三维电场传感器仿真优化及性能测试

采用有限元方法对一种新型三维电场传感器的敏感结构进行仿真分析,优化结构设计参数,提高传感器的测量灵敏度;对采用优化参数制备的电场传感器进行了性能测试,结果表明,该传感器的输出与模拟仿真结果具有良好的一致性,并且与外部电场呈良好的线性关系,传感器的测量灵敏度可达到50V/m。     

基于电-声复合传感器测量含水合物液膜厚度仿真研究

针对天然气输送管道内含水合物液膜的厚度测量问题,基于电-声联合探测方法原理设计了集成同轴圆盘-双环电极和超声晶片的内嵌凹面式电-声复合传感器,建立了数值仿真模型对传感器的结构和工作参数进行了优化,并分别对含有离散分布水合物颗粒和水合物沉积层液膜的厚度进行了仿真测量,讨论了电阻法和超声渡越时间法的适用性;研究结果表明:同轴圆盘-双环电极中的圆盘电极的半径、圆盘电极/内环电极的间距是影响电学测试空间灵敏度的主要结构参数,超声波频率对声学测试空间灵敏度产生显著影响,因此需要对凹面式电-声复合传感器的参数进行优化设计;电阻法和超声渡越时间法分别适用于测量水合物以离散颗粒形态分布和以沉积层形态分布的液膜,两类方法优势互补显著,拓宽了电-声复合传感器的适用范围。     

平面电容传感器参数优化设计及实验

平面电容传感器的性能指标由结构参数决定,如何优化结构参数使传感器达到良好的性能是传感器设计的关键.基于三维有限元仿真模型,研究了感应面积一定的条件下,电极对数、电极宽度与间距比对传感器信号强度、灵敏度及穿透深度的影响.采用神经网络方法优化结构参数,在保证穿透深度的条件下,获得较好的信号强度.研制了不同结构参数的PCB型平面电容传感器,并将其用于介电材料检测,实验结果证明了传感器参数优化测量的有效性.     

边缘电场传感器测量金属衬底绝缘层厚度

针对金属衬底上的绝缘层,研究基于边缘电场传感器的厚度测量方法。位于同一平面的传感电极形成边缘场电容,边缘电场将穿透绝缘层,在衬底表面发生突变。本文用三电容模型分析了传感器的测量原理,衬底作为一个浮动电极分别与两个传感器电极构成平行极板电容,与边缘场电容共同构成传感电容。通过二维仿真讨论了电容结构参数对传感电容的影响。实验结果表明,边缘场电容传感器应用于金属衬底上的绝缘层测量时,表现出边缘场电容与平行板电容复合的特性,传感器灵敏度高。当绝缘层厚度相比电极长度较小时,电极的间距对传感器电容输出影响小。     

一种海洋MEMS电导率传感器结构优化设计

为提高一种海洋MEMS电导率传感器的测量性能,基于电场基本理论分析了影响传感器测量性能的主要因素,并对 传感器结构进行优化设计, 采用COMSOL软件分别构建和仿真了优化前后传感器测量模型,得出海水电导率在5ｍＳ/ｃｍ~ 70ｍＳ/ｃｍ,激励频率在10ｋＨｚ~ 100ｋＨｚ 范围内,传感器结构优化后比优化前对应的海水测量阻值范围提高了4.39倍,优化后的传感器结构准确度提升至±1.18％,灵敏度提升至1.56ｃｍ－１,且优化前传感器结构准确度与灵敏度的仿真值与相关文献同类型结构传感器实际数据相近,因此本文优化设计贴近实际,参考价值较高。     

内置式电容层析成像系统传感器优化设计

电容层析成像系统重建图像的质量主要依赖于系统的观测矩阵,即灵敏度矩阵,灵敏度矩阵的特性又由传感器的结构参数所决定的。本文提出了采用反映灵敏度矩阵特性的条件数作为主要的电容传感器优化设计指标,结合表示传感器电极总体灵敏程度的电容变化量指标,兼顾最大、最小电容测量值满足测量范围的要求,进行综合优化设计。通过有限元方法,分析了内置式传感器电极结构参数对电容测量值和灵敏度矩阵的影响,并利用综合指标进行了优化,获得了一组内置式传感器的优化结构参数。     

