（测试计量技术及仪器专业论文）围护结构含水率传感器的集成化设计及信号分析.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o n i i il li lli l ll lii l l liil ! y 18 0 5 10 3 d e s i g no fi n t e g r a t e ds e n s o r s f o r m e a s u r i n g w a t e rc o n t e n ti nb u i l d i n ge n v e l o p e a n dd a t ap r o c e s s i n g a t h e s i si r l i n s t r u m e n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b y n a m e d o n gj i n g y i a d v i s e d b y p r o f y a oe n t a o s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 一 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：逸塑鉴作者签名：氇塑盟垒 e t 期：出凹岔= 乌! 趔 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文所设计的含水率测试系统建立在建筑节能的大前提下，为建筑部门提供一个有关建筑 围护结构的热工性能的一个重要参数一含水率，准确测量围护结构的沿深度方向的含水率是 修正其热工性能的重要一环。 本文在已有的、用于测量围护结构含水率的同面散射场式的单极板多传感器结构的平面电 容传感器基本结构的基础上，设计了多极片同面电容传感器结构；采用电场仿真和实验验证的 方法，优化了传感器的结构参数。 为了避免传感器在使用过程中与被测围护结构平面的接触紧密程度和施加压力不一致而引 起的传感器形变的不一致对测试精度的影响，集成了载荷传感器，用于监测载荷大小并作为数 据采集的启动信号。 系统利用层析方法对沿纵向分布的含水率进行了计算。结合实验确定了围护结构的分层方 案，并利用实验数据拟合得到了各层含水率对不同极板组合影响的函数关系，建立了含水率模 型。验证实验结果表明，集成化后的传感器及测试方法提高了系统的性能。 关键词：含水率，同面散射场，电容传感器，集成化，载荷，层析 围护结构含水率传感器的集成化设计及信号分析 a b s t r a c t t h em o i s t u r ec o n t e n tt e s t i n gs y s t e mo ft h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ep r e m i s eo fb u i l d i n g e n e r g y - s a v i n g ，t op r o v i d ea l li m p o r t a n tp a r a m e t e r - t h em o i s t u r ec o n t e n to ft h eb u i l d i n ge n v e l o p e t h e r m a lp e r f o r m a n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o ns e c t o r i ti sa ni m p o r t a n tp a r to fr e v i s i n gi t st h e r m a l p r o p e r t i e st oa c c u r a t e l ym e a s u r et h em o i s t u r ec o n t e n ta l o n gt h ed e p t h d i r e c t i o no fr e t a i n i n gs t r u c t u r e b a s e do nt h ee x i s t i n gu n i p l a n a rs c a t t e r i n g f i e l d c a p a c i t i v es