專利名稱：非接觸電容傳感器和帶有雙層主動屏蔽的電纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用電容性測量裝置非接觸地測量傳感器和導電或者非導電表面之間的間隙的方法和系統(tǒng)，所述電容性測量裝置帶有多塊導電板，其同樣能夠測量固體和流體中的氣體、材料深度和介電性變化。
背景技術(shù)：
具有兩塊平行疊置的彼此電絕緣的導電板的非接觸間隙測量傳感器例如在美國專利4,675,670；5,990,807；6,075,464和6,552,667中被公開。高頻信號被加到傳感器的第一板(感測板)上。通過測量感測板與一個鄰近的表面之間的電容性感應，傳感器產(chǎn)生一個表示傳感器與所述表面之間的間隙或者電介質(zhì)的信號。
主動護板位于感測板后面以防止感測信號與置于感測板后面的表面產(chǎn)生相互感應。感測信號與除相互感應的所需鄰近表面以外任何表面之間的相互感應在預期輸出中產(chǎn)生誤差?；谙嗤脑?，還需要防止在電纜中傳送的感測信號與不在同一電位的任何表面相互感應。
非接觸電容傳感器可以用于高電壓和高電流的環(huán)境中。例如這些傳感器可被附接到發(fā)電機的定子上用以測量定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙。在發(fā)電機內(nèi)，電磁場強度可以達到15000高斯以上。在這些條件下，可在傳感器探頭的金屬表面上產(chǎn)生強的渦流。如果不加以抑制，這些渦流可以產(chǎn)生足以損壞傳感器探頭和發(fā)電機的熱量。
為了使渦流最小化，眾所周知的是對例如銅繞組和磁極等的發(fā)電機用導電材料進行層壓。類似地，為了使用在電容傳感器內(nèi)的導電片上的渦流最小化，眾所周知的是在金屬表面上蝕刻出緊密間隔的并且平行的溝槽。這些溝槽常常稱為“梳刷(combing)”，因為這些溝槽顯現(xiàn)得像發(fā)梳上的齒。所述溝槽通過在表面上形成介電間隙而阻滯金屬表面上的渦流。所述溝槽中可填充有由用于將傳感器中的金屬板粘結(jié)在一起的材料例如環(huán)氧化合物制成的樹脂和纖維。
困難在于，感測板上的電場信號通過主動護板中的梳刷溝槽到達置于主動護板后面的表面處。這種穿過護板的漏電流可引起測量誤差。另外，由于在電纜的金屬導線束之間存在空隙，因此連接到傳感器上的同軸電纜的中心導線上傳送的感測信號可能穿過編結(jié)的同軸主動防護層。
由在傳感器上的主動防護與電纜的主動防護層的金屬導線之間的空隙的梳刷產(chǎn)生的另一個困難是梳寬與導線束的變化可以造成傳感器與傳感器以及電纜與電纜間的不一致的信號誤差。梳刷和導線束的變化由制造差異而產(chǎn)生。
需要有一種對由于在傳感器探頭板和探頭與鄰近電路之間的布線中的制造差異造成的電容量變化不太敏感的電容性測量方法和非接觸電容測量傳感器。對于這些變化的過度敏感可增加傳感器的制造難度并且提高傳感器對溫度和其它環(huán)境因素的敏感性。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)開發(fā)出一種用于直接感測相對于表面或者電介質(zhì)的探頭電容的非接觸電容性探頭。所述電容傳感器探頭具有多塊主動金屬屏蔽板，所述主動金屬屏蔽板隔離感測板并且防止感測板發(fā)出的電信號泄露到接地表面或者電位表面。感測板和主動屏蔽板具有帶溝槽的表面以使渦流最小化。主動屏蔽板之一中的溝槽是偏移的并且不與另一塊屏蔽板中的溝槽對齊。通過偏移開相鄰的主動屏蔽板中的溝槽，大大減少或者消除了電感測場經(jīng)這些板的泄露。
本發(fā)明可以實施成一種非接觸電容傳感器探頭，包括一個具有對置于要進行感測的電介質(zhì)的第一表面的金屬傳感器；多個相鄰于金屬傳感器的主動金屬屏蔽，每塊主動金屬屏蔽板在屏蔽表面上具有抑制渦流的溝槽圖案，其中在一塊屏蔽板上的圖案不與在第二屏蔽板上的圖案重疊；和與主動金屬屏蔽板相鄰的被動金屬屏蔽板，從而主動金屬屏蔽夾在金屬傳感器與被動金屬屏蔽之間。
