基于空气、冰与水相对介电常数差异的电容感应式冰厚传感器

基于空气、冰与水的物理特性差异实现冰生消过程的实时检测是一种新的冰情检测方法,基于这一思路,本文介绍了电容感应式冰层厚度传感器结构,并将研制成功的电容感应式冰层厚度传感器在黄河内蒙河道进行了冰层厚度连续监测应用试验,结果验证了利用电容感应技术测量冰层厚度方法的可行性.新型传感器具有结构简单,灵敏度高等特点,可以应用于冬季结冰河道冰层厚度及冰下水位的连续自动监测.     

电导法原油含水率测量传感器的模型优化与仿真

电导法原油含水率测量是基于阵列电极传感器的一种测量方法,电极系的结构与参数对传感器性能有着重要影响.拟研究电极系传感器结构的优化设计方法,在建立传感器电场分布理论模型的基础上,利用ANSYS有限元软件仿真电极系传感器不同参数下的电场分布,分析电极环宽度、激励电极对间距、测量电极间距等参数对传感器性能的影响.依据仿真结果,确定传感器的优化参数,并对传感器进行了灵敏度的模拟测试,测试结果显示:传感器灵敏度仿真结果与实际测试结果一致性较好;在高含水(大于85%)的油水两相流含水率测试精度可达3%.测试结果验证了传感器理论和仿真分析方法的有效性,为优化设计传感器提供一种有效的方法.     

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。     

基于边缘电场传感器的大范围位移测量方法

主要研究基于边缘电场传感器的位移测量方法,由于在测量位移时交叉指型传感器互导电容的变化具有周期性,因而可以实现大范围的位移测量.运用Ansoft Maxwell有限元仿真软件对边缘电场传感器的二维半波长模型进行了仿真分析,仿真结果表明当传感器工作区间内有物体移动时,会改变传感器的电场分布,使传感器互导电容发生周期变化.设计了一个简单的、低成本的调理电路,可以将电容变化转化为电压输出信号,得到边缘电场传感器输出电压与电容的关系.对电极尺寸为35 mm×30 mm×0.02 mm的边缘电场传感器进行了测量实验,实验结果与仿真结果吻合较好.     

一种扭转谐振式MEMS电场传感器

提出了一种基于微机电系统(MEMS)的扭转谐振式电场传感器。该微型电场传感器的感应电极与屏蔽电极采用共面叉指结构,首次采用扭转谐振的工作方式,显著提高了微型电场传感器的灵敏度。介绍了传感器的工作原理、结构设计、有限元仿真及实验。实验结果表明:在0～50 kV/m电场范围内,该传感器的线性度为0. 14%,3个往返行程的总不确定度优于0. 43%。在增益电阻为100 MΩ的情况下,传感器灵敏度达到4. 55 mV/(kV/m),相对已有传感器灵敏度提高了1个数量级。     

振管式结冰检测传感器设计优化及改进

针对当前的振管式结冰检测传感器只具有结冰阈值报警功能,缺乏冰层厚度测量能力等缺点,列传感器进行改进和优化设计.使用扫频电路代替LC谐振电路,以提供稳定的激振信号;通过多项式目标函数法,将被测频率、环境温度以及冰层厚度结合起来,实现对冰层厚度的准确检测.对改进后的样品进行了性能测试,结果显示该传感器稳定性有显著提升,同时实现了对冰层厚度的准确测量,冰层厚度测量误差小于0.15mm,证实了设计的正确性.     

基于FPGA的数字式大气电场仪的设计与实现

针对传统大气电场仪的信号处理电路结构复杂、数字化程度低等缺点,提出了一种基于FPGA的数字式大气电场仪的设计方案,其前级感应探头采用差分式的测量结构,有效地减少了前级感应片之间的共模干扰,提高了测量精度;以FPGA为核心的数字信号处理电路完成了电场幅值的精确测量和电场信号极性的判断,简化了电路结构.详细给出了该传感器的工作原理以及实现方法,并制作了实验原理样机.实验测试结果表明,该传感器的性能良好,具有重要的应用价值和意义.     

基于连接式螺旋体结构的FBG冰层厚度传感器研究

河冰现象是进行水资源开发利用时需要考虑的一个重要现象,冰层厚度检测是冰情状况检测的主要对象。研制了连接式螺旋体结构的光纤Bragg光栅（FBG）温度传感器。基于冰与水温度变点的机理,通过检测冰层与水的温度和传感器纵向分布阵列之间设置的间距得到冰层厚度。该FBG温度传感器使用导热系数较好的毛细紫铜管作为制作螺旋体结构材料。对不同厚度的冰在冰消过程中的厚度检测,实验结果表明：最大测量误差为12mm,最小测量误差为0mm。可通过调节U型管所在斜面和直通管所在平面角度改变各测点之间的间距。     

新型电场传感器应用于输电线电场测量

基于高性能的微电子机械系统(MEMS)工频电场传感器系统开展了高压架空输电线下电场测量应用研究.为了获得电场分布规律,基于模拟电荷法,建立了输电导线的二维电场计算通用模型.传感器系统核心敏感芯片基于电荷感应原理,采用MEMS技术加工制作.在0~1000kV/m工频电场范围内,传感器系统的总不确定度为1.53%,分辨力达到了20V/m.仿真与测试结果表明:35kV与10kV输电线下的电场计算结果与传感器系统的测量结果偏差分别为6%和10%,并与传统的Narda EFA-300电磁场分析仪测量结果具有较好的一致性.     

