基于Ansoft的容栅传感器边缘效应分析
２０１６年 第２期
仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０１６ Ｎｏ畅２
基金项目：山西省回国留学人员科研资助项目（２０１１０７０）；中北大学第十
一届研究生科技基金（２０１４１１５３，２０１４１１５５）；动态测试技术重点实验室基金（２０１５－２）收稿日期：２０１５－０７－０７
基于Ａｎｓｏｆｔ的容栅传感器边缘效应分析
武嘉俊，陈昌鑫，马铁华，刘 莉
（中北大学，电子测试技术国家重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 ０３００５１）
摘要：针对提高容栅传感器精度需要减小边缘效应问题，利用ＡｎｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌ有限元分析软件对其电磁场模型进行仿真，通过对容栅传感器的极板间距、栅极对数、栅极厚度这３个参数进行仿真，得到对应的电容值，并对这个电容值的大小和趋向进行分析，为传感器选择最优参数提供依据。仿真结果表明：容栅传感器受边缘效应影响且影响不可忽略，通过减小极板间距和极板厚度、控制栅极对数可以减小边缘效应的影响，对于提高容栅传感器精度具有重要意义。关键词：容栅传感器；电容；边缘效应；ＡｎｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌ软件
中图分类号：ＴＰ２１２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１８４１（２０１６）０２－０００１－０３
ＥｄｇｅＥｆｆｅｃｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣａｐａｃｉｔｉｖｅＧｒｉｄＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＡｎｓｏｆｔ
ＷＵＪｉａ－ｊｕｎ，ＣＨＥＮＣｈａｎｇ－ｘｉｎ，ＭＡＴｉｅ－ｈｕａ，ＬＩＵＬｉ
（ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｖｉｅｗｏｆｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｃａｐａｃｉｔｉｖｅｇｒｉｄｓｅｎｓｏｒｂｙｒｅｄｕｃｉｎｇｅｄｇｅｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅｓｅｎｓｏｒ摧ｓｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｍｏｄｅｌｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＡｎｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｈｅｔｈｒｅｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｇｒｉｄｐｌａｔｅ，ｎｕｍｂｅｒｏｆｇｒｉｄｐｌａｔｅ，ａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｇｒｉｄｐｌａｔｅ，ｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｖａｌｕｅｓｏｆｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｗｅｒｅｇｏｔ．Ａｎｄｉｔｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｓｅｌｅｃｔｉｎｇｏｐｔｉｍａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｅｎｓｏｒｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｓｉｚｅａｎｄｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｖａｌｕｅｓｏｆｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｔｈａｔｃａｐａｃｉｔｉｖｅｇｒｉｄｓｅｎｓｏｒｉｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｅｄｇｅｅｆｆｅｃｔ，ａｎｄｔｈｉｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃａｎｎｏｔｂｅｉｇｎｏｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｂｙｍｅａｎｓｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｇｒｉｄｐｌａｔｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｎｕｍｂｅｒｏｆｇｒｉｄｐｌａｔｅ，ｉｔｃａｎｍｉｎｉｍｉｚｅｔｈｅｅｄｇｅｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅｓｉｍ－
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容栅传感器是一种变面积型电容传感器，具有结构简单、体积小、耗能少、环境适应性强和测量精度较高的优点，成功地在量具、量仪和机床数显装置等方面得到应用［１］
。容栅技术在
基本位移测量的基础上，可以拓展到液面测量、力矩测量、压强
测量等多个领域
［２］
；在利用容栅传感器测量旋转轴扭矩时，由
于边缘效应等因素的影响，容栅传感器的灵敏度下降，产生非线性失真，噪声叠加在有用信号上不利于信号的有效提取
［３－４］
。
本文针对这一问题，利用有限元分析软件ＡｎｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌ对容栅传感器的极板间距、栅极对数、栅极厚度进行边缘效应分析。１ 容栅传感器及边缘效应１．１ 容栅传感器的结构
容栅传感器的极板是由柔性线路板腐蚀而成的一种栅状电极，由栅条均匀分布的静栅和动栅平行相对构成，其中静栅由极板Ａ片和Ｂ片组成（Ａ片栅极个数和Ｂ片栅极个数相等，静栅栅极个数是动栅栅极个数的２倍），两片刻蚀的容栅极板如图１所示
［５］
，静栅极板Ａ与动栅极板形成一个电容Ｃ１，静栅
极板Ｂ与动栅极板形成另一个电容Ｃ２。把刻蚀的动栅极板贴在设计的内套筒上，内套筒（动筒）固定在测试的旋转轴上，随
旋转轴同速转动，静栅贴在外套筒（静筒）上，固定在试验台的支架上。安装的结构如图２所示
［６］
。
图１ 刻蚀的容栅极板
对于交叉式容栅传感器，当栅极对数较多时，可以将动静栅形成的电容近似为平行板电容，忽略边缘效应，平行板电容器电容公式
［７］
为
Ｃ＝
εｒε０Ｓ
（１）
式中：Ｃ为电容值；Ｓ为极板正对面积；ｄ为两极板之间的距离；ε０为真空介电常数，ε０近似为８畅８５４×１０－１２
Ｆ／ｍ；εｒ为极板间介
质的相对介电常数，与电介质的性质有关，空气的相对介电常
数近似为１。