[0001] 本实用新型属于传感器领域，尤其提供了一种用于电缆绝缘检测的叉指型电容传感器。

[0002] 交联聚乙烯电缆具有耐热性好，击穿强度高，绝缘电阻系数大，介电常数小，介质损耗因数低等优点，被大量应用于电力系统各电压等级的输电线路及配电网。但是由于电缆本身的结构缺陷及运行环境 (高温、外力、外电场、水分等)和运行时间的影响，交联聚乙烯电缆会不可避免的发生绝缘老化现象，这容易导致出现重大事故。为保证电缆可靠运行，需要经常对电缆的绝缘状态进行检测。

[0003] 为此本公司公开了一种用于电缆绝缘检测的电容传感器，但是需要调整其各结构参数以达到最优的效果。实用新型内容

[0004] 为解决上述问题，本实用新型提供了一种用于电缆绝缘检测的叉指型电容传感器。本实用新型通过对电容传感器的结构进行优化设计，如改变电极对数、电极宽度、电极间距等结构参数，可以提升了其的灵敏度和其他性能。

[0005] 为达到上述技术效果，本实用新型的技术方案是：

[0006] 一种用于电缆绝缘检测的叉指型电容传感器，包括金属导体层，金属导体层外包裹有绝缘层，绝缘层外包裹有护套层，护套层外包裹有柔性基底层；护套层和柔性基底层之间沿周向安装有叉指电极；叉指电极包括感应电极和激励电极，感应电极和激励电极之间形成有间隙，间隙内填充有绝缘介质；所述柔性基底层外包裹有金属背板，金属背板外包裹有柔性保护层，所述叉指电极的厚度D1为18μm‑36μ m。

[0007] 进一步的改进，所述柔性基底层的厚度D2＝50μm。

[0008] 进一步的改进，所述叉指电极的长度为5cm。

[0009] 进一步的改进，所述绝缘介质的介电常数为4。

[0010] 进一步的改进，所述叉指电极的对数为3‑9个。

[0011] 本实用新型的优点：

[0012] 本实用新型通过对电容传感器的结构进行优化设计，如改变电极对数、电极宽度、电极间距等结构参数，可以提升了其的灵敏度和其他性能。

[0022] 以下通过具体实施方式对本实用新型的技术方案作具体说明。

[0023] 如图1所示的一种用于电缆绝缘检测的叉指型电容传感器，包括金属导体层1，金属导体层1外包裹有绝缘层2，绝缘层2外包裹有护套层3，护套层3外包裹有柔性基底层7；护套层3和柔性基底层7 之间沿周向安装有叉指电极；叉指电极包括感应电极4和激励电极5，感应电极4和激励电极5之间形成有间隙6，间隙6内填充有绝缘介质；所述柔性基底层7外包裹有金属背板8，金属背板8外包裹有柔性保护层9。

[0024] 上述用于电缆绝缘检测的叉指型电容传感器结构参数进行优化的方法。该方法分别对传感器的三种效果指标进行考察，通过仿真的形式改变结构参数，获得结构参数与传感器效果之间的正负对应关系，从而取得参数优化的效果。

[0025] 该电缆绝缘检测的便携式叉指型电容传感器结构图1所示，包括叉指电极、柔性基底、接地背板、柔性保护层以及金属夹具。其中，叉指电极主要有两种：激励电极(红色)和感应电极(蓝色)，宽度为w，电极数目为偶数个，对数为N，厚度为d，由电阻率较小的紫铜制成，用于施加激励电压和产生感应电流；电极间隙宽度为g，充满介电常数为εx的绝缘介质；电极片沉积在柔性基底上，基底采用柔性材料PTFE构成，用于与接地背板保持绝缘；接地背板采用厚度较小的黄铜制成，用于屏蔽径向外来噪声信号；柔性保护层，由柔性材料制成，附在夹具上，用于保护背景板，避免使用时被夹具损坏，同时使得电容传感器受力均匀，减小电极与电缆表面的气隙；金属夹具使得电容传感器与被测电缆接触紧密，另附有螺丝和螺丝接口，可进一步固定传感器，并提高测量准确率。

