边缘电场传感器设计与参数估计算法的研究

作     者：张慧凤 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄云志

授予年度：2012年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：边缘电场传感器 有限元 正交优化设计 参数估计算法 多元非线性回归 

摘      要：边缘电场(Fringing Electric Field,简称FEF)传感器是基于电容边缘效应的传感器,由于具有单边穿透、信号强度可调以及层析成像等优点,被广泛应用于工业过程控制中产品性能,如厚度、损伤、含水量、多孔性、粘度、密度等非接触测量。 本文介绍了边缘电场传感器有限元模型,并分析了传感器性能指标和结构参数。在此基础上,将传感器二维、三维模型相结合,基于正交优化设计和回归分析选择传感器结构参数,仿真结果表明,该方法确定的结构参数可以获得较好的性能指标。 根据优化设计得到的结构参数研制了PCB型单波长和三波长FEF传感器,并在基于Lab View的测量系统上标定。为了提高测量系统的精度,采用标准电容法对测量电路的反馈电容进行校正。实验结果表明,研制的传感器测量重复性效果较好,三波长传感器的通道之间无串扰。 研究了边缘电场传感器参数估计算法,分别针对单波长和三波长传感器提出线性回归和多元非线性回归算法,建立了传感器互导电容值与被测样本介电常数之间的函数关系。 利用所研制的单波长和三波长FEF传感器进行了绝缘损伤检测实验、板材探伤实验、厚度测量实验以及样本的分层分析实验。实验结果表明,所研制的单波长FEF传感器能够较好的分辨出样本损伤程度和测量样本的厚度,王波长传感器能够实现多层样本介电特性的测量。