高压近电预警用工频电场传感单元设计与分析

由于感应极板电容存在的边缘效应,测量时会引起电力线的畸变,影响灵敏度、线性度和量程等性能参数。提出一种新型带等位环的印刷电路板(PCB)平板电容的交变电场传感单元结构,通过仿真优化分析和设计了带等位环的电场感应单元的结构参数,减小了由于电容极板边缘效应引起的电场畸变。根据工频电场测量标准,对传感单元进行了性能测试。结果表明:等位环结构避免了极板的边缘效应,通过合理配置积分采样电容,使得感应传感单元的线性度可达1.602 5%,电压灵敏度系数达到248 mV/(kV/m)。设计的电场传感器达到近电预警测量的要求。     

用于地表相对介电常数测量的同面极板电容传感器优化设计

在雷暴云定位中,地表相对介电常数测量传感器至关重要,但当前传感器设计高度依赖仿真,缺少理论支撑。基于同面极板电容传感器测量原理,利用保角变换和单元积分法,分别建立传感器的电容信号测量和电场分布模型,得到不同极板参数与信号测量灵敏度和测量范围的关系,并进行实际验证。结合应用场景,进一步优化极板设计。最终,共设计了三组极板,每块极板长300 mm,宽100 mm,极板间距为1 mm,极板宽度与极板间距比值为100∶1。经实际测试,传感器在60 mm的测量范围内,测量相对误差小于10%。     

井间ERT电极阵列优化及监测实验系统设计与开发

为了开发用于地层中CO2运移监测的井间ERT系统,研究了ERT电极阵列和工作模式优化设计方法并研制了井间ERT监测模拟实验系统。基于COMSOL平台构建了模拟井间ERT测量响应的有限元数值模型,利用数值模型分析了电极间距和宽度等参数对监测区域电场灵敏度的影响规律以及不同电极阵列工作模式下场域灵敏度的分布特征,确定了井间ERT实验系统中最优的电极参数,即电极间距、宽度与监测范围的比值分别为0.200、0.025,电极阵列的工作模式为AM-BN。在对实验系统进行功能需求分析、总体设计以及上述优化设计的基础上,分别对系统硬件部分和软件部分进行了开发,采用多路切换开关并配合精密电桥仪实现了对电阻抗参数的测量,利用以LabVIEW为平台开发的测控软件实现了对实验系统的自动化控制。以埋放绝缘物体来模拟注入地层CO2的方式开展了实验测试,结果显示测量到的电阻抗数据可以灵敏地反映出监测区域电参数的变化且能够用于定位绝缘物体的位置,从而验证了所开发系统的可用性。所建立的电极阵列优化设计方法以及开发的井间ERT监测模拟实验系统为下一步深入研究基于复电导率参数的CO2饱和度评价模型和开发现场适用的井间ERT监测系统提供了实验平台。     

基于电容传感器的围护结构含水率层析方法

针对围护结构含水率测试深度的要求,研究了同面电容传感器探头的结构尺寸优化设计方法,通过仿真和实验研制了不同探测深度灵敏度的测试探头,将围护结构沿深度方向离敞化为若干层,利用实验数据拟合得到各层对于不同探头的输出与含水率的函数关系.通过传感器多结构组合测试,从耦台项中分离出各层的含水率.实验结果表明:该传感器组合测试方法可以达到含水率层析的目的,测试精度与使用的传感器数量有关.     

Performance optimization of current focusing and virtual electrode strategies in retinal implants

The electrode configuration in an implanted visual prosthesis array affects the spatial electric field distribution within the retina, contributing to current focusing and virtual electrode (VE) stimulation strategies. In this paper, a finite element model incorporating various electrode configurations was used to study the interaction between electrode size and electrode-to-cell distance in current focusing and VE stimulation paradigms. The electrode array unit comprises an active electrode, six flanking return electrodes and a distant monopolar return. A quasi-monopolar (QMP) fraction is defined as the proportion of current which can be preferentially returned through the distant return, in comparison with the more adjacent flanking electrodes. The simulation results indicate that current focusing and VE strategies can be optimized by tuning the QMP fraction. The QMP fraction is adjusted to optimize the electric field spread based on retinal ganglion cell (RGC) density in the degenerate retina, thereby offsetting the effect of inhomogeneous distribution of surviving RGCs and leading to a uniform stimulation paradigm across electrodes. Importantly, there is negligible difference in functional performance across electrode configurations for distances less than the electrode diameter, implying that the stimulation mode does not significantly affect activation threshold or activated retinal area for electrode diameters greater than the retinal thickness. Furthermore, the QMP fraction has a significant effect on VE performance, defined by activation threshold and activated retinal area, when threshold current is evenly divided between two adjacent active electrodes.     

