三电极平面电容传感器对材料损伤的探测.pdf

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1、2011年第3O卷第4期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)57三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、操作方便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

2、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)04-0057-03Three-electrodeplanarcapacitivesensorformaterial’SdamagedetectionXIENing—ning，CHENXiang—dong，LIXiao—yu(SchoolofInformationScience&Technology，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China)Abstract：Theeffectofnon—metalli

3、cmaterial’Sthicknessandinhomogeneousdistributionofrelativepermittivitytocapacitance，andtheeffectivedetectionrangeofthree—electrodeplanarcapacitivesensorinhorizontaldirectionareanalyzed．Anewmethodofthree-electrodeplanarcapacitivesensorwhichissimpleinconstructionandeasytooperateisproposedtodetectandl

4、ocatethesubsurfaceanomaliesordamageofnon—metallicmaterials．Theeffectivedetectionrangeofsensorprobewhosesizeisdefinedinhorizontaldirectionisthedistanceof50mmbetweenprobe’Scenteranddamage’Sedgebyanalyzingdamagezone．Keywords：three—electrodeplanarcapacitivesensor；ANSYS；detectionandlocation；material’Sda

5、mage0引言有效探测范围。电容传感器具有结构简单、成本低、体积小、性能优良1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。应，影响了电极间的电力线分布，从而改变电容量。本文利

6、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J，主要测电极l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C。和电极1与3组成的一个电容c。。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(C和之间的差值与C。或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C，测法。用传感器测量非金属材料板，得到相应的可能预示和之间差值变大。着材料内部发生异常变化的电容信息

7、，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问的电力线的分布近似为半圆弧形J，如图1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)58传感器