尺式电容传感器特性分析及应用.pdf

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1、2010正仪表技术与传感器2010第2期InstrumentTechniqueandSensorNo.2尺式电容传感器特性分析及应用杨道业,权义萍,张印强(南京工业大学自动化与电气工程学院,江苏南京210009)摘要:提出了一种新型尺式电容传感器,并对其灵敏场作了分析。通过有限元分析的方法,对比了不同电极间距下的传感器灵敏场。随着电极间距的增加,灵敏场强度降低,但均匀性更好。计算结果显示,尺式电容传感器的灵敏区域位于电极间。设计传感器壳体时,在保证机械强度的条件下应尽量降低其厚度,以提高传感器的灵敏度。最后,根据尺式电容传感器的特性给出了典型应用。关键词:传感器;尺式电容器;灵

2、敏场;有限元中图分类号:TB934文献标识码:A文章编号:1002—1841(2010)02—0007—03CharacteristicAnalysisofRuler-TypeCapacitanceSensorandItsApplicationYANGDao-ye,QUANYi—ping,ZHANGYin-qiang(SchoolofAutomation,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)Abstract:Anewtypeofcapacitancesensor,namedruler—typecapacitance

3、sensorwasputforward,anditssensitivitywasana·lyzedbyfiniteelementmethod.Thesensitivitymapsofsensorwithdifferentdistancebetweenelectrodeswerecompared.Withtheincreaseofthedistancebetweenelectrodes,thesensitivitydecrease,anditsuniformitybecomesbetter.Thecalculationresultsindi—catethatthesensitiv

4、eareaofruler·typecapacitancesensorisbetweentheelectrodes.Thethicknessofsensorbodyshouldbede·creasedtoimprovethesensitivity.Thetypicalapplicationofruler—typecapacitancesensorWasintroduced.Keywords:sensor;ruler—typecapacitor;sensitivitymap;finiteelementmethod0引言变化,引起电极间电容的变化。电容式液位测量系统中,当液位变化时引

5、起介电常数变电极l电极2化,最终导致电压变化,实现液位一电压转换。与光电式、超声波式、射线式和浮子式液位传感器相比较,电容式液位传感器具有无移动部件、简单耐用、对温度及压力适应性强和极少维护图2新型尺式电窨传感{i}二维结构等优点。文中提出了一种新型的电容式传感器结构,命名为尺2传感器有限元分析式电容传感器。采用有限元方法对其传感器特性进行分析,并根据文献所述,当传感器电极长度与电极宽度之比大于将其应用于液位和介电常数的测量中。1.5时,传感器的边缘效应可忽略,即可被近似成二维场。文中1尺式电容器结构传感器的电极长度取1m,电极宽度取0.016m,完全满足上述通常电容传感器按形

6、状可分为平板式和圆筒式,如图1所条件,所以可以将传感器近似为简单的二维结构。假设传感器示。两电极间保持一定距离,通过支撑结构固定,被测区域为附近没有自由电荷存在,因此传感器电势分布可用以下泊松方两电极之间区域。程描述J:上电极·[s(x,Y)(,Y)]=0(1)式中:(,Y)为电势分布函数;为自由空间的介电常数;8(x,Y)为介电常数分布函数;V·和分别为散度和梯度算子。当电极l为激励电极时,其狄利克雷(Diriehlet)边界条件下电极⑨蝴为(a)平板式图1通常电容传感器结构:f(,y)厂-(2)【O(x,Y,文中提出的新型尺式电容传感器如图2所示。两电极呈式中:r。,r2表

7、示电极1和电极2的空间位置;Q代表屏蔽罩;一字排开,并密封于绝缘介质内,传感器外形类似于一把尺,结为激励电压。构非常简单。尺式电容传感器主要通过两侧介质介电常数的通过求解式(1),可以求得电势分布(,Y),再利用以下积分公式求得电容值:基金项目:南京工业大学学科基金资助项目收稿日期:2009—05—04收修改稿13期:2009—10—09c==(eo/)·dF2(3)x,y)C_F28InstrumentTechniqueandSensorFeb.2o10式中:Q(f2)是电极2上检测到的电

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