e n s o ru s i n gf o rm e a s u r i n gt h e m o i s t u r ec o n t e n to fe n v e l o p es t r u c t u r e ，i no r d e rt oo v e r c o m eh u m a ne r r o rc a u s i n gb yt h er e p l a c e m e n t o ft h ep r o b ea n dt h eo p e r a t i o n t h i sp a p e rd e s i g n sap l a n a rc a p a c i t i v et y p es e n s o r 、加mm u l t i - p o l a r t a k i n gs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t si n t oa c c o u n t ，a n dc o n s i d e r i n gt h ec o n v e n i e n c eo fc a r r y i n g ，w e o p t i m i z et h es e n s o rs i z e i nt h ep r o c e s so fs e n s o ru s i n g ，i no r d e rt oa v o i dt h ed i f f e r e n td e g r e eo fc l o s ec o n t a c t w i t hm e a s u r e de n v e l o p ep l a n ea n dt h ed i f f e r e n td e f o r m a t i o no ft h es e n s o rc a u s e db yt h ei n c o n s i s t e n t h a n dp r e s s u r em a k i n gt h ei m p a c to nt e s ta c c u r a c y , t h eh a n d h e l dp a r to ft h es e n s o ru s e st h ei n t e g r a t e d l o a dc e l lt om o n i t o rt h el o a ds i z ea st h es t a r ts i g n a lo fad a t aa c q u i s i t i o n t h es e n s o rs y s t e mu s e st o m o g r a p h yt oc a l c u l a t em o i s t u r ec o n t e n ta l o n gt h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o n a st h ei n t e g r a t e ds e n s o r sh a v ead i f f e r e n ts e n s i t i v i t yo fm o i s t u r ec o n t e n td i s t r i b u t i o n ，t h i sp a p e r r e e s t a b l i s h e ss t r a t i f i c a t i o ns c h e m e so fe n v e l o p eb ye x p e r i m e n t s ，a n df i t se x p e r i m e n t a ld a t at oo b t a i n t h ef u n c t i o n a lr e l a t i o no ft h ea f f e c t i o nt h a td i f f e r e n tl e v e l s m o i s t u r et od i f f e r e n tp l a t ec o m b i n a t i o n s ， a n de s t a b l i s h e so fc a l c u l a t i o nm o d e lu s e dt oc a l c u l a t em o