容边缘效应的传感器性能评价主要从以下三点进行价：1) 穿透深度（电场线的穿透深度）；2) 信号强度（电容值的大小）以及噪声抑制；3) 测量灵敏度（对电压变化或电场变化的灵敏度）以及传感器 的测量动态范围[6, 7]。 影响以上传感器性能的相关设计参数主要包括四点：1) 相邻电容传感器极板几何参数选择；2) 相邻电 容传感器材料的选择；3) 传感器电极板数目与间距选择；4) 电容传感器屏蔽电极的形状与位置选择。 在传感器设计中，极板间距是有限的，通过实验可得，通常情况下，极板设计间距最大不超过传感器 长宽或直径的 40%为宜。既要保证传感器极板对间的电场线的穿透深度，又要保证传感器测量信号强度。 除此之外，传感器的检测范围也要考虑，传感器的检测范围主要取决于传感器的极板有效面积。极板面积 越大，相应的传感器检测范围越大。在给定传感器尺寸，规定检测区域的情况下，传感器有效电极板长度 - 22 www.ivypub.org/eea

也是影响相邻电容传感器灵敏度的一个重要参数，通常电极板有效长度与传感器灵敏度成正比[8]。

1.3 相邻电容传感器的几何参数设计 分析以上参数特点并设计三种传感器形式结合以上参数设计进行检测性能比较。三种不同结构的相邻 电容传感器分别为阵列式、多环型与多螺旋盘形相邻电容传感器。阵列式与多环型相邻电容传感器外径尺 寸均为 25mm，而多螺旋盘形相邻电容传感器长宽均为 25mm，三种传感器极板材料均为红铜，如图 2 所 示。

(a) 阵列式

(b)多环型

(c)多螺旋盘形相邻电容传感器

图 2 三种不同结构的相邻电容传感器

图(a)为阵列式相邻电容传感器，它由一个激励极板和四个接收极板组成。四个圆形接收极板半径均为 3mm，外围激励极板和接收极板之间的间距为 4mm。图(b)为多环型相邻电容传感器，它由一个中心激励极 板和四个外环接收极板组成。激励极板半径为 4mm，最靠近激励极板的接收极板与激励极板的间距为 3mm，其余相邻接收极板间距均为 2mm，接收极板环宽为 3mm。图(c)为多螺旋盘形相邻电容传感器。它由 一个中心激励极板和四个多螺旋盘形接收极板组成。激励极板与接收极板的宽度均为 3mm，极板间间隙为 2.5mm。

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相邻电容传感器性能测试与分析

2.1 阵列式形相邻电容传感器 阵列式相邻电容传感器是由单一激励极板和四个接收极板组成，接收极板为 2×2 阵列式极板。考虑到 成本，实验室阶段的测试接收极板与激励极板材料均为红铜。电容传感器的激励电压为 3V，且极板之间的 介质为空气，在干燥环境下进行电势分布仿真，如图 3 所示，给出了阵列式相邻电容传感器等势线分布与 3D 电势分布仿真结果。

(a) 等势线分布

图 3 阵列式相邻电容传感器等势线与 3D 电势分布 - 23 www.ivypub.org/eea

(b)3D 电势分布

为研究传感器表面电势分布特点，过阵列式相邻电容传感器中心且穿过两接收极板中心，沿 x 轴成 45 度角方向，近传感器表面处进行 20 个点均匀间隔采样测量，测量电势分布曲线如图 4 所示。由于传感器为 轴对称结构，因此曲线为中心对称，测量电势最高为 2.995V，最低电势为 2.96V。 结果表明，阵列式相邻电容传感器表面电势分布对称，电势差小（最大为 0.035V），因此其线性度较 好，稳定性高，但是同时也导致其测量灵敏度低。

图 4 阵列式相邻电容传感器的电势分布曲线

2.2 多环形相邻电容传感器 多环型相邻电容传感器是由单一中心激励极板和四个外环接收极板组成。激励极板和接收极板材料均 为红铜，传感器的激励电压为 3V，且极板之间的介质为空气，在干燥环境下进行电场和电势分布仿真。图 5 给出了多环型相邻电容传感器的等势线与 3D 电势分布的仿真结果。

(a) 等势线分布

(b) 3D 电势分布

图 5 多环型相邻电容传感器等势线与 3D 电势分布

为研究传感器表面电势分布特点，过多环型相邻电容传感器中心沿 x 轴方向，近传感器表面处进行 20 个点均匀间隔采样测量，测量电势分布曲线如图 6 所示。由于传感器为完全对称结构，因此曲线为中心对 称，测量电势最高为 3V，最低为 0.75V。

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图 6 多环型相邻电容传感器的电势分布曲线

结果表明，多环型相邻电容传感器表面电势分布中心对称，最大电势与最小电势之差大（最大为 2.25V），因此其测量灵敏度高，线性度在远离激励极板的位置较差，在近激励极板附近较好，需要指出的 是，随着外环接收极板到中心激励极板的间距变大，传感器测量电容值会迅速下降，甚至不可测。