本發(fā)明還可以實施成一種非接觸電容傳感器探頭，包括適于從對置的表面位移開以測量所述對置的表面與傳感器板之間的間隙的電容的傳感器板；相鄰并且重疊在所述傳感器板上并且與所述傳感器板絕緣的主動屏蔽組件，其中所述主動屏蔽組件還包括多個分別由介電片相互分開的屏蔽層；接地屏蔽板在所述主動屏蔽組件上，從而把主動屏蔽組件夾在接地屏蔽板與傳感器板之間，并且所述接地屏蔽板由介電片與主動屏蔽組件分隔開。
本發(fā)明還可以實施成一種非接觸電容傳感器探頭，包括具有對置于要進行感測的電介質(zhì)的第一表面的金屬傳感器；多個相鄰于金屬傳感器的主動金屬屏蔽，每塊主動金屬屏蔽板在屏蔽表面上具有抑制渦流的溝槽圖案，其中在一塊屏蔽板上的圖案不與在第二塊屏蔽板上的圖案重疊；和與主動金屬屏蔽板相鄰的被動金屬屏蔽板，從而主動金屬屏蔽夾在金屬傳感器與被動金屬屏蔽之間，它們?nèi)客ㄟ^一條多層同軸(三軸)電纜連接至一個電路，其中探頭的第一(感測)表面連接至電纜的中心(最內(nèi)層)導線，多個探頭的主動金屬屏蔽連接至電纜的同軸(第二)層，所述電纜同軸層包含一個沒有空隙的連續(xù)實心金屬層和一個絞合的金屬層，并且探頭的被動金屬屏蔽層連接至電纜的三軸(第三)層。
本發(fā)明還可以實施成一種非接觸電容傳感器探頭，包括具有對置于要進行感測的電介質(zhì)的第一表面的金屬傳感器；多個相鄰于金屬傳感器的主動金屬屏蔽，每塊主動金屬屏蔽板在屏蔽表面上具有抑制渦流的溝槽圖案，其中在一塊屏蔽板上的圖案不與在第二塊屏蔽板上的圖案重疊，它們?nèi)客ㄟ^一條同軸電纜連接至一個電路，其中探頭的第一(感測)表面連接至電纜的中心(最內(nèi)層)導線，多個探頭的主動金屬屏蔽連接至電纜的同軸(第二)層，所述電纜同軸層包含一個沒有空隙的連續(xù)實心金屬層和一個絞合的金屬層。


圖1和2是非接觸電容傳感器的示意圖；圖2是圖1所示傳感器的端部部分和表面的放大視圖；圖3是傳感器探頭中的多個板和層的分解視圖；和圖4是傳感器電纜的側(cè)視圖，圖中暴露出其各個導電層和介電層。
具體實施例方式
圖1和2示意地示出了鄰近一個對置的表面12的傳感器板探頭10和在傳感器與對置的表面之間的間隙14。在一個例子中，板探頭10可永久地固定到發(fā)電機的定子11的內(nèi)側(cè)表面上，而對置的表面12可以是發(fā)電機轉(zhuǎn)子的外周面。在該例子中，傳感器板探頭10測量環(huán)形的內(nèi)側(cè)定子表面與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的圓柱形外表面之間的間隙14距離。
傳感器探頭10產(chǎn)生一個表示間隙14距離或者表示傳感器前方的電介質(zhì)比例的信號。除了測量間隙距離以外，傳感器探頭還可以確定傳感器前方流動的流體的介電性的變化，或者材料的厚度。
傳感器探頭10包括多塊相鄰的且相互間電絕緣的導電板16、18和19。該主動屏蔽板組件16將傳感器板18與傳感器10后面的表面上的電擾動和被動屏蔽板19屏蔽開。傳感器板18面向轉(zhuǎn)子表面12和間隙14。該傳感器板被用于測量穿過間隙的電容并且平行于轉(zhuǎn)子表面取向。主動屏蔽板組件和被動屏蔽板與傳感器板疊置并層壓在一起形成板傳感器10。
主動屏蔽板組件16緊鄰在傳感器板18后面并且通過連接作為鄰近電路20的輸入端而主動地屏蔽傳感器板。電纜22把傳感器板18和主動屏蔽板組件16連接至鄰近電路。
主動屏蔽板組件16包括帶有偏移的梳刷圖案的主動內(nèi)部導電的雙平行板24和26。主動板組件16在電容傳感器探頭10的主動感測板18的后面以防止該感測板觀測到傳感器的被動的接地層或者其它可能位于傳感器探頭10后面的電位表面。此外，主動屏蔽板16被連接到三軸電纜22的一個同軸層上，該同軸層也連接至鄰近電路20。
鄰近電路20放大感測板18與導電介質(zhì)12之間的電容性感應。主動屏蔽16的信號與感測板18等電位，從而沒有電場感應或者電容。一個典型的鄰近傳感器被公開于共有的且未審定的美國專利申請序列號10/825,185(Dkt號839-1540)中并且題為“用于非接觸間隙和電介質(zhì)測量的電容傳感器和方法”，其全文并入本說明書作為參考。
