上海交通大学学报, 2023, 57(3): 264-272 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.281

机械与动力工程

差压式电容传感器膜片的变形分析与优化设计

赵昭, 雷华明,

a.上海交通大学 仪器科学与工程系,上海 200240

b.上海交通大学 海洋智能装备与信息系统教育部重点实验室,上海 200240

Deformation Analysis and Optimal Design of Membrane for Differential Pressure Capacitance Sensor

ZHAO Zhao, LEI Huaming,

a. Department of Instrumentation Science and Engineering

b. Key Laboratory of Ocean Intelligent Equipment and Information System of the Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

通讯作者: 雷华明,博士,高级工程师,电话(Tel.):021-34204392;E-mail:hmlei@sjtu.edu.cn.

责任编辑: 孙伟

收稿日期: 2021-08-4   接受日期: 2021-10-25  

Received: 2021-08-4   Accepted: 2021-10-25  

作者简介 About authors

赵昭(1988-),硕士生,主要从事电子传感系统的设计与开发.

摘要

为研究差压式电容传感器测量膜片的受压变形,将经典的von Kármán薄板理论应用于受有预张力作用的弹性圆薄板问题,采用同伦分析法给出近似解析解.将求解结果与有限元软件ANSYS的仿真结果进行对比,表明两者吻合度较高.预张力大小对膜片在受压情况下的变形影响较大,从而影响传感器的电容输出特性.利用传感器性能测试验证了预张力对传感器非线性特性的影响.结果表明:选择合适的预张力可以有效提升传感器的线性度,适当降低膜片厚度可以提高输出的灵敏度.分析结果对差压式电容传感器的膜片设计具有重要的参考价值.

关键词: 传感器膜片; 预张力; 变形分析; 同伦分析; 非线性

Abstract

The compression deformation of the measuring membrane of the differential pressure capacitance sensor is studied. The classical von Kármán thin plate theory is applied to the elastic circular thin plate subjected to pretension, and the approximate analytical solution is given by adopting the homotopy analysis method. The results are compared with the simulation results of the finite element software ANSYS, which shows that they have a high degree of agreement. The magnitude of pretension has a great influence on the deformation of the membrane under compression, thus affecting the capacitance output characteristics of the sensor. The effect of pretension on the nonlinear characteristic of the sensor is verified by the sensor performance test. The results suggest that the linearity of the sensor can be effectively improved by selecting the appropriate pretension, and the sensitivity of the output can be improved by appropriately reducing the membrane thickness. The analysis results have an important reference value for the design of membrane of differential pressure capacitance sensors.

Keywords: sensor membrane; pretension; deformation analysis; homotopy analysis; nonlinearity

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本文引用格式

赵昭, 雷华明. 差压式电容传感器膜片的变形分析与优化设计[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(3): 264-272 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.281

ZHAO Zhao, LEI Huaming. Deformation Analysis and Optimal Design of Membrane for Differential Pressure Capacitance Sensor[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2023, 57(3): 264-272 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.281

在工业生产和生活服务各领域中,电容式压力传感器广泛应用于流量、压力、液位和密度等方面的测量[1-4],其通过固定极板和动极板的间距变化实现压力的测量,而作为动极板的测量膜片是电容式压力传感器的核心元件.由于压力传感器的线性度和灵敏度直接受测量膜片变形特性的影响,所以设计合适的膜片模型对优化传感器性能具有重要的理论意义和实用价值.

极板受到压力的变化而产生挠度偏移,从而产生电容的变化,其输出电容与压力之间的关系存在较大的非线性.非线性误差一方面是由于在“位移-电容”的关系转换中,电容值与两极板的距离成反比例关系;另一方面是由于在“压力-位移”的关系转换中,极板在大挠度情况下,板的刚度随着挠度的增加而增加,挠度值不再与压力成正比[5].对于前者,采用差动结构的电容式传感器可以大大降低其非线性误差;对于后者,可对极板施加预张力,使其力学变形特性发生改变,挠度的非线性行为可以得到显著改善.