i s t u r ec o n t e n t v e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e g r a t e ds e n s o ra n dt h et e s tm e t h o da r eb e t t e rr e p e a t a b l e k e y w o r d s ：m o i s t u r e ；u n i p l a n a rs c a t t e r i n g - f i e l d ；c a p a c i t a n c es e n s o r ；i n t e g r a t e d ；t o m o g r a p h y 2 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题的提出及意义。l 1 2 围护结构含水率测试方法的国内外研究现状一2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 本课题研究的主要内容3 1 4 本章小结4 第二章集成化平面电容传感器的设计仿真及优化5 2 1 物理模型的建立、计算与分析。5 2 1 1 从平行板电容器到同面散射场式电容器5 2 1 2 同面散射场式电容传感器的近似计算7 2 1 3 同面散射场式电容传感器的非单调性分析7 2 1 4 传感器探头物理模型的理论分析8 2 2m a x w e l l 仿真及传感器集成化设计9 2 2 1 电磁场有限元分析基本步骤。9 2 2 2m a x w e l l 软件使用说明1 0 2 2 3 传感器器的技术指标1 2 2 3 集成化传感器探头的m a x w e l l 仿真1 2 2 3 1 单对极板的分立式传感器探头仿真1 2 2 3 2 集成化传感器探头仿真1 4 2 4 本章小结1 7 第三章集成化同面散射场式电容传感器的硬件设计1 8 3 1 传感器探头的设计1 8 3 1 1 传感器设计中的注意事项1 8 3 1 2 保护电极设计1 9 3 2 载荷传感器2 0 3 2 1 电阻应变片结构和工作原理2 0 3 2 2 电阻应变片的温度误差及其补偿方法2 2 3 2 3 悬臂梁式载荷传感器的设计2 3 围护结构含水率传感器的集成化设计及信号分析 3 2 4 悬臂梁式应变传感器的调理电路2 5 3 3 微小电容调理电路及逻辑控制电路2 7 3 3 1c v 转换电路2 7 3 3 2 极板组合的逻辑控制方式2 9 3 4 传感器的组装一3 1 3 5 本章小结3 2 第四章围护结构含水率测试系统软件程序设计简介3 3 4 1 基于v i s u a lc 阡的数据库应用程序设计简介3 3 4 1 1v i s u a lc + + 几种数据库访问技术的比较3 3 4 1 2 a d o 数据库访问技术的选择与使用3 4 4 2n t g r a g h 控件的使用3 7 4 3 含水率测试系统软件的设计与实现3 8 4 3 1 软件的总体规划3 8 4 3 2 软件各功能模块的实现3 9 4 4 本章小结4 6 第五章含水率传感器的实验研究及结果分析4 7 5 1 u s b 数据采集卡4 7 5 2 分层测试的理论4 9 5 2 1 层析算法【3 8 】4 9 5 2 2 相关数值计算方法4 9 5 3 实验研究与结果分析5 1 5 3 1 实验环境的模拟。5 1 5 3 2 验证探头测试深度5 2 5 3 3 实验设计与分析5 4 5 4 本章小结5 6 第六章总结与展望j 5 7 6 1 全文工作总结5 7 6 2 课题展望5 7 参考文献5 9 致谢6 ：! 在学期间发表论文和科研成果6 3 附录i 信号采集与显示程序6 4 i l 南京航空航天大学硕士学位论文 附录i i 中值滤波程序6 6 附录i 中值滤波程序6 7 i i i 围护结构含水率传感器的集成化设计及信号分析 图、表清单 图2 1 平行电极之间的电容5 图2 2 同一平面上两电极之间的电容6 图2 3 存在屏蔽时同一平面上两电极之间的电容6 图2 4 同面散射场式电容传感器原理的直观解释7 图2 5 同面散射场式电容传感器的结构图及其等效电路7 图2 6 电容值的计算结果8 图2 7 两相同尺寸矩形电极所组成的电容8 图2 8 主控制界面1 0 图2 9 执行界面。