阵列式静电传感器频率响应特性的研究

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  [摘 要]介绍了阵列式静电传感器低通滤波的基本原理,推导出了其频率响应特性,定量分析了影响频率响应特性的一些因素:煤粉颗粒的径向位置、速度、大小以及感应电极的长度、覆盖角,为深入了解传感器的机理、对传感器优化设计奠定了理论基础。
  [关键词]阵列式 静电传感器 低通滤波 频率响应特性
  中图分类号:TM301.21 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)47-0295-02
  煤粉颗粒在气力输送过程中,将会与空气、管道壁以及颗粒自身之间不断发生摩擦、碰撞等过程,从而带上一定数量的电荷。当带电的煤粉颗粒以一定的流速通过静电传感器的敏感区域时,由于静电感应,感应电极的内外表面将会产生大小相等、符号相反的感应电荷[1]。但静电传感器的敏感元件存在一定的几何形状与尺寸,煤粉颗粒所引起的“静电流噪声”将在敏感空间内被特定的权函数加权平均,即“静电流噪声”不可能全部被转换成感应电极输出的电信号[2]。因此,对静电传感器频率响应特性的研究显得十分必要。
  1 基本原理
  静电传感器结构模型如图1所示,煤粉颗粒流经传感器的敏感区间时,由于静电感应,阵列式感应电极将产生感应电荷,其电荷量可表示为:
  其中为煤粉颗粒在传感器敏感区间内轴向坐标为z,径向坐标为r,方位角为θ时的电荷量分布,即“静电流噪声”;s为传感器敏感区间内的空间灵敏度分布。当煤粉以速度v仅沿z轴流动时,电极上的感应电荷表示为:
  从上式中可以看出,“静电流噪声”是一个包含空间、时间坐标的复合函数,它在敏感区间内被感应电极以特定权函数s加权平均,得到随时间变化的感应电荷信号q(t)。从频率层面上来讲,i不可能全部转换成感应电极输出的电信号。
  本文通过Comsol建立了阵列式传感器的有限元模型,并对其静电场进行了数值分析,进而得到传感器轴向空间灵敏度分布函数。从模拟结果上来看,该函数类似于正态分布,并且鉴于拟合精度,本文采用4个高斯分布对灵敏度分布函数进行拟合即:
  其中,a,b为待定系数,其与煤粉颗粒性质和传感器几何形状、尺寸有关。
  当径向位置、方位角θ一定时,假设带电煤粉颗粒为单位点电荷时,“静电流噪声”i(z+vt,r,θ)可用单位冲击信号δ(z+vt)表示,所以此时感应电极的感应电荷信号可表示为
  传感器感应电极的频率特性可表示为:
  2 影响因素
  2.1 径向位置
  如图2.1所示,在传感器敏感区间内,随着点电荷径向位置的增加,对信号响应能力逐渐增强,频带宽度也逐步增加,而且越靠近壁面响应能力增强的越快。但信号频率越高,相对响应能力越弱,直至失去频率响应。
  2.2 煤粉颗粒的速度
  如图2.2所示,随着煤粉颗粒速度的增加,传感器的工作频带宽度相应变宽,对高频信号响应能力相对越强,但对低频信号的响应越来越弱。随着工作频率的增加,频率响应能力逐渐减弱,煤粉流速越高,减弱的越慢。
  2.3 煤粉顆粒的大小
  如图2.3所示,随着煤粉颗粒直径的增大,信号响应能力稍微增强,工作频带带宽也略微变宽。
  2.4 电极长度
  阵列式静电传感器主要是有几个阵列排布的感应电极组成,这些电极的主要参数为电极长度、电极覆盖角[3]。如图2.4所示,增大阵列式感应电极的轴向长度,使得传感器的工作频带宽度相应变宽,对高频信号响应能力相对越强,但对低频的频率响应相对降低。随着工作频率的增加,频率响应能力逐渐减弱,且轴向长度越大,减弱的越缓慢。
  2.5 电极覆盖角
  如图2.5所示,和电极长度对传感器频率响应特性的影响类似,增大电极覆盖角有助于提高传感器对高频信号的响应能力,且使得工作频带宽度变宽,但与电极长度的影响相比,电极覆盖角对频率响应特性影响较小。
  3 结论
  1)煤粉颗粒引起的“静电流噪声”在敏感区间内被传感器以特定的权函数加权平均,其作用相当于低通滤波。
  2)越靠近感应电极、煤粉流速越快、颗粒越大、电极越长、覆盖角越大,传感器对高频信号响应能力越强、工作频带越宽。
  参考文献
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  [2] 许传龙,赵延军,杨道业,汤光华,周宾,王式民.静电传感器空间滤波效应及频率响应特性[J].东南大学学报(自然科学版),2006,04:556-561
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