[0026] 传感器设计：传感器的渗透深度主要由电极对数决定，电极对数与渗透深度呈负相关，可根据测量的电缆绝缘层深度来确定渗透深度，以指导传感器的电极对数设计；为提高传感器的灵敏度，可选择宽度较大、间隙较小的电极结构；基于降低基底作用考虑，可将柔性基底的厚度适当减小为50μm左右，为提高输出电容，电极片的厚度可设置为18—36μm。

[0027] 对于传感器结构优化的评判，采用信号强度、灵敏度、渗透深度三个效果指标。影响传感器输出的主要参数有：金属电极的对数N、电极宽度与间隙之比K，电极厚度D1，基底材料介电常数E，基底厚度D2。由于在多因子分析中，各参数因子不仅各自独立地对响应结果作用，而且还联合起来起作用，即因子之间的交互作用。为综合评估各二维模型中参数以及其交互作用对传感器优化指标的影响，进行二水平全因子实验，各因子试验水平如下表1所示。

[0028] 表1各因子水平表

[0029]

[0030] 因子设计是一种设计试验，在执行试验时，不是一次改变一个，而是同时改变所有因子的水平，从而研究多个因子对响应的影响，并可以研究因子之间的交互作用。在二水平全因子实验设计中，每个试验因子都只有两个水平，整个试验包括这些因子水平的所有组合。实际经验表明，多级交互作用是不存在的或很小以至可以忽略不计，可主要考虑部分二级交互作用，因此本设计在用软件进行分析时仅仅考虑二级交互作用试验各个指标的影响。

[0031] 在标准化效应的正态概率图中，展示了相对于所有效应为0时的的分布拟合线的标准化效应。当因子值从低水平变高水平时，正效应因子的响应会增加，即显示于0的右侧，负效应因子降低响应，显示于0的左侧，且离0越远，效应越显著。

[0032] 图2a‑图2c为对仿真数据进行因子分析得到的效应影响结果图，显然对于信号强度(a)而言，各因素效应的重要程度分别为：N(电极对数)>K(电极宽隙比)>N×K(对数与宽隙比的交互作用)>D2(基底厚度)>D1(电极厚度)>N×D2(对数与基底厚度的交互作用)>N×D1(对数与电极厚度的交互作用)>K×D2(宽隙比与基底厚度的交互作用)>K×D1(宽隙比与电极厚度的交互作用)>E(基底介电常数)>N×E(对数与基底介电常数的交互作用)。显然，电极对数和宽隙比以及二者的交互作用对信号强度的影响远大于其他因素，因而主要由电极对数和宽隙比来决定传感器的输出信号强度。二者及其相互作用均对信号强度具有正效应，电极对数和电极宽隙比的值越大，整个电极覆盖的面积越大，电极间的电容值也就越大，信号强度越大。

[0033] 对于灵敏度(b)，由各因子的分布，可显然判断出影响因素主次顺序分别为：K>N>N×K>D2>D1>N×D2>N×D1>E>N×E，电极对数N和宽隙比K占主导作用，但是二者的效应完全不同，电极对数为负效应，而宽隙比为正效应，其交互作用为负作用。

[0034] 对于渗透深度(c)，正态概率图中各个因子影响程度排列的主次顺序为：N>K>N×K>D2>D1>E>D1×D2>E×D2>N×D1>N×D2，电极对数N对渗透深度的作用显著高于其他各因素作用，即电极对数对渗透深度具有决定性作用，其作用为负效应。宽隙比K和电极对数N有相同的负效应，其交互作用为正效应，但是远小于K和N的主效应。

