為研究邊緣效應(yīng)對微力測量裝置中柱狀電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響,利用理論計(jì)算結(jié)合有限元模擬方法,分析了目前常用柱狀電容裝置在不同電極重疊長度、間距、加載電壓等參數(shù)條件下,電容邊緣效應(yīng)與微力輸出值之間的聯(lián)系,并在此基礎(chǔ)上提出了適用于微力測量裝置中柱狀電容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作參數(shù)。結(jié)果表明:微力測量裝置中的柱狀電容裝置在電極重疊長度且電極間距均較小時(shí),存在可忽略邊緣效應(yīng)影響的區(qū)域,此區(qū)域內(nèi)微力輸出具有較好穩(wěn)定性,重疊長度變化時(shí)微力輸出改變極小;電極間距較大時(shí),隨著加載電壓升高,邊緣效應(yīng)的影響增強(qiáng);且隨著內(nèi)外電極重疊長度增大,邊緣效應(yīng)影響程度受加載電壓影響更明顯。 

【文章來源】：儀表技術(shù)與傳感器. 2020,(08)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

柱狀電容結(jié)構(gòu)示意圖

為更直觀表示有限元模擬值(考慮邊緣效應(yīng))與理論公式計(jì)算值(不考慮邊緣效應(yīng))兩種情況下差值的大小,圖2(b)給出了內(nèi)外電極不同重疊長度時(shí),有限元模擬值與理論公式計(jì)算值之間的差值。由圖2(b)可明顯看到,在區(qū)域Ⅰ內(nèi),有限元分析與理論公式計(jì)算值之間的差值非常小,兩者差值在3%左右,表明此區(qū)域內(nèi)邊緣效應(yīng)對輸出的影響極小,幾乎可以忽略;而在區(qū)域Ⅱ內(nèi),兩者的差值最大可達(dá)58.8%,此時(shí)邊緣效應(yīng)對柱狀電容的輸出影響已非常明顯。由此可見,Ⅰ區(qū)域?yàn)檫吘壭?yīng)影響可忽略區(qū);而Ⅱ區(qū)域?yàn)檫吘壭?yīng)影響明顯區(qū)域,需要考慮邊緣效應(yīng)對微力輸出值的影響。在微力測量裝置的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)盡量保證裝置在工作時(shí)內(nèi)外電極的相交長度處于區(qū)域I內(nèi),以減小邊緣效應(yīng)對微力輸出值的影響,提高測量準(zhǔn)確度。2.2 不同電極間距時(shí)邊緣效應(yīng)的影響

圖3(a)、(b)、(c)分別是內(nèi)外電極間距為1 mm、3 mm、5 mm時(shí),柱狀電容器的微力輸出值曲線。對比分析可發(fā)現(xiàn),隨著電極間距增大,區(qū)域Ⅰ和Ⅱ的分界線不斷前移,表明隨著電極間距增大,邊緣效應(yīng)對微力輸出值影響區(qū)域逐漸擴(kuò)大;圖3(c)中,在整個(gè)區(qū)域內(nèi),有限元分析值與理論公式計(jì)算值間最小差值已達(dá)12.4%,表明整個(gè)重疊長度區(qū)間[0,30 mm]內(nèi),不論內(nèi)外電極間相對位置如何,均受邊緣效應(yīng)較大影響,圖3(c)整個(gè)區(qū)域均處于區(qū)域Ⅱ中,表明此時(shí)理論公式計(jì)算值已無法準(zhǔn)確計(jì)算柱狀電容微力輸出值,邊緣效應(yīng)影響不可忽略。同時(shí),通過圖3可得,當(dāng)內(nèi)外電極重疊長度超過5 mm時(shí),隨著內(nèi)外電極重疊長度增大,有限元分析結(jié)果和理論公式計(jì)算結(jié)果的差值變大,表明邊緣效應(yīng)影響逐漸增強(qiáng),驗(yàn)證了本文2.1中的結(jié)論在不同間距時(shí)均成立。由圖3可知,隨著內(nèi)外電極間距增大,邊緣效應(yīng)影響區(qū)域急速擴(kuò)大;當(dāng)內(nèi)外電極間距達(dá)到5 mm時(shí),邊緣效應(yīng)的影響已經(jīng)變得非常明顯,理論計(jì)算公式已不適用。


本文編號(hào)：3320826