l l 图2 1 0 单对极板的传感器模型1 3 图2 1 1b = 3 c m 、s = l c m 的电场云图1 3 图2 1 2b = 3 c m 、s = l c m 时电场强度随穿透深度的变化趋势1 3 图2 13b = 9 e m 、s = 3 c m 时的电场云图1 4 图2 1 4b = 9 c m 、a = 3 c m 时沿测试深度方向的电场强度变化趋势图。1 4 图2 1 5 集成化传感器探头的极板分布图1 5 图2 1 6 仿真模型1 5 图2 1 7 类叉指电极模型电场云图1 6 图2 1 8 普通电极模型电场云图1 6 图2 1 9 类叉指电极模型和普通电极模型测试深度方向的场强变化对比1 6 图2 2 0 集成化传感器探头尺寸设计1 7 图3 1 印刷电路板工艺制成的集成化传感器探头1 9 图3 2 仿真的电场分布图。1 9 图3 3 抗干扰的平面传感器探头模型- 2 0 图3 4 抗干扰的平面传感器探头的电场云图2 0 图3 5 应变的定义。2 1 图3 6 金属应变片的敏感元件。2 1 图3 7 悬臂梁极其剪力与弯矩图。2 3 图3 8 不平衡电桥。2 4 图3 9 载荷传感器的机械结构一2 6 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 1 0 载荷系统调理电路2 7 图3 1 1 基于充放电原理的微电容测量调理电路2 7 图3 1 2 输出电压与晶振频率的关系曲线2 9 图3 1 3 控制系统的结构图3 0 图3 1 4 驱动电路的连接方式31 图3 1 5 组装后的传感器3 2 图4 1 含水率测试系统软件流程图。3 9 图4 2 含水率测试系统启动画面一4 0 图4 3 登录界面4 0 图4 4 帮助界面4 1 图4 5 历史数据查询界面一4 2 图4 6 测量设置模块。4 2 图4 7 修改联系电话界面4 3 图4 8 修改当前用户密码界面4 3 图4 9 用户管理及注册新用户界面。4 3 图4 1 0 测试主界面4 4 图4 1 1 信号采集流程图4 5 图5 1 传感器极板组合方式。5 2 图5 2 极板相同、间距不同时电场线的分布5 3 图5 3 含水率为1 8 7 时探测灵敏度与深度的关系5 4 表3 1 验证实验2 8 表4 1 三个探头测量干砖时的输出电压5 2 表4 2 含水率为1 8 7 时输出电压值( r n v ) 。5 3 表4 3 仅第一层含水时传感器输出电压变化5 4 表4 4 仅第二层含水时传感器输出电压变化。5 5 表4 5 第一层和第二层不同含水率配比组合测量验证结果。5 6 表4 6 第一层和第二层不同含水率配比组合测量验证结果5 6 围护结构含水率传感器的集成化设计及信号分析 英文略写 a d o m f c a p i s q l d m l d d l c o m d a o o d b c o l e d b 注释表 英文全称 a c t i v e xd a t a0 b j e c t s m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e d a t am a n u f a c t u r i n gl a n g u a g e d a t ad e f i n i n gl a n g u a g e c o m p o n e to b j e c tm o d e l d a t aa c c e s so b j e c t o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y o b j e c t “1 1 1 ( a n de m b e d d i n g d a t a b a s e 中文全称 a c t i v e x 数据对象 微软基础类 应用程序编程接口， 结构化查询语言 数据操纵语言 数据定义语言 组件对象模型 数据访问接口 开放数据库互连 对象链接嵌入数据库 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀1 = 匕 1 1 课题的提出及意义 建筑节能，在发达国家最初为减少建筑中能量的散失，现在则普遍称为“提高建筑中的能 源利用率”，在保证提高建筑舒适性的条件下，合理使用能源，不断提高能源利用效率。 