边缘电场传感器设计与参数估计算法的研究

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LabView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，三波长传感器能够实现多层样本介电特性的测量。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 边缘电场传感器的工作原理

1.1.2 正问题和逆问题

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源和主要研究内容

第二章 边缘电场传感器的有限元仿真

2.1 有限元方法简介

2.2 边缘电场传感器的有限元模型

2.2.1 半波长模型

2.2.2 挠性基板边缘电场传感器

2.2.3 三维模型

2.3 边缘电场传感器的参数化仿真

2.3.1 边缘电场传感器的性能指标

2.3.2 边缘电场传感器的结构参数

2.3.3 参数化仿真

2.4 小结

第三章 边缘电场传感器结构参数的正交优化设计

3.1 回归正交实验设计

3.1.1 正交实验设计

3.2.2 多元回归线性方程的建立

3.2 交叉指传感器结构参数的正交优化设计

3.2.1 半波长模型正交实验设计

3.2.2 三维模型正交实验设计

3.2.3 多波长传感器通道间的串扰分析与设计

3.3 小结

第四章 PCB型传感器的研制和实验

4.1 PCB型传感器的研制

4.2 测量系统

4.2.1 系统框架

4.2.2 测量电路反馈电容标定实验

4.2.3 测量电路的重复性标定实验

4.3 边缘电场传感器的测量实验

4.3.1 单波长传感器的重复性标定实验

4.3.2 三波长传感器的重复性标定实验

4.3.3 三波长传感器的串扰分析

4.3.4 传感器空载实验结果分析

4.4 小结

第五章 参数估计算法及其仿真研究

5.1 概述

5.2 单波长传感器参数估计仿真研究

5.2.1 单波长传感器正逆问题参数估计算法

5.2.2 单波长传感器参数估计仿真

5.3 三波长传感器的参数估计算法

5.3.1 三波长传感器工作原理

5.3.2 多元非线性回归参数估计算法

5.3.3 三波长传感器参数估计算法仿真研究

5.4 小结

第六章 实验研究

6.1 单波长传感器测量实验

6.1.1 电缆绝缘检测实验

6.1.2 PCB板材探伤实验

6.1.3 物体厚度检测实验

6.2 三波长传感器测量实验

6.3 小结

第七章 总结与展望

7.1 主要完成工作与创新

7.2 今后工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文