对于板的大挠度问题,通常使用von Kármán理论方程作为其控制方程,这是一个典型且极具挑战的非线性问题.长期以来,研究学者对大挠度方程的求解进行了大量研究,也取得了丰硕成果.Way于1934年首次采用级数解法给出大挠度理论与线性理论的差别.Vincent和钱伟长分别于1931年和1947年采用摄动法,分别以载荷和中心位移作为摄动参数求解了均布载荷作用下圆板的大挠度问题.近些年,陆续涌现出一些新的解析方法,不断提升求解的效率和精度,如同伦摄动法(HPM)[6]、小波数值法和同伦分析法(HAM)[7-8],其中HAM最具灵活性和一般性.然而以上对圆板大挠度的求解都没有研究横向载荷在与初始平面张力联合作用下的挠度非线性情况.

在研究圆薄板变形理论中,不可避免会涉及到板行为向膜行为的过渡问题,当板内的薄膜应力对板的平衡起绝对作用时,板的抗弯刚度可以忽略不计,进而用薄膜理论代替板的大挠度理论,von Kármán方程的求解难度得到降低.在此条件下,文献[9]推广了Hencky薄膜变换,得到圆薄膜在初始拉应力或压应力下的封闭解.求解虽然相对方便,但忽略了弯矩的影响,与von Kármán方程的解存在一定误差,并且当弯曲应力与薄膜应力相比越大时,误差也越大.

此外,利用能量法进行求解的相关研究包括:使用虚功原理对中心挠度进行求解[10];使用最小势能原理分析薄板的挠度与应力分布[11].文献[12]在合理假定边界条件的情况下,消除微分方程中的奇异性,获得近似解.这些方法都对von Kármán方程进行简化,确保了一定的求解精度,极大方便了工程应用,但显然无法满足本文精确研究圆薄板变形特性的需求. 此外,这类问题的数值解法也在不断发展,如有限元法(FEM)、有限差分法[13]、打靶法[14].数值计算通常可以得到令人满意的结果,但运算量大,且无法直观地给出各参量之间的解析关系,无法用于“挠度-电容”关系的研究.

在圆薄板受预张力下的线性理论研究基础上,推导出圆薄板受预张力下的非线性控制方程.使用HAM对控制方程进行求解,分析并讨论圆薄板在预张力和均布横向载荷作用下的变形特性以及中心挠度与压力的非线性偏差,给出测量膜片的预张力和厚度对差压式电容传感器输出特性的影响.

1 圆薄板变形的控制方程与边界条件

考虑图1所示半径为a、厚度为h的圆形夹支薄板受到单位长度的预张力N0与均布横向载荷q的联合作用,设薄板内任一点距离薄板圆心为r处的径向位移(加预张力后)为u,横向挠度为ω, 以及径向应变为εt,切向应变为εt,则大挠度板的应变可表示为

εr=dudr+12dωdr2+ε0εt=ur+ε0

式中:ε0=1-νN0Eh是由N0产生的初始薄膜应变,E为材料的弹性模量,ν为泊松比.极板材料选用铍青铜QBe2,相应取值E=130 GPa,ν=0.3.

图1

图1   受预张力与均布横向载荷作用下的夹支圆薄板示意图

Fig.1   Diagram of clamped circular thin plate subjected to pretension and uniform lateral load


根据弹性理论可得到:

Nr=Eh1-ν2(εr+νεt)= Eh1-ν2dudr+12dωdr2+νur+N0= N~r+N0Nt=Eh1-ν2(εt+νεr)= Eh1-ν2ur+νdudr+ν2dωdr2+N0= N~t+N0

式中:NrNt分别为单位长度的径向和切向薄膜张力;N~rN~t分别为由于板的挠曲变形而增加的径向和切向薄膜张力.

基于小转角的假设,通过对薄板内任一点r处的静力及力矩平衡分析,得到平衡方程为

dNrdr+Nr-Ntr=0
Qr=-Nrdωdr-1r0rqrdr
Dd3ωdr3+1rd2ωdr2-1r2dωdr=-Qr

式中:Qr;D=Eh3/[12(1-ν2)],为板的抗弯刚度.

