三电极平面电容传感器对材料损伤的探测.pdf

2011年第30卷第4期
传感器与微系统( Transducer and Microsystem Technologies)
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电极平面电容传感器对材料损伤的探测
谢宁宁,陈向东,李晓钰
(西南交通大学信息科学与技术学院,四川成都610031
摘要:通过 ANSYS软件分析非金属材料厚度和介电常数分布不均匀对电容量的影响以及三电极平面
电容传感器探头水平方向的有效探测范围。针对非金属材料表面下的异常或者损伤的检测,提出了一种
结构简单、操作方使的三电极平面电容传感器检测法,并对非金属材料表面下的异常或者损伤进行探测定
位。通过对损伤区的分析得出了一定传感器探头尺寸水平方向的有效探测范围为偏移损伤边缘50mm。
关键词:三电极平面电容传感器; ANSYS;探测定位;材料损伤
中图分类号:TP212.1
文献标识码:A
文章编号:1000-9787(2011)04-0057-03
Three-electrode planar capacitive sensor for material s
damage detection
XIE Ning-ning, CHEN Xiang-dong, II Xiao-yu
(School of Information Science & Technology, Southwest Jiaotong niversity, Chengdu 610031, China
Abstract: The effect of non-metallic material s thickness and inhomogeneous distribution of relative permitivity
to capacitance, and the effective detection range of three-electrode planar capacitive sensor in horizontal direction
are analyzed. A new method of three-electrode planar capacitive sensor which is simple in construction and easy
to operate is proposed to detect and locate the subsurface anomalies or damage of non-metallic materials. The
effective detection range of sensor probe whose size is defined in horizontal direction is the distance of 50mm
between probes center and damage 's edge by analyzing damage zone
Key words: three-electrode planar capacitive sensor; ANSYS; detection and location; material s damage
有探测范围。
电容传感器具有结构简单、成本低、休积小、性能优良
电容传感器的结构与数学模型
以及对环境要求不高、可在恶劣环境中工作等突出优点,使1.1三电极平面电容传感器的结构与原理
其具有广泛的应用。在普通应用场合,电容传感器电极被
如图1所示,3个大小相等、材料相同的电极在同一基
设计成对称电极式结构,而在某些特殊应用场合,电极结构板上。电极1为驱动电极,施加+5V;电极2和3为感应
和组合方式是非对称的,以便提高它的灵敏度。传感器电
电极,接地。当非金属材料靠近传感器表面时,由于边缘效
极大小和组合方式对灵敏度和探测距离具有重要意义1。应,影响了电极间的电力线分布,从而改変电容量。本文利
现实中,非金属材料内部可能损伤,如,风化的混凝土用电容的边缘效应来测得电容值?,主要测电极1与2组
或大理石板、建筑物损伤等,都可能威胁人们的健康和生命成的一个电容G1和电极1与3组成的一个电容C2。理论
安全。人们应在材料表面下的缺陷还小,尚未对人们的生上,非金属材料放在中心位置处测量,C:和C2应该是相等
命、健康及环境造成危害的时候就做出诊断。针对这些材的或者是非常接近的(C1和C2之间的差值与C1或C2之
料的异常和损伤检测,本文提出三电极平面电容传感器检比应小于0.5%);但当材料在水平位置上有偏移,就使C1
测法。用传感器测量非金属材料板,得到相应的可能预示和C2之间差值变大。
着材料内部发生异常变化的电容信息,对得到的电容信息1.2平面电容传感器的数学模型
做进一步的分析处理,达到检测材料表面下异常或损伤的
将三极板单一平面放置构成平面电容式传感器,其中
目的。本文采用有限元法分析非金属材料厚度和介电常数任意两极板间的电力线的分布近似为半圆弧形,如图
分布不均匀对电容量的影响以及平面基板探头水平方向的所示。总的等效电容值C为
收稿日期:2010-07-30
*基金项目:国家自然科学基金资助项目(60871024)