2.3 多螺旋盘形相邻电容传感器 通过比对传统相邻电容传感器，基于相邻电容传感器设计原则，设计多螺旋盘形相邻电容传感器新型 结构，该传感器由一个中心激励极板和四个多螺旋盘形接收极板组成。激励极板和接收极板材料均为红 铜，传感器的激励电压为 3V，且极板之间的介质为空气，在干燥环境下进行电场和电势分布仿真。图 7 给 出设计的多螺旋盘形相邻电容传感器的等势线与 3D 电势分布的仿真结果。

(a) 等势线分布

(b) 3D 电势分布

图 7 多螺旋盘形相邻电容传感器等势线与 3D 电势分布

在 y 轴上的值为 0.27(1×50mm)处沿多螺旋盘形相邻电容传感器 x 轴方向，近传感器表面处进行 20 个点 均匀间隔采样测量，测量电势分布曲线如图 8 所示。由于传感器为轴对称结构，因此曲线为中心对称，测量 电势最高为 3V，最低为 2.55V。

图 8 多螺旋盘形相邻电容传感器的电势分布曲线 - 25 www.ivypub.org/eea

结果表明，多螺旋盘形相邻电容传感器表面电势分布中心对称，最大电势与最小电势之差为 0.45V，因 此其在保证测量灵敏度的同时，由于其结构特点，分段线性度较好，稳定性高。

2.4 相邻电容传感器性能测试 三种相邻电容传感器电场分布通过有限元仿真，应用 COMSOL 对已给定参数，同测量环境下的三组相 邻电容传感器进行电势分布仿真，得出如图 9 示的电势分布曲线比较：

图 9 三种相邻电容传感器电势分布曲线比较

由上图，可得出：阵列式相邻电容传感器以四个圆形极板作为接收极板，而激励极板环绕四个接收极 板。由于接收极板非常小，因此激励极板与接收极板间的电势差微小(<<1pF)，传感器灵敏度多数无法达到 实际应用要求，根据实际测量结果知，其电压值变化约为 0.049V。多环形相邻电容传感器以中心极板为激 励极板，四个环形接收极板等相邻间隔由近及远式分布，从仿真结果可以看到靠近激励极板的相邻接收极 板间电势差最为明显，但远离激励极板的最外围相邻接收极板间电势差变化微弱，因此传感器检测范围较 小，传感器电容检测平均值不高，通过实际测量，其传感器最大电压变化约为 1.270V。可以通过调节多环 形电容传感器的极板间距离或激励极板与接收极板的面积，改进多环形传感器的性能。多螺旋盘形相邻电 容传感器结合了阵列式电容传感器与多环形电容传感器的结构优点，在相同尺寸和激励电压下，增大了激 励极板的面积，并增大了激励极板与接收极板的有效公共边缘，从而增加了边缘电容，提高了传感器灵敏 度。此外，多螺旋盘形相邻电容传感器的四个接收极板与激励极板间距相同，便于比较各电极对的电容变 化差异，能够有效的降低后续控制电路出现误判情况，并能够对液膜出现位置进行区域定位，通过实际测 量，其电压变化约为 0.525V。 因此，通过比较三种相邻电容传感器的性能优缺点，可以确定多螺旋盘形相邻电容传感器的性能最 优，更适合用作绝缘表面液膜检测的电容传感器。

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结论 本文介绍了相邻电容传感器的工作原理与设计要求，并设计了多螺旋盘相邻电容传感器，并与传统阵

列式、多环型相邻电容传感器进行性能比较。通过 COMSOL 软件对这三种传感器的电场及电势分布进行了 有限元仿真，证明了相邻电容传感器的极板几何参数设计对传感器的测量信号强度以及测量灵敏度有着明 显的影响。主要结论如下： (1)传感器灵敏度最高的结构为多环型相邻电容传感器。但由于极板间距的非等间隔性，导致电容值和 电场变化差异较大。 (2)从整体性能上来看，由于多螺旋盘形相邻电容传感器增大了激励极板的面积，并增大了激励极板与 接收极板的有效边缘，从而增加了边缘电容，提高了传感器灵敏度，因此其结构为最优，更适用于绝缘表 - 26 www.ivypub.org/eea

面的电容传感器。

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【作者简介】 1

韩颖（1988- ），女，汉族，硕士，研

2

李楠（1983- ），男，汉族，博士，讲师，研究方向：无损

究方向：电容传感器设计，雷达系统设

检测，传感器设计。学习经历 2004 年获西安电子科技大学

计。分别于 2010，2013 年获西安电子

机电工程学院工学学士学位，2008 年获英国曼彻斯特大学电

科技大学机电工程学院工学学士学位与

气工程学院理学硕士学位，2010 年获西安电子科技大学机电

工学硕士学位。

学院工学博士学位。Email: nan.li@hotmail.co.uk

Email: 812886870@qq.com

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