[發明專利]基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭及制作方法

在審

• 申請號: 201610338376.2
• 申請日: 2016-05-20
• 公開（公告）號: CN105758902A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發明（設計）人: 劉恒;阮瑋琪;熊豐;徐佳棋
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 朱妃;董建林

1.一種基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭，其特征在于：包括依次從上到下設置的高精度檢測電容、高介電常數環氧樹脂層和恒溫控制結構；

所述高精度檢測電容包括正負極對狀梳齒和絕緣油漆，所述正負極對狀梳齒附著在高介電常數環氧樹脂層上，并浸沒在絕緣油漆中、通過絕緣油漆固定在高介電常數環氧樹脂層上；

所述正負極對狀梳齒包括正電極、負電極、若干個成對的正極梳齒和負極梳齒，所述正極梳齒并聯于正電極，所述負極梳齒并聯于負電極，所述正極梳齒和負極梳齒相互交叉平面設置；

所述正電極、負電極、正極梳齒和負極梳齒均采用PCB工藝中的印制覆銅。

2.根據權利要求1所述的基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭，其特征在于：所述高介電常數環氧樹脂層采用FR-4材料制成。

3.根據權利要求1所述的基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭，其特征在于：所述恒溫控制結構包括絕緣加熱片和測溫傳感器，所述絕緣加熱片包括第一絕緣加熱片、第二絕緣加熱片和第三絕緣加熱片，所述測溫傳感器包括第一測溫傳感器和第二測溫傳感器；所述第一測溫傳感器位于第一絕緣加熱片和第二絕緣加熱片之間，所述第二測溫傳感器位于第二絕緣加熱片和第三絕緣加熱片之間，所述第一絕緣加熱片、第二絕緣加熱片和第三絕緣加熱片通過加熱片導線引出控制。

4.根據權利要求1所述的基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭，其特征在于：所述正極梳齒和負極梳齒均為15個梳齒，每個梳齒的尺寸是長為10mm、寬為0.3mm，相鄰梳齒的間隔均為0.6mm。

5.根據權利要求4所述的基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭，其特征在于：所述正極梳齒和負極梳齒均等距交叉設置，正極梳齒和負極梳齒的交叉深度為9.7mm，正極梳齒遠離正電極的一端距離負電極邊緣為0.15mm，負極梳齒遠離負電極的一端距離正電極邊緣為0.15mm。

6.根據權利要求1所述的基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭，其特征在于：所述高介電常數環氧樹脂層厚度為1.6mm±0.05mm。

7.根據權利要求1-6任意一項所述的基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭的制作方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)將n個成對的正極梳齒和負極梳齒相互交叉平面設置組成n-1對耦合正負梳齒電容，并將n個正極梳齒的末端并聯于正電極、n個負極梳齒的末端并聯于負電極，從而形成并聯關系的正負極對狀梳齒；

通過每一對耦合正負梳齒電容c_c均由正對電場效應電容c_α和邊緣電場效應電容c_β組成，計算獲得總的檢測電容為C_c、總正對電場效應電容為C_α和總邊緣電場效應電容為C_β，分別為如下公式，

C_α＝(n-1)c_α(1)

C_β＝(n-1)c_β(2)

C_c＝C_α+C_β(3)

C_c＝(n-1)c_α+(n-1)c_β(4)

其中，n為正極梳齒或負極梳齒的個數；式(4)是將式(1)和式(2)帶入式(3)得到；

2)將正負極對狀梳齒附著在高介電常數環氧樹脂層上，并浸沒在絕緣油漆中、通過絕緣油漆固定在高介電常數環氧樹脂層上，并以高介電常數環氧樹脂層的水平放置方向即水平方向為x軸、垂直方向為y軸；

設正對電場線穿透介質介電常數為ε_x，正對電場效應系數為α，正對電場效應對應的平板面積為S₁，正對電場效應對應的平板距離為d_x，邊緣電場線穿透介質介電常數為ε_y，邊緣電場效應系數為β，邊緣電場效應對應的平板面積為S₂，邊緣電場效應對應的平板距離為d_y，由于電容值與平板距離成反比、與平板面積成成正比，則總正對電場效應電容C_α和總邊緣電場效應電容C_β為如下公式，

Cα=(n-1)ϵxαS1dx---(5)]]>

Cβ=(n-1)ϵyβS2dy---(6)]]>

由式(5)和式(6)帶入式(3)，可得總的檢測電容C_c為，

Cc=(n-1)ϵxβS1dx+(n-1)ϵyβS2dy---(7)]]>

3)通過絕緣油漆的設置，將正對電場線永久地封在絕緣油漆中，固定了電容內部介質，使得總正對電場效應電容C_α為一個固定值；且考慮到溫度對測量電容值的影響表現為e的指數次方，由式(7)得到式(8)，

Cc=[(n-1)ϵxβS1dx+(n-1)ϵyβS2dy]ec1-kT---(8)]]>

其中，e^c1-kT為溫度對測量電容值的影響值，c1為固定常數，k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度；

4)將恒溫控制結構設置在高介電常數環氧樹脂層下，并考慮溫度對測量電容值的影響遠小于電場效應對檢測電容所帶來的影響，使得溫度影響獲得忽略，由式(8)得到式(9)，進而將式(9)改寫為式(10)，

Cc=Cα+(n-1)ϵyβS2dy---(9)]]>

Cc=Cα+(n-1)βS2dy*ϵy---(10)]]>

通過改變耦合正負梳齒電容對數n-1，邊緣電場效應系數為β，邊緣電場效應對應的平板面積為S₂，邊緣電場效應對應的平板距離為d_y，計算式(10)中邊緣電場效應電容系數以增大邊緣電場效應所產生的總邊緣電場效應電容C_β。