结合式(2)~(5)即可得到von Kármán圆板大挠度控制方程:

rddr1rddr(r2Nr)+Eh2dωdr2=0
Dd3ωdr3+1rd2ωdr2-1r2dωdr=Nrdωdr+qr2

r=a时,边界条件为

ω=dωdr=0, rdNrdr+(1-ν)(Nr-N0)=0

当r=0时,dω/dr和Nr 均为有限值.由于Nr=N~r+N0,控制方程也可表示为

rddr1rddr(r2N~r)+Eh2dωdr2=0
Dd3ωdr3+1rd2ωdr2-1r2dωdr=(N~r+N0)dωdr+qr2

当圆板为小挠度即挠度相对于板厚为小量时,增加的薄膜张力N~r也很小,计算时可以忽略不计,此时控制方程可以简化为

 Dd3ωdr3+1rd2ωdr2-1r2dωdr=N0dωdr+qr2

文献[5]应用贝塞尔函数给出了式(10)的解为

ω^=q4N0(a2-r2)-qa22N0kI0(k)-I0kraI1(k)

式中: ω^为挠度的简化解;k为一种预张力的无量纲量,且k2=N0a2/D; I0为修正的零阶贝塞尔函数;I1为修正的一阶贝塞尔函数.

在小挠度的情况下,由式(11)可以看出各点的挠度ω^是随着压力q线性增长的.但随着圆板的挠度继续增大,相比板厚不再为小量时,因挠曲变形而增加的薄膜应力N~r不能忽略.

2 圆薄板变形分析与求解

引入以下无量纲参数:

y=r2a2, W=3(1-ν2)ωh φ(y)=ydWdy, Q=3(1-ν2)3(1-ν2)a4q4Eh4s(y)=3(1-ν2)a2NrEh3ys~(y)=3(1-ν2)a2N~rEh3S0=3(1-ν2)a2N0Eh3

其中: y为半径的无量纲量;W为挠度的无量纲量; φ为板斜度角的无量纲量;Q为压力的无量纲量;s为径向薄膜张力的无量纲量; s~为径向增加薄膜张力的无量纲量;S0为预张力的无量纲量.控制方程式(6)和(7)无量纲化为

y2d2φ(y)dy2-φ(y)s(y)-y2Q=0
y2d2s(y)dy2+12φ2(y)=0

y=0和y=1时,对应的边界条件分别为

 φ(0)=s(0)=0φ(1)=0, (μ-1)s(1)+S0=μs'(1)

式中:μ=21-ν.

为了方便求解,需进一步将微分方程转化成积分方程,使用解微分方程常见的格林函数法[15],得到等价的积分方程为

N1(y)=φ(y)+01K(y, ξ)1ξ2φ(ξ)s(ξ)dξ+Q2(y-y2)=0
N2(y)=s(y)-1201G(y, ξ)1ξ2φ2(ξ)dξ-S0y=0

式中: yξ为格林函数K(y,ξ)和G(y,ξ)的变量,0≤y,ξ≤1.函数表示为

K(y, ξ)=(-y+1)ξ,ξy(-ξ+1)y,ξ>y  G(y, ξ)=[(μ-1)y+1]ξ,ξy[(μ-1)ξ+1]y,ξ>y

HAM[16]是取得该方程近似解析解的一种有效方法.在已知QS0的情况下,构造如下零阶变形方程:

(1-p)Φ(y;p)-φ0(y)=pc[Φ(y;p)+ 01K(y, ξ)1ξ2Φ(ξ;p)Ψ(ξ;p)dξ+Q2(y-y2)]
(1-p)Ψ(y;p)-s0(y)=pc(Ψ(y;p)- 1201G(y, ξ)1ξ2Φ2(ξ;p)dξ-S0y)

式中: p为嵌入变量;c为收敛控制参数; φ0(y)s0(y) 为初始近似解.当p=0,可得Φ(y;0)=φ0(y), Ψ(y;0)=s0(y) ;当p=1,可得Φ(y;1)=φ(y), Ψ(y;1)=s(y). Φ(y;p)Ψ(y;p) 分别为函数φ(y)和s(y)的同伦形式.

关于变量p,Φ(y;p)Ψ(y;p)进行麦克劳林级数展开,得到:

Φ(y;p)=φ0(y)+n=1+φn(y)pnΨ(y;p)=s0(y)+n=1+sn(y)pn 

其中:

φn(y)=1n!nΦ(y;p)pnp=0sn(y)=1n!nΨ(y;p)pnp=0

如果以上级数在p=1时收敛,则可以得到级数解:

φ(y)=φ0(y)+n=1+φn(y)
s(y)=s0(y)+n=1+sn(y)

将零阶变形方程中p的同幂次项进行合并,得到n阶变形方程:

φn=λnφn-1+c[φn-1+i=0n-101K(y, ξ)1ξ2φi(ξ)sn-1-i(ξ)dξ+(1-λn)Q