我国城乡既有建筑面积达4 3 0 多亿平方米，数量如此之巨的建筑中，最乐观的估计，达到 节能建筑标准的也仅占5 左右。即使是新建筑，也有9 0 以上仍属于高能耗。与气候条件相 进的发达国家相比，尽管我国每平方米建筑采暖能耗约为发达国家的3 倍左右，但热舒适程度 远不如人。统计数据表明，中国建筑能耗的总量逐年上升，在能源消费总量中所占的比例已从 上世纪7 0 年代末的1 0 ，上升到今年的2 7 8 ，年消耗商品能源共计3 7 6 亿吨标准煤。建筑 用能对全国的温室气体排放“贡献率”已经达到了2 5 。有关方面预测，2 0 2 0 年以后，建筑能 耗将超过我国终端能耗的1 3 t 1 】【2 】。 加强对建筑物的节能性的检测和监督，是降低建筑能耗的重要环节。这就要求对建筑物的 节能性能进行科学、客观、公正的检测。为执行江苏省民用建筑全面实现节能的强制性标准， 我省建设部f - j n 定的关于进一步加强民用建筑节能工作的实施意见于2 0 0 5 年正式下发全省 各市。2 0 0 7 年底在南京市召开的全省建筑节能工作会议，要求城镇新建居住和公共建筑全面执 行建筑节能设计5 0 标准，到“十一五”期末，逐步过渡到建筑技能设计6 5 的标准。住房不 节能，不得销售【3 】。 要符合这一标准，科学检测建筑的节能性就成为了极其重要的手段。在目前的环境和条件 下，对建筑物的节能性能进行科学、客观、公正的检测更具有重要意义。目前的建筑节能检测 标准，制订已有多年。相比与建筑业的发展和社会对节能的要求已显滞后。其中一个重要的问 题是对建筑物围护结构的热工性能进行修正时对含水率问题考虑不足、处理不当。某临近地区 的检测标准规定针对含水率对维护结构的热工性能影响进行统一修正，但是没有考虑不同的季 节、环境和建筑材料的影响，不是根据建筑物的实际含水率进行修正，结果也存在一定的偏差 【4 】【5 】【6 】。 建筑物围护结构在建造和使用过程中不可避免地会吸收较多的水分。相对于围护结构中的 其它成份的材料而言，水的质量热容和体积热容都很大，传热性能也有较大程度的不同，而其 它非金属的成分其特性则有相似之处。所以含水率对围护结构的整体热工性能影响很大。比如 建筑材料结构内产生冷凝水时，其热阻值降至干燥状态下的2 0 ，冰冻时则会降至5 。又如， 外墙在遭受雨水侵袭，墙内有雨水滞留，会使墙体遭受冰冻侵害，同时热阻值降低。热阻值降 低，则围护结构的传热系数增大，而住宅还是按照系统最初调试时的负荷进行供暖，必然导致 围护结构含水率传感器的集成化设计及信号分析 室内冷热环境无法达到舒适程度【7 】。 因此必须对建筑物围护结构的含水率的多少、分布、影响因素以及测试方法进行研究。 1 2 围护结构含水率测试方法的国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在国外，美国堪萨斯州立大学对于建筑材料的含水率测量方法进行调研表吲8 1 ，目前材料 水分的测量技术主要有以下几种： 1 ) 称重法：该方法是一种经典方法，即取少量试块进行烘干，用精密天平称重烘干前后样 品的重量，由此计算出样品的含水率。目前大多数材料的湿度测量均采用该方法作为标准方法。 这种方法有几个误差来源。首先是物质中的水分不能被完全蒸发出来，因为一部分水和混凝土 结合得非常紧。虽然提高干燥温度可使大部分这种水分蒸发出来，但往往也破坏了物质的分子 结构，带走很多结合水，从而导致测量的误差。通常这种方法是在水是唯一不稳定因素，并且 材料的固体部分在高温下不会退化的情况下才可以进行。同时，此方法不能在线测量，并且在 采样时对围护结构有破坏性。 2 ) 介电测量法 介电测量方法是测量物质的介电常数和损耗率，这是因为介电常数和损耗率与物质的含水 量之间存在着一定的对应关系。但是被测物的密度对介电常数的影响很大。另外，对介电常数 影响大的还有温度和频率等。介电常数广泛用于测量物质的物理特性，由于它的非破坏性和宽 响应频谱，在土壤、造纸、生物敏感和亲水化合物等高分子的水分检测方面得到应用。 3 ) 电导率法 电导率测量方法是基于电导率随着当前含水量的增加而增大的原理。测量时，在混凝土结 构中钻两个洞，使液体电极流过空洞来测量电导率。该方法对建筑物有破坏性。并且，在环境 长期干燥时，建筑物的电阻值太高，不能用该方法测量。 4 ) 微波测量法 微波测量法的原理是水分对微波的吸收作用。