同面散射场电容式砂含水量传感器的研究

针对电容式砂含水量传感器的特殊结构,本文从同面散射场电容传感器的等效电容的分析出发,优化了电容极板的大小;使用有限元法分析了极板间距、极板对数以及极板结构对传感器灵敏度的影响;并对传感器的隔离板材料的介电常数选择问题进行了探讨。结果表明双电极小极板结构的普通陶瓷隔离的传感器结构尺寸小,灵敏度高。本研究对同面散射场电容式砂含水量传感器的结构参数优化有实际指导意义。     

基于ANSYS的ECT阵列电极三维优化设计

本文通过电磁场有限元软件ANSYS 分析,构建电容层析成像(ECT)系统敏感阵列电极三维模型.基于敏感场分布的均匀性、敏感阵列电极的灵敏度及被测电容变化范围等优化指标,进行空间敏感场阵列电极设计.实验表明,优化设计的敏感阵列电极可获得比较均匀的敏感场分布及检测灵敏度.     

平面电容传感器设计及在材料探伤中的应用研究

材料内部不同损伤具有不同的介电特性,利用平面电容传感器可以实现无损检测。平面电容传感器电极位于同一平面,敏感场非均匀分布,电极结构是影响传感器敏感场分布的主要因素。研究敏感场分布特性有助于提高传感器测量精度。本文基于有限元研究了不同电极结构的平面电容传感器,仿真结果表明,矩形叉指电极敏感场分布均匀性好。分别优化矩形叉指电极和圆形电极结构参数,并基于PCB工艺研制传感器用于材料损伤检测。实验验证了平面电容传感器用于材料探伤的有效性,且矩形叉指电极传感器测量效果优于圆形电极。     

基于边缘效应的圆环式电容传感器电场仿真分析

介绍了圆环式电容传感器的工作原理,即电容边缘效应,通过Hybrid-Trefftz算法建立了有限元模型,利用有限元软件ANSYS对不同传感器模型进行了电场分析与仿真计算,得出了最优结构组合,并以最优结构组合为例,给出了介电常数与电场强度的关系。仿真结果表明:圆环式电容传感器设计中,影响传感器测量性能的最直接和最重要的2个参数是两极板间距和极板长度;被测介质的介电常数越小,电场强度就越大。该仿真对后续产品的设计具有很好的理论指导作用。     

电磁相关法流量测量传感器检测电极距离研究

多相流流量测量在工业生产与科学研究中有着广泛的应用。针对石油生产测井狭小空间环境下的油气水多相流流量测量问题,提出了一种能扩大生产测井中多相流油气含率的量程范围并提高流量测量精度,且具有连续测量、无放射性、低成本等优点的油气水多相流电磁相关法流量测量传感器。电磁相关法流量测量传感器两对检测电极之间的距离设计是该类传感器设计的关键技术之一,通过传感器内部虚电流及其敏感场的仿真研究与分析,为电磁相关法流量测量传感器的两对检测电极之间的距离设计提供帮助,以促进新型多相流流量仪表的发展。     

微结构气体传感器的优化设计

利用SiO2相对于SiNx有更低的热导率,作为膜式微气体传感器的热绝缘和电绝缘层,而单晶Si适合通过各向异性腐蚀形成倒杯状结构来支撑SiO2膜。将膜式微气体传感器中的加热器和信号电极设计在一个平面上,以减小工艺复杂度,获得较高的加热效率。利用有限元分析工具ANSYS分析比较加热器和信号电极在不同宽度与间距时的温度分布。当设定加热器宽度为50μm,信号电极宽度50μm,加热器和信号电极间距为25μm,微气体传感器将获得更低的功耗和比较均匀的中心温度分布,有利于传感器整体性能的提高。     

双阵列式电容传感器电极个数的选取

利用传感器相邻极板之间灵敏场不均匀的特点,建立了一种新型双阵列式电容传感器,并引入新的目标函数来评价灵敏场在某个区域幅值的大小。通过有限元仿真,分析双阵列式电容传感器电极数为6,8,12,16时对目标函数的影响,选取双阵列式电容传感器的电极数,使传感器综合性能最优。     

对相移同轴电缆Bragg电栅特性的研究

对同轴电缆进行周期性钻孔形成同轴电缆布拉格电栅（ CCBEG）,通过三维电磁仿真软件Ansoft HFSS（高频结构仿真器）对CCBEG进行了建模和仿真,仿真结果和实验结果进行对比,频率特性基本一致,仿真结果可以作为电栅特性研究的依据。对于传感应用,提出了相移CCBEG并对周期长度、钻孔尺寸等参数进行了优化,减小了线宽,提高了传感精度。研究为进一步实现基于CCBEG的传感器研究和参数优化提供了理论指导和实验基础。