[0035] 当因子间的交互效应对结果造成显著性影响时，各因子效应需要进行简单效应检验，分别考察因子交互项中一因子在另一因子的不同水平上的变化。简单分析的结果表可以看出，在因变量为信号强度 Cp时，均存在显著的交互效应掩盖或歪曲了自变量因子的作用机制：对于N×D2，当电极对数N为低水平时，显著性水平大于0.05，即此时的基底厚度D2的水平大小对信号强度影响较小，但是当N为高水平时，基底的厚度D2就对传感器的输出信号强度有一定的影响；以此可同样得出，在N为低水平时，电极厚度D1和基底的介电常数 E同样对信号强度并无较大影响，而在N为高水平时，这些因子的水平变化将对信号强度产生影响。因此，在设计传感器时，需考虑到随电极对数增加，其电极和基底的厚度以及基底介电常数之间的交互作用对信号强度的显著影响。

[0036] 图2a‑图2c因子分析的影响结果图：信号强度(a)、灵敏度(b)、渗透深度(c)在满足约束条件的情况下，K和N的值越大，整个电极覆盖的面积越大，电极间的电容值也就越大，即信号强度越大。对于渗透深度而言，在电极对数N一定的情况下，K值越小，则极间距s 相对越大，此时在绝缘层内部的电场得到增强，而相对来说，电极之间护套层的电场被削弱，进而导致电场渗透绝缘层的能力提升，渗透深度增大。而当电极对数增大时，电极间距s减小，电场更加与电缆护套表面，内部绝缘层电场削弱，进而使得渗透能力降低。而对灵敏度而言，在电极对数一定时，K值越大，即电极覆盖的面积越大，其灵敏度越高，但是当K值一定时，电极对数N越小，则灵敏度越高，这是由于此时随着电极的增多，电极间电场主要是边缘电场，集中在近表面的护套层中，因而穿透能力减弱，渗透深度下降，对内部绝缘层的灵敏性也大大的被削弱了。

[0037] 综上所述，理论上，电极对数N与宽隙比K对设计指标均具有显著影响，在实际应用中渗透深度是由测量电缆的绝缘层和护套层厚度来决定的，进而可确定传感器电极的对数；其次考虑灵敏度，由于电极宽隙比K其具有正效应，理想情况下K的取值可以较大，取N＝2，但在实际应用中可能会存在贴合不紧密的问题，会对测量带来一定的误差；继而基于信号强度来确定其他的参数，基底介电常数E对于信号强度和灵敏度均有负效应，基底厚度D2和电极厚度D1具有正效应，电极对数较小时，基底对电容值影响并不显著，而考虑到对数较大时与基底参数交互作用的影响显著，为削弱基底贡献，选择介电常数为4的PI作为基底材料较为合适，基底厚度为D2＝50μm；电极厚度在电极对数较小时影响并不显著，因此可以选择厚度为18μm 的电极作为传感器的电极，以尽可能避免轴向干扰。而在电极对数较大时，由于与电极厚度的交互作用显著，电极厚度可取36μm，既增大信号强度和灵敏度又不至影响测量效果。

[0038] 交互作用简单效应分析结果：N×D2(a)、N×D1(b)、N×E (c)分别如表2、表3和表4所示：

[0039] 表2

[0040] 因变量：Cp

[0041]

[0042] 基于估算边际平均值

[0043] *.平均值差值的显著性水平为0.05。

[0044] b.多重比较调节：斯达克法。

[0045] 表3

[0046] 因变量：Cp

[0047]

[0048] 基于估算边际平均值

[0049] *.平均值差值的显著性水平为0.05。

[0050] b.多重比较调节：斯达克法。

[0051] 表4

[0052] 因变量：Cp

[0053]

[0054] 基于估算边际平均值

[0055] *.平均值差值的显著性水平为0.05

[0056] b.多重比较调节：斯达克法。

[0057] 对于叉指型电极，很显然电极长度与传感器的渗透深度之间并无关联，故3D模型中的优化指标为灵敏度和信号强度，以此分析电极对数、电极宽隙比以及电极长度对传感器灵敏度和信号强度的影响。由于在三维仿真中计算速度较慢，因此采用一般全因子实验设计深入了解多个电极结构参数同时变化对传感器性能指标的影响，以研究可具有任意水平数的因子。