测量出微波的损耗即可知道围护结构中的湿 度。英 雪c a m b r i g e 大学的z m a t k o w s k i 领导的研究机构对砖块和混凝土构件中的湿度与电阻抗、 介电常数的校准曲线进行了检测，并将微波方法应用到松软材料( 如砂土) 和新混凝土的含水率 测试上。英l 雪h y d r o n i x 公司以微波测湿技术为核一t l , ，成功解决了由于骨料含水量变化使混凝土 的强度、塌落度、耐久性发生变化的问题，从而成为提高混凝土质量的保证措施。 5 ) 红外线法 水对红外光的某一波带能产生强烈的吸收作用，利用该特性可以测量固体表面的湿度。将 一束红外线照射到被测物体的表面，测量表面反射光的强度，即可得出表面湿度。这是一种无 2 南京航空航天大学硕士学位论文 接触测量方法，而且由于水对红外线的强选择性，该方法受密度和杂质含量的影响小，受温度 影响也很小。 6 ) 相对湿度法 靠近混凝土或者与其接触的空气的湿度会受混凝土可能得到的自由水的数量影响，因此可 以用测量和维护结构非常接近的空气的相对湿度来间接测量它所含自由水的数量。 7 ) 中子测量法 物质中的氢元素能强烈地遏制中子射线的通过，而其它大量的元素则不能。测量中子射线 穿过物体后的衰减能得出物质中的氢元素的含量，从而找到含水量。该方法的主要测量对象是 沙子、建筑材料、烧结混合物和褐煤。 1 。2 2 国内研究现状 目前，国内测量含水率的仪器主要是应用于测量空气湿度，还有原油、烟草、木材、土壤 的含水率等等8 1 1 9 1 1 0 】【1 1 】。将这些测量方法应用到测量建筑物含水率上来的少之又少。目前，一 种基于电介法测量建筑物含水率的仪器应用较为广泛，它是根据电介质的介电常数随其水份含 量而发生明显变化的原理，通过介电效应产生的电学参数变化，间接测量建筑材料的含水率。 这种仪器一般用于建筑装修、防水工程基层材料的含水率测量及卷材层面渗漏源检查，还用于 砌筑砖、隔热保温材料的含水率测量，也可用于砼质量无损检测中的湿度检验。但是该仪器只 能用于建筑物表面的含水率测量，而不能测量建筑墙体沿纵向深度的含水率分布。 国内高校对含水率检测对象与围护结构类似的研究，而且检测方法也可鉴的，主要有河南 农业大学用边缘电场平面传感器对土壤水分进行检测1 1 】、大连理工大学对变压器绝缘纸板的微 水分检测研究1 1 2 】和郑州大学开展的基于平面电容式屋顶渗漏检测仪的研制9 1 。 南京航空航天大学在围护结构含水率检测方面的研究有所突破1 3 】，对含水率测试的基本原 理进行了研究，基本研制出了含水率测试的传感器结构。但是其传感器是分立式的，在使用过 程中需要频繁更换探头，这样就会因为传感器与被测围护结构的接触状态和结构形变等因素影 响测试 1 3 本课题研究的主要内容 针对前面所述分立式含水率测试传感器所存在的问题，本文提出了一种集成化的传感器探 头，结合逻辑控制电路对具有不同灵敏度的极板组合进行控制，同时设定载荷阈值来提高测量 精度，对围护结构含水率进行测量。论文还利用v i s u a lc + + 开发了含水率测试系统来层析围护 结构沿深度方向的含水率，实现对围护结构含水率的在线检测。 本论文主要以以下几个章节进行论述： 1 ) 第一章：根据国内外关于含水率在建筑方面应用的研究现状，以及几种含水率测试方法 3 围护结构含水率传感器的集成化设计及信号分析 的比较，论文提出了一种集成化的、基于同面散射场式的电容式传感器的含水率测试系统。 2 ) 第二章：通过电磁场有限元分析，选择利用m a x w e l l 仿真软件对集成化以后的传感器探 头模型进行仿真。集成化的传感器探头由八片同尺寸电极组成，仿真时，对不同电极组合下探 头的电场云图及电场强度分别仿真并分析，最终得到最优的传感器信号强度与电极宽度、间距 的关系，以此为基础设计传感器探头的尺寸。 3 ) 第三章：本章主要对传感器的硬件及外形进行设计。考虑到在实际检测过程中人手持传 感器可能对测量精度产生的影响，在传感器手柄部分集成了悬臂梁式的载荷传感器。通过实验， 选择继电器作为控制不同电极组合导通和关断的开关，并且在原有的微小电容检测电路的基础 上扩展了开关控制电路。最终完成了集成化传感器的设计与组装。 4 ) 第四章：利用层析思想作为指导，用设计好的集成化传感器探头进行含水率层析测试实 验。