环式静电传感器空间灵敏度仿真分析与优化研究

摘要

气固两相流现象不仅广泛体现在自然界中，而且在工业生产中普遍应用，因此气固两相流参数的测量研究具有重要意义。由于各种气固两相流现象之间千差万别，且每种流态自身不稳定，易受温度、湿度等外界因素的干扰。所以直接建立流体流动模型、求解动力学方程来分析气固两相流速度将存在诸多困难。基于静电法的两相流测量技术有很多优势:成本低、易于检测、方便维修以及适应性强等，然而在广泛应用的同时仍有一些尚未解决的问题，如传感器结构参数的设定比例、空间灵敏度分布的不一致性以及测试结果的校准等。因此，本文采用静电法对单位电荷在不同空间位置产生的感应电荷量，即所谓的“空间灵敏度”进行研究。
　　本文首先介绍了静电传感器感应原理，对环式静电传感器的结构进行设计说明，其理论依据主要为固体颗粒在气力输送过程中由于摩擦碰撞而产生的静电感应电荷，并根据分析其电荷特性设计了静电传感器的材料结构以及信号检测调理电路，阐述了静电传感器空间灵敏度特性;其次利用有限元分析软件MAXWELL对环式静电传感器的立体模型以及结构参数的比例设定进行仿真分析，得出带电颗粒在不同空间位置、不同电极宽度情况下通过传感器敏感区域时电极上电荷的分布情况，进而求取空间灵敏度的解析表达式，以非线性最小二乘法为准则对空间灵敏度的数学模型进行优化研究，并分析、比较点电荷和多颗粒的空间灵敏度特性;最后搭建模拟实验平台，完成数据采集，对模拟实验中的影响因素，如颗粒的运动轨迹、空气阻力、重力等因素进行优化处理分析，推导出空间灵敏度的解析表达式，验证了该优化模型的合理性与可行性。
　　通过实验验证分析可知，空间灵敏度优化模型和改进的弹道模型相结合大幅度的提高了两相流空间灵敏度的精度，获得了空间灵敏度与颗粒的空间位置、传感器结构参数间的解析表达式，为研究两相流的空间灵敏度特性奠定了基础。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 测量方法研究现状

1．2．2 静电传感器分类及特点

1．3 静电法在实际应用中遇到的问题

1．4 课题研究内容及章节安排

2 静电传感器的基础理论

2．1 静电感应原理

2．2 静电传感器结构及原理分析

2．2．1 静电传感器结构

2．2．2 静电传感器原理

2．2．3 静电传感器等效电路

2．3 静电传感器空间灵敏度

2．4 本章小结

3 环式静电传感器空间灵敏度特性的仿真分析

3．1 静电传感器有限元法

3．1．1 Maxwell软件介绍

3．1．2 有限元法基本思想

3．1．3 静电场有限元法

3．2 环式静电传感器仿真研究

3．3 环式静电传感器空间灵敏度特性仿真分析

3．3．1 轴向径向空间位置的空间灵敏度特性

3．3．2 电极宽度的空间灵敏度特性

3．4 本章小结

4 环式静电传感器空间灵敏度的优化研究

4．1 优化设计概述

4．1．1 优化设计目的及意义

4．1．2 优化设计方法

4．2 环式静电传感器空间灵敏度优化模型的建立

4．3 多颗粒空间灵敏度特性分析

4．3．1 多颗粒空间灵敏度模型建立

4．3．2 多颗粒空间灵敏度特性分析

4．4 环式静电传感器动态灵敏度特性

4．5 本章小结

5 模拟实验研究

5．1 实验平台的搭建

5．2 系统设备

5．3 数据采集与处理

5．3．1 数据采集与分析

5．3．2 实验验证分析

5．4 实验结果分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