除了測量間隙位移外，傳感器探頭10還可用于測量流體的深度和材料的厚度。傳感器板18發(fā)出的信號受間隙中相鄰介質(zhì)的介電性的影響。所述相鄰介質(zhì)可以是傳感器板與另一個表面12之間的氣隙、貫通傳感器板的流體或者鄰接傳感器板的固體材料。相鄰介質(zhì)的介電性影響間隙的電容，這直接影響從傳感器板發(fā)出的信號。
與傳感器板18相鄰的介質(zhì)的介電性可表示流體的深度或者流體中的不純度，其中流體是介質(zhì)，或者固體的厚度或者固體中的不純度，其中所述固體是介質(zhì)。因此傳感器探頭可以用于測量流體的深度、固體介質(zhì)的厚度或者與傳感器板相鄰的介質(zhì)中的不純度。
被動屏蔽板19對傳感器后面的表面提供附加的屏蔽，并且為探頭提供一個接地基準。被動屏蔽板19可通過在鄰近電路20中的電阻器連接至主動屏蔽板組件18，以提供一條使鄰近電路能夠檢測在探頭10和連接電纜22中的開路和短路的直流電流通路。
圖3是傳感器探頭10的分解視圖。為了進行闡述，該分解視圖示出分開的板。實際上，板由樹脂例如環(huán)氧粘結(jié)在一起，從而所述板被層壓在一起。板可以是銅或者其它金屬材料。
板可被蝕刻出緊密隔開的溝槽28，例如梳刷，以將板上的渦流降到最小。傳感器探頭的板具有被稱為梳線的呈梳狀布置的溝槽28。對于用在15000高斯的50赫茲至60赫茲的發(fā)電機電磁場中，溝槽間距可以相隔1/10至1/4英寸并且大約四密爾(100微米)寬。板表面上的渦流不流過溝槽，溝槽起到渦流的介電阻擋層的作用。此外，所述溝槽可以用非蝕刻的其它方法形成，例如在板表面上機加工出溝槽，采用壓印或者其它方法，以在板上產(chǎn)生阻滯渦流的平行溝槽線。
主動屏蔽板組件包括一對相鄰的屏蔽板24、26，它們把一塊薄的玻璃纖維片30夾在中間，所述玻璃纖維片30相互分開并且絕緣板24、26。類似的纖維片30可以把傳感器板18與主動板組件分開并且把被動板19與主動板組件分開。一塊纖維片30可以是5個密爾(125微米)厚。探頭10中的銅板、絕緣的纖維片和把板和片粘結(jié)在一起的樹脂可以是制造印刷電路板中常用的常規(guī)材料。
主動屏蔽板組件中的板被疊置使得梳刷溝槽不重疊。在一塊板上的溝槽可平行于另一塊板上的溝槽。為了避免重疊，在一塊板26上的溝槽與另一塊板24中的蝕刻線偏移32開。偏移量32在圖3中用板26上的箭頭和從相鄰的板24的蝕刻線發(fā)出的垂線表示出。偏移32確保一塊板24上的溝槽不直接重疊另一塊板26上的蝕刻線。第二板26和蝕刻線的偏移32防止不然就會經(jīng)第一主動屏蔽板24泄露的電場電流找到一個電位表面或者接地。如果沒有這種偏移，就有可能經(jīng)第一板24上的溝槽泄露的電流會直接流進在第二板26上并且通過第二板26的重疊的溝槽中。因此，兩個主動屏蔽板和其溝槽的偏移確保感測板上的電位不會通過主動屏蔽板組件發(fā)生泄露。
圖4是將傳感器探頭10連接至鄰近電路20的導體電纜22的側(cè)視圖。電纜可以實施成三軸電纜，所述三軸電纜具有一條軸-心傳感器信號纜芯線34和同軸的屏蔽導電層38、40、46。信號纜芯線34可焊接到傳感器板18的一個邊緣上。纜芯線34把傳感器板連接至鄰近電路的輸入端上。導體電纜具有把信號纜芯線34與電纜的主動屏蔽層38、40分開的第一介電同軸層36。
同軸層內(nèi)含金屬箔層38，所述金屬箔層38提供中心信號纜芯線34的無孔連續(xù)的金屬覆蓋層，以防止中心纜芯線上的信號泄露到電纜外部的三軸層46上或者泄露到地面上。
連續(xù)的同軸鋁箔層38包繞信號纜芯線34，把纜芯線與外部的電干擾電氣隔離開，并且防止電流從信號纜芯線中泄露。箔層38由一個編結(jié)的同軸線層40包繞并且與之電接觸，所述編結(jié)的同軸線層40為箔層提供結(jié)構(gòu)強度和低電阻。所述線層40的端部可被焊接到所述對主動屏蔽板24、26的邊緣42上。主動屏蔽板組件16電連接到電纜22中的主動屏蔽層38、40上。