[0058] 为了加快在COMSOL中三维模型仿真的运行速度，电极厚度取 0.1mm，基板相对介电常数取2.55，基板厚度取0.1mm。由于需要详细考虑电极长度在三维模型中的影响，全因子设计的水平表如下表5 所示，在软件中对COMSOL仿真计算得到的优化指标进行结果分析，以此得到电极长度对灵敏度和信号强度的影响，并探究长度与电极对数和宽隙比的交互作用对各个指标是否有显著影响。

[0059] 表5设计水平表

[0060]

[0061] 经过对灵敏度和信号强度的方差分析如表6和表7所示，得到3a 和3b的结果图。

[0062] 表6

[0063]

[0064] 表7

[0065]

[0066] 对于信号强度Cp而言，主因子效应起主要显著作用，交互作用的影响程度较弱，且有影响因素主次顺序：L(电极长度)>N(电极对数)>K(电极宽隙比)>N*L(电极对数与电极长度交互作用)>K*L(电极宽隙比与电极长度交互作用)>N*K(电极宽隙比与电极对数交互作用)，随着电极对数和电极宽隙比的增大，信号强度也在增大，且如前文中所述，信号强度与传感器的电极长度近似成正比例；而对于灵敏度S，则存在较强的因子间相互作用，影响程度依次有：K>N>N*K>L>N*L>K*L，如信号强度一样，电极宽隙比增大，灵敏度也增大，电极对数增加，灵敏度反而减小。

[0067] 为进一步探究各个结构参数在不同水平时的效应结果，利用SPSS 软件进行分析，其估算边际平均值结果如图4a‑4c所示。对于灵敏度而言，N为3时，电极长度增加的效应并不显著，基本上保持稳定不变，且电极的宽隙比越大，灵敏度越大，这与前文得到的结论也是一致的，但是当N逐渐增大为较高水平时，电极长度的增加对整体灵敏度的效应开始凸显，即灵敏度开始随着电极长度的增加而出现变化。值得注意的是，当L为5cm左右时，灵敏度的增量出现一个“拐点”，即在L超过5cm之后，灵敏度的增加量逐渐减小，趋于稳定，由此可确定，电极长度的较优值为5cm。

[0068] 经过上述的优化过程，对金属电极的对数N、电极宽度与间隙之比K，电极厚度D1，基底材料介电常数E，基底厚度D2进行了结构优化。在该方法下得到的结果是一个趋势，具体数值可根据实际应用情况而定。采用信号强度、灵敏度、渗透深度三个效果指标。

[0069] 电极对数N与宽隙比K对设计指标均具有显著影响，在实际应用中渗透深度是由测量电缆的绝缘层和护套层厚度来决定的，进而可确定传感器电极的对数；其次考虑灵敏度，由于电极宽隙比K其具有正效应，理想情况下K的取值可以较大，取N＝2，但在实际应用中可能会存在贴合不紧密的问题，会对测量带来一定的误差；继而基于信号强度来确定其他的参数，基底介电常数E对于信号强度和灵敏度均有负效应，基底厚度D2和电极厚度D1具有正效应，电极对数较小时，基底对电容值影响并不显著，而考虑到对数较大时与基底参数交互作用的影响显著，为削弱基底贡献，选择介电常数为4的PI 作为基底材料较为合适，基底厚度为D2＝50μm；电极厚度在电极对数较小时影响并不显著，因此可以选择厚度为18μm的电极作为传感器的电极，以尽可能避免轴向干扰。而在电极对数较大时，由于与电极厚度的交互作用显著，电极厚度可取36μm，既增大信号强度和灵敏度又不至影响测量效果。

[0070] 简而言之，电极对数N和宽隙比K对传感器性能影响较大，需要根据实际需要选取；其余因素影响有限，可以根据方便弯曲等实际因素选取确定的数值，如上所述。实际中如果需要增大信号强度，选择增大N，增大K；如果需要增大灵敏度，选择选择减小N，增大K；如果需要增大渗透深度，选择减小N，减小K。

[0071] 上述仅为本实用新型的一个具体导向实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型的保护范围的行为。