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南沙高空车出租,从化高空车租赁,增城高空车出租      传感器膜片设计与仿真方法?

作者:admin 发布::2021-10-11


        南沙高空车出租,从化高空车租赁,增城高空车出租      传感器膜片设计与仿真方法?     膜片厚度的选择应综合考虑测量压差范围、灵敏度大小等因素,一般来说,为了保证在测量范围内压力与形变位移成近似线性关系,应保证压差导致的最大形变量在膜片厚度的 0.3 倍以内。根据圆平膜片的小挠度变形理论,相同材料的膜片,在一定的均布压力下,膜片的最大法向位移与其厚度的比值 Wmax/H 和膜片半径与厚度比值 R/H 的四次方成正比。测试仪的压差范围是 0-500Pa,故将铍青铜膜片两侧压差设为 500Pa,由 COMSOL 仿真计算膜片的最大法向位移与其厚度的比值 Wmax/H 和膜片半径与厚度比值 R/H 的关系,分析仿真结果,从而得到线性测量范围内膜片半径和厚度的取值范围。 
 

 
      曲线的纵轴为膜片最大位移与膜片厚度的比值 Wmax/H,横轴为膜片半径与厚度比值 R/H,该曲线单调递增,与小挠度理论相符。由曲线数据得到,R/H 在小于 147.3 的范围内时,Wmax/H 小于 0.3,即膜片最大形变位移小于膜片厚度的 0.3 倍。 在相同压力作用下,膜片的 R/H 越小,膜片发生的形变位移越小,传感器的灵敏度越低,因此 R/H 的值不能过小。在满足 R/H 等于 147.3 时,取 R 的值分别为 5mm,10mm,15mm 和 20mm,仿真得到电容差与压差的关系曲线显示膜片半径 R 为 5mm,10mm,15mm,20mm 且 R/H 等于 147.3 时,电容差与压差的关系。从仿真结果可知,在 R/H 的值相同时,膜片半径 R 越大,输出的灵敏度越大,且灵敏度的增幅越来越大,半径 R 为 5mm 和 10mm 时,灵敏度较低;半径 R 为 15mm 时,灵敏度相较于前两者提升了一个数量级。考虑到传感器的小型化要求,选择膜片半径 R 为 15mm。为了保证膜片受压变形在线性工作范围,并且使得传感器灵敏度较高,在半径 R=15mm 时,选择膜片厚度 H 为0.1mm。 根据上述仿真结果与分析,设定膜片的半径为 15mm,其厚度为 0.1mm。该膜片的输出特性进行仿真,压差参数扫描范围为 0-500Pa。 


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        膜片两侧受到 500Pa 压差时的形变位移图片,图中隐藏了上极板,设置变形缩放的比例因子为 10。半径 15mm、厚度 0.1mm 的膜片在 500Pa 压差下发生形变,膜片中央处的最大位移为 0.035mm,最大位移量为膜片厚度的 0.35 倍。显示了在压差 0-500Pa 范围内,膜片中心点的位移随压力的变化,该膜片结构的形变位移与压差关系曲线具有较好的线性度。 
 

 
         极板间距设计与仿真: 在极板半径与膜片半径相同的情况下,极板与膜片的间距决定了它们之间初始电容的大小,一般情况下,这类变极距型平板电容器的初始电容大于等于20pF,最大不超过 100pF。已知半径 R 为 15mm,腔室内介质为空气,一侧极板与膜片的初始电容需满足大于等于 20,计算得到间距 d 取值的范围 d≤0.3129mm。考虑到以下两个因素,一方面,连接传感器和测量电路的引线存在一定的寄生电容,电容传感器的初始电容量较小,将导致传感器工作不稳定、测量精度下降;另一方面,膜片位移量与间距比值较大时,电容传感器输出线性度较差,因此设定极板与膜片间距大小为 0.3mm。 根据上述分析,设计的传感器结构参数如下,膜片和极板的有效半径均为15mm,膜片厚度为 0.1mm,极板与膜片间距为 0.3mm。金属极板的材料为铜,金属膜片的材料为铍青铜,极板间介质为空气。对该传感器结构的输出特性进行仿真,压差参数扫描范围为 0-500Pa。采用最小二乘法对输出特性曲线进行拟合得到拟合直线,计算得到传感器非线性误差为 0.899%,灵敏度为 3.588×10-3(pF/Pa)。结果表明该结构的电容传感器在 0-500Pa 的工作范围内线性度较好,灵敏度较高,符合系统设计要求。



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