基于边缘效应电容式焊缝跟踪传感器的研究#洪波，汤希，李湘文，朱亚飞，陈宇*510152025303540（湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭411105）摘要：针对电容式焊缝跟踪传感器量程小、抗干扰能力差、测量值受介质和电磁场影响很大的缺点，提出了一种新型的基于边缘效应的电极互绕式同平面电容焊缝跟踪传感器，并对其进行了数学建模，通过分析证实模型正确可行；使用Ansys有限元分析软件，建立了传感器的三维模型，对传感器的结构参数进行了优化，分析了传感器的输出特性，确定了适合于焊缝跟踪的电容式传感器结构；最后，进行了电容式焊缝跟踪传感器的焊缝跟踪具体实验，传感器输出信号良好，为自动焊缝跟踪技术提供了新的方法。关键词：焊缝跟踪；电极互绕式同平面电容传感器；边缘效应；ANASY分析中图分类号：TG445AStudyofCapacitiveSeamTrackingSensorBasedontheEdgeEffectHongBo,TangXi,LiXiangwen,ZhuYafei,ChenYu(XiangtanUniversitySchoolofMechanicalEngineering,HuNanXiangTan411105)Abstract:Forcapacitiveseamtrackingsensorrangeissmall,pooranti-interferenceabilityandtheshortcomingofmeasuredvalueishighlyaffectedbythemediumandelectromagneticfield,Electrodewoundwitheachplanarcapacitancesensorshavebeenproposed,itisanewtypeofsensorbasedonedgeeffect,andcarriesonthemathematicalmodeling,throughtheanalysisconfirmedthatthemodelisfeasible;UsingAnsys,theestablishmentofathree-dimensionalmodelofsensor,thesensorstructureparametersareoptimized,andanalyzesthecharacteristicsoftheoutputofthesensor,determinedthesuitableforseamtrackingofthecapacitivesensorstructure；Finally,thespecificcapacitanceoftheseamtrackingsensorseamtrackingexperiments,thesensoroutputsignalisgood,providesanewmethodforautomaticweldseamtrackingtechnology.Keywords:weldingseamtracking;Electrodewoundwitheachplanarcapacitancesensors;Edgeeffect;ANASYanalysis0引言随着机械、电力和材料等行业的发展，现代化的生产对焊接技术提出了进一步的要求。因此，发展和应用焊接自动化技术将对我国国民经济起到巨大的作用[1-2]。电容传感器相比较其他类型传感器具有自己的优势，但由于电容传感器量程小、输出阻抗高、寄生电容大，尤其是介质的影响往往限制了其适用范围[3]。电容边缘效应可以较好解决这些问题。利用设计制作了一种新型的电容式焊缝跟踪传感器应用于自动焊接[4]。电容式位移传感器多采用平行极板,即以自身作为感应电容的一个极板,而被测目标作为另一个极板。虽然这种传感器结构简单、技术成熟，但被测目标必须接入电路,且测量过程中只能有一个被测物[5]。在某些场合不仅测控系统的安装、调试极不方便,而且易受干扰，基金项目：国家自然科学基金资助项目（50975243）；湖南省战略性新兴产业产学研结合创新平台创新能力项目（2012GK4100）；湖南省科技计划重点项目（2012XK4086）；湖南省研究生科研创新项目（CX2012B257）作者简介：洪波，(1960-)，男，博士，教授，博士生导师.主要从事焊接自动化、仿真建模、数值计算等方面的工作。发表论文50余篇，申请专利10多项。hongbo@xtu.xdu.cn-1-信噪比低。而同平面电容传感器将一对平行极板展开在与目标相对的同一平面内,在两极板平面的上方构成了工作区间。其安装调试方便,还可同时测量多个目标。由于这种结构的传感器极板所产生的电场呈散射状，传统的电磁场理论很难得到精确的解析解，给传感器的设计及性能优化带来很大困难。本文针对这些问题采用有限元仿真结合具体实验的方式，对4550556065传感器两极具体参数与敏感输出范围之间的关系进行了分析[6]。1电容式传感器的原理与边缘效应电容传感器的工作原理是通过电容的改变将待测的物理量转换为电信号。并将该电信号用与之相联系的规律公式来计算出该物理量。其测量原理是基于平行板电容器的电容公式：C（1）d式中：为两极板间电介质的电介常数；S为两极板的有效面积；d为两极板间的距离。由于电容器边缘处以及外表面电荷分布与中部电荷分布不同,...