电容传感器的三维静电场分析及其优化设计

多相流参数的在线检测对生产过程的监测与控制、可靠运行和节能减排等都具有至关重要的作用,但由于多相流在流动过程中具有流型复杂、随机性大的特点,使得其参数的在线测量一直是工业应用的瓶颈。电容传感器具有无辐射、非侵入、结构简单、成本低、适用范围广、响应速度快、安全性能好等优点,特别适合对多相流参数的检测,深受科技工作者和工业应用者的青睐。可以预测,电容传感技术在工业计量与控制甚至医学监测中都具有很大的应用前景。但电容传感器的敏感场特性及优化设计问题一直是阻碍其实用化的主要原因之一。 本课题以多相流参数检测为应用背景,以工程电磁场和有限单元法为理论基础,以8电极阵列ECT传感器和螺旋电容式相浓度传感器为主要研究对象,以大型有限元软件ANSYS为研究平台,利用模拟仿真与实验验证的研究与分析方法,对电容传感器的灵敏场特性进行了深入的探讨,实现了对电容传感器的结构参数和性能优化设计的研究目的。其主要工作和结果如下： (1)对电容传感器发展与应用的现状以及存在的问题进行了简要的概述,分析了电容传感器在工业多相流参数检测中的优越性；对传感器进行了工作原理的分析、数学模型的建立和优化方法的选择。 (2)针对电容传感器检测场较为复杂的特点,对其敏感场特性进行了深入的探讨,通过借助ANSYS软件,对电容传感器进行三维静电场仿真,针对不同传感器分析了结构参数对三维敏感场的均匀性与灵敏度等指标的影响。 (3)根据电容传感器优化设计理论和不同的应用目的,对8极板ECT传感器和螺旋电容式相浓度传感器设定了不同的优化指标,分别通过计算机进行有限元计算和优化设计,得到了最优的传感器结构参数,提高了传感器的性能指标。 (4)在实验室条件下对所优化的传感器进行了静态实验的研究,通过不同的实验对传感器进行验证,实验结果与仿真计算得到的结论一致。并对不同的传感器进行了灵敏度测试和均匀性测试,实验结果表明,经过ANSYS设计的传感器其性能指标均优于以前所设计的传感器,螺旋电容式相浓度传感器的检测场均匀性误差小于3%,8极板ECT传感器对设定的各种流型的平均空间图像误差降低,对其的综合评分为2.1687。