第二同軸介電層44把主動屏蔽層38、40與由編結(jié)線形成的第三導電同軸層46絕緣開。第三層46可以電連接到傳感器探頭的被動層19上，從而探頭、電纜和鄰近傳感器均具有一個均勻的接地電平。外部同軸封殼48提供了用于電纜22封閉層的外殼。
盡管已結(jié)合目前認為最實際和優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明進行了說明，但是應當理解本發(fā)明不限于所公開的實施方式，而是相反，本發(fā)明旨在覆蓋包括在所附技術(shù)方案的精神和范圍內(nèi)的各種變型和等效的布置。
零件表

權(quán)利要求
1.一種非接觸電容傳感器探頭(10)，包括具有對置于要進行感測的電介質(zhì)的第一表面的金屬傳感器(18)；多個相鄰于金屬傳感器的主動金屬屏蔽(16)，每塊主動金屬屏蔽板(24、26)在屏蔽表面上具有抑制渦流的溝槽(28)圖案，其中在第一塊所述屏蔽板上的圖案不與在第二塊所述屏蔽板上的圖案重疊，和與主動金屬屏蔽板相鄰的被動金屬屏蔽板(19)，從而主動金屬屏蔽夾在金屬傳感器與被動金屬屏蔽之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸電容傳感器探頭，其中主動屏蔽(24、26)由介電片(30)分隔開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸電容傳感器探頭，其中傳感器(10)是一塊金屬板(18)，而主動金屬屏蔽(16)是多塊金屬板(24、26)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸電容傳感器探頭，其中主動金屬屏蔽的每個上的溝槽(28)圖案是一種由平行線構(gòu)成的圖案。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸電容傳感器探頭，其中溝槽(28)圖案是各具有1/10英寸至1/4英寸間隔的線性溝槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸電容傳感器探頭，其中溝槽(28)圖案是具有大約4密爾寬度的線性溝槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸電容傳感器探頭，其中在每個主動金屬屏蔽(24、26)上的溝槽(28)圖案是一種由平行線構(gòu)成的圖案，并且其中在第一屏蔽上的平行線圖案相對于在第二屏蔽上的平行線圖案是偏移(32)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸電容傳感器探頭，其中所述第一和第二屏蔽(24、26)相互疊置并且在它們中間夾有介電片(30)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸電容傳感器探頭，進一步包括一條同軸電纜(22)，所述同軸電纜(22)具有一條可電連接到傳感器的中心導線(36)，和包繞該導線并可電連接到傳感器探頭的主動金屬屏蔽的一個同軸金屬主動屏蔽(38、40)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的非接觸電容傳感器探頭，其中同軸金屬主動屏蔽還包括圓柱形地包繞導線布置的連續(xù)箔層(38)和一個與箔層相鄰的編結(jié)線管(40)。
全文摘要
一種非接觸電容傳感器探頭，包括具有對置于要進行感測的電介質(zhì)的第一表面的金屬傳感器；多個相鄰于金屬傳感器的主動金屬屏蔽，每塊主動金屬屏蔽板在屏蔽表面上具有抑制渦流的溝槽圖案，其中在一塊屏蔽板上的圖案不與在第二塊屏蔽板上的圖案重疊，和與主動金屬屏蔽板相鄰的被動金屬屏蔽板，從而主動金屬屏蔽夾在金屬傳感器與被動金屬屏蔽之間。
文檔編號G01B7/02GK1704714SQ20051007601
公開日2005年12月7日 申請日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者O·H·利德爾, J·E·霍瓦德 申請人:通用電氣公司