通过多次分层实验，得出针对该探头的合理的分层测试的特点和规律，推出含水率测量的 数学模型，采用梯度法从耦合项中分离出各层含水率，完成了小范围的含水率分层测试。 5 ) 第五章：利用可视化开发工具v i s u a lc + + 作为开发平台，开发了传感器信号的采集与处 理软件，将采集后的数据分析处理自动化，并给出分析结果。软件主要包括主界面模块、数据 采集与显示模块、含水率算法模块、检测结果的数据存储与显示模块、打印模块、历史记录查 询模块以及帮助模块等，构建了围护结构含水率实时检测系统。 6 ) 第六章：对整个课题做了总结，并提出对今后工作的建议。 1 4 本章小结 本章主要阐述了围护结构含水率测试的重要性，结合国内外研究现状，提出了集成化的围 护结构含水率测试传感器的设计技术。并且以传感器为基础设计了便携式围护结构含水率测试 系统。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章集成化平面电容传感器的设计仿真及优化 本文所设计的传感器是以同面散射场式电容传感器为基础的。为了设计出合理的传感器结 构，首先要了解同面散射场式电容传感器的原理，然后对传感器进行建模和仿真，优化传感器 参数，为传感器设计奠定理论基础。 2 1 物理模型的建立、计算与分析 常温下，水的相对介电常数是8 0 ，而建筑用材的相对介电常数多数小于1 0 1 ”j 。当电容器两 极板之间的电介质有水分浸入时，电介质的相对介电常数会增大，电容器的电容值也将明显增 大。因此，选用电容法检测维护结构的含水率会获得理想的检测效果1 7 】【1 8 】【1 9 1 。 由于围护结构大多数属于平面结构，并且结构面积很大，传感器的放置只能在围护结构的 一侧，传统的平行板电容器则不可行。若是将电容器的极板放置在同一平面内，构成同面散射 场结构，这样便易于传感器在整个待测围护结构上移动，并且可以在大面积区域内检测，应用 范围大大扩展口1 1 。 2 1 1 从平行板电容器到同面散射场式电容器 处于两平行平面上的两个电极之间的电容如图2 1 所示，下面的电极长度为无限长。阴影部 分为工作电极，与地( 无阴影部分) 用很小的间距隔开。 x i x 2 x - + 图2 1 平行电极之间的电容 两工作电极的电容计算公式为【2 2 】： c ：盟。n ：! 竺嗑竖二竺! 竺立堕二型 万c 。s h 秀( 而一五) 】c o s h 寺( _ 一屯) 如图2 2 所示为同一平面上的两电极，两工作电极( 阴影部分) 的长度l i l 2 ， 阴影部分) 为地。 ( 2 - 1 ) 周围( 无 5 围护结构含水率传感器的集成化设计及信号分析 两工作电极的电容计算公式为2 2 】： c ：e 。 e l 21 n 尘垒巡垒2 万 s 0 + 6 l + 6 2 ) ( 2 - 2 ) 图2 2 同一平面上两电极之间的电容 如图2 3 所示，在两电极上方放置一个接地的金属导体平面。金属导体的面积为无穷大，或 至少比d 的尺寸大5 倍。 。 图2 3 存在屏蔽时同一平面上两电极之间的电容 则其电容的计算公式为： c ：盟h 竺量竖二坐! 竺量兰二型 ( 2 - 3 ) 万 s i l l l l 嚼化一为) 】c o s h 秀( 五一) 】 将一对平行极板展开在与目标相对的同一平面内，从而在两极板平面的上方构成了工作区 间。由于检测电场为散射状，我们称之为同面散射场式电容传感器。这种传感器克服了传统平 行极板式电容传感器在结构上的缺陷，且安装调试方便。 图2 4 可作为这种同面散射场式电容传感器敏感原理的一种直观解释。即两个处于同一平面 上的电极相当于平行极板式电容器的一对敏感电极张开。然而，这种解释对于理解传感器的敏 感原理来说是很方便，但对于传感器的设计及分析而言，则显得太粗糙。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 蓟 图2 , 4 同面散射场式电容传感器原理的直观解释 2 1 2 同面散射场式电容传感器的近似计算 当被测目标为导体时，同面散射传感器的测试结构可等效为如图2 5 所示的情况。其中z p 为 被测目标与地之间的阻抗，而z a 则为电流检测电路对地的阻抗【2 3 1 。 电极a电极b ：型。n ! 竺! 壶竖二兰翌! 竺! 壶兰二兰翌 ( 2 4 ) 万 s i n h e 寺d ( x 2 一恐) 】s i n h 蠢d ( x l 一讫) 】 r 一 一c。