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.     

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PCap01的电容式冰层测厚传感器系统设计

介绍了一种基于PCap01微小电容检测芯片以及电容法来测量河道冰层厚度的方法。水结成冰的过程中,电容值会随之发生变化,通过对电容值的检测可以间接的获得冰层的厚度。由于空气、水和冰的电容值较小难测量,现采用最新微小电容测量元件PCap01-AD、低功耗单片机MSP430F149、12864液晶显示模块和基于LabVIEW开发平台制作的上位机界面组成冰层厚度测量系统。其中PCap01-AD电容测量芯片通过SPI通信与单片机连接,上位机实现了数据的实时处理、显示和存储。实验结果显示,该系统结构简单,测量精度高,实用性强,功耗低,非常适合野外河道冰厚的测量。     

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.     

New electrode structure for reducing power consumption of PDPs

Abstract— A new electrode structure for plasma‐display panels (PDPs) is proposed, which decreases the panel capacitance by effectively decreasing the electrode area and increasing the discharge efficacy. Although the electrode area is decreased, the proposed structure does not require an increase in operating voltage and can improve the discharge efficacy by limiting the discharge current. The effect of panel capacitance reduction of the suggested electrode structure contributes to power‐consumption reduction in the entire PDP system by reducing the dissipative power due to the charging current of the panel capacitance. The effects of panel‐capacitance reduction by using the new electrode structure were confirmed by comparing the charging‐current waveforms and directly measuring the capacitances of various panels with conventional and new electrode structures.     

基于镍尖锥阵列的柔性超薄超级电容器

本研究采用电化学沉积的方法在金属钛板上制备出镍尖锥的规则阵列,然后将二氧化锰直接沉积到镍尖锥阵列上。这种沉积有二氧化锰的镍尖锥能够直接从基板上剥落下来形成自支撑的、柔性、超薄电极片。结果显示该电极的最高比电容达到325 F/g,并且具有出色的倍率性能。用这种电极组装成的柔性超薄超级电容器呈现出良好的电化学性能,有望在可穿戴消费电子领域得到应用。     

Detection of human respiration based on measurement of current generated by electrostatic induction

In this study, we developed an effective technique for measuring human respiration using a noncontact and nonattached electrode. The technique requires the measurement of the current generated due to the difference in capacitance between a given electrode and the human body. The subpicoampere electrostatic induction current flowing through the electrode when placed a few centimeters from the subject is detected. We propose an occurrence model for the electrostatic induction current generated by the change in capacitance caused by the movement of the body surface while taking a breath. This model effectively describes the behavior of the current flowing through the measurement electrode.     

A flexible three-axial capacitive tactile sensor with multilayered dielectric for artificial skin applications

In this paper, a new flexible three-axial force sensor was designed and investigated, which was composed of four capacitors, and the mechanism was based on the capacitance change induced by an applying three-axial force. For the configuration of the electrodes, four sensing electrodes and a public electrode were in the same plane, which was based on fringe effect theory. Different from the traditional dielectric layer with single material, this multilayered dielectric consisted of both the air gap and polydimethylsiloxane. The structure of the multilayered dielectric changed under the external/applied force, leading to variation of dielectric constant ε, which caused the capacitance change. Measurement results showed that the full-scale range of detectable force was around 0–10 N for all three axes. The average sensitivities of the force sensor units were 0.0095, 0.0053, and 0.0060 N⁻¹ for the normal, X-axis, and Y-axis shear forces, and more test proved its high potential for application in skin-like sensing field.

     

Experimental verification of an out-of-plane repulsive-force electrostatic actuator using a macroscopic mechanism

A macroscopic mechanism is developed to verify a repulsive-force electrostatic actuator, which consists of an array of fixed finger electrodes and an array of moving finger electrodes. The actuator is able to generate an asymmetric electric field surrounding the top and bottom surfaces of each moving finger electrode to push the moving finger up and away from the fixed fingers. The macroscopic mechanism consists of a macro repulsive force actuator, a high voltage power supply, a z-stage, a high precision balance and a LCR meter. The force and capacitance characteristic curves of the actuator are obtained using the macro mechanism. The 3-stage force (repulsive, zero and attractive forces) of the actuator is verified, as well as the effects of the moving finger width on the actuator’s performance. Experimental tests show that the macro repulsive-force actuator can generate a repulsive force of 3,000 μN with a maximum gap of 9.5 mm for generating a repulsive force.     

磁悬浮转子微陀螺电容结构设计

为了实现磁悬浮转子微陀螺的电容检测,使用数值积分方法计算了新型磁悬浮转子微陀螺的电容值与转子倾斜角度的关系。计算确定了电容极板尺寸,电容的连接采用了差动电容的连接方式。通过电容检测电路,检测到了小角度输入范围内的陀螺输出信号。检测结果表明:该电容结构对于静态角度输入具有较好的线性响应,该微陀螺原形的电容结构能够检测到的转子倾斜角度可达到0.1°,对应的电容变化约为1 000 aF,满足了微陀螺对电容检测的要求。