微力测量装置中边缘效应对电容结构设计影响分析

发布时间：2021-08-04 02:36

　　为研究边缘效应对微力测量装置中柱状电容结构设计的影响,利用理论计算结合有限元模拟方法,分析了目前常用柱状电容装置在不同电极重叠长度、间距、加载电压等参数条件下,电容边缘效应与微力输出值之间的联系,并在此基础上提出了适用于微力测量装置中柱状电容的结构设计与工作参数。结果表明:微力测量装置中的柱状电容装置在电极重叠长度且电极间距均较小时,存在可忽略边缘效应影响的区域,此区域内微力输出具有较好稳定性,重叠长度变化时微力输出改变极小;电极间距较大时,随着加载电压升高,边缘效应的影响增强;且随着内外电极重叠长度增大,边缘效应影响程度受加载电压影响更明显。 

【文章来源】：仪表技术与传感器. 2020,(08)北大核心CSCD

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

柱状电容结构示意图

为更直观表示有限元模拟值(考虑边缘效应)与理论公式计算值(不考虑边缘效应)两种情况下差值的大小,图2(b)给出了内外电极不同重叠长度时,有限元模拟值与理论公式计算值之间的差值。由图2(b)可明显看到,在区域Ⅰ内,有限元分析与理论公式计算值之间的差值非常小,两者差值在3%左右,表明此区域内边缘效应对输出的影响极小,几乎可以忽略;而在区域Ⅱ内,两者的差值最大可达58.8%,此时边缘效应对柱状电容的输出影响已非常明显。由此可见,Ⅰ区域为边缘效应影响可忽略区;而Ⅱ区域为边缘效应影响明显区域,需要考虑边缘效应对微力输出值的影响。在微力测量装置的设计过程中,应尽量保证装置在工作时内外电极的相交长度处于区域I内,以减小边缘效应对微力输出值的影响,提高测量准确度。2.2 不同电极间距时边缘效应的影响

图3(a)、(b)、(c)分别是内外电极间距为1 mm、3 mm、5 mm时,柱状电容器的微力输出值曲线。对比分析可发现,随着电极间距增大,区域Ⅰ和Ⅱ的分界线不断前移,表明随着电极间距增大,边缘效应对微力输出值影响区域逐渐扩大;图3(c)中,在整个区域内,有限元分析值与理论公式计算值间最小差值已达12.4%,表明整个重叠长度区间[0,30 mm]内,不论内外电极间相对位置如何,均受边缘效应较大影响,图3(c)整个区域均处于区域Ⅱ中,表明此时理论公式计算值已无法准确计算柱状电容微力输出值,边缘效应影响不可忽略。同时,通过图3可得,当内外电极重叠长度超过5 mm时,随着内外电极重叠长度增大,有限元分析结果和理论公式计算结果的差值变大,表明边缘效应影响逐渐增强,验证了本文2.1中的结论在不同间距时均成立。由图3可知,随着内外电极间距增大,边缘效应影响区域急速扩大;当内外电极间距达到5 mm时,边缘效应的影响已经变得非常明显,理论计算公式已不适用。


本文编号：3320826