sh刍(_一五)】c。sh寺d(x3c06r-,l一恐)】nc 。，：二逊二二= = 万 c 。s h 寺( 而一j c l ) 】c o s h 秀i ( 矗一而) 2 1 3 同面散射场式电容传感器的非单调性分析 对图2 5 所示的等效电路进行分析。取l 讫一五l = 2 5 c m ，各电极呈中心对称放置，空气介 质，电极长度l = l m ，改变电极间距g = l x 5 一x 2 i ，分别取g = o 0 5 、0 1 、0 2 、0 5 及l c m ，可计 的增加，c a b 呈现上升趋势，在d i x 6 一五i = 2 5 c m 处上升趋势趋于平缓。相反地，c a c 对电 所检测到的电容量随距离d 的变化不是单调的口3 1 。 7 围护结构含水率传感器的集成化设计及信号分析 图2 6 电容值的计算结果 传感器的使用要避免非线性特性。因此，在实际设计及应用这类传感器时，需要特别注意 被测目标的接地情况。增大被测目标与地之间的电容，可避免这种非单调性的影响。但是在测 试对象是围护结构的情况下，无法改变被测目标的接地情况，此时则可以通过在电极表面覆盖 足够厚度的绝缘层的方式来避免非单调性的影响【2 4 】。减小电极间的距离同样会消除非单调性， 但是通过仿真发现电极间距太小则会使传感器的穿透深度大大减小。 在实际应用中，由于印刷电路板工艺成熟，且批量生产时一致性好，制作成本低廉，成为 同面散射场式电容传感器的首选工艺。 2 1 。4 传感器探头物理模型的理论分析 传感器探头要尽量做到便携，因此其极板的面积会受到限制。一般来说，电极处于同一平 面基底上的电容传感器，其敏感电极常设计成栅状，以使电极上方所形成的电场分布均匀，且 避免边缘电场的不利影响。 为方便起见，首先对如图2 7 所示的有限面积矩形极板间的电容值进行分析。设两矩形电 极具有相同的尺寸。 8 j h 。 lj一 图2 7 两相同尺寸矩形电极所组成的电容 电极之间的距离s 很小时，由式( 2 - 2 ) 可得到两电极之间的近似计算电容2 4 1 1 2 5 】： 南京航空航天大学硕士学位论文 c ：盟1 1 1 坠丛型丝l n 鱼 万 s c s + 2 6 ) 万2 s ( 2 6 ) 从这一近似分析结果可以看出电极极板尺寸对传感器性能的影响： 1 ) 极板长度l 的影响：传感器的初始电容量与电极长度成正比，当电极宽度b 和电极间 距s 保持不变时，l 越大，初始电容量c 越大，响应的测量电路中寄生电容产生的影响越小， 测量系统的精度和灵敏度也就越高。但增大l ，会导致传感器尺寸的增加。 2 ) 电极间距s 的影响：电容量c 随着s 的减小而增大。但若是s 太小，会影响到传感器的 灵敏度和敏感距离。 3 ) 电极宽度b 的影响：当整个电容传感器探头的尺寸一定时，电极的宽度实际上与叉指电 极的条数有关。 从图2 4 中展开后的电极电场的电场线分布看出，这种探头结构的电场穿透深度与相邻极 板的中心距离有关。电容器两极板的中心距离越大，其电场辐射范围越大，测量深度越大，但 由同面散射场电容的计算公式( 2 6 ) 看出，在宽度一定的前提下，中心距越大，间距s 增大，电 容值变小，其灵敏度下降。这就需要在l 一定时，选择合适的b s ，在探测灵敏度较高的情况 下获得满足要求的探测深度。 在设计电极极板尺寸时，一般极板长度是固定的，也就是( 2 6 ) 式中的l 一定。那么传感 器的灵敏度和敏感距离主要受到电极宽度和电极间距比值的影响，即b s 【i7 1 。 2 2m a x w ei i 仿真及传感器集成化设计 2 2 1 电磁场有限元分析基本步骤 工程技术领域中有许多场问题，如电磁学中的电磁场分析、热学中的温度场分析等，都可 以看作是在一定的边界条件下求解其基本微分方程的问题弘8 1 。 有限元法将由微分方程表征的连续函数所在的封闭区域划分成有限个小的互连子域组成， 对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域的总的满足条件，从而得到问题的解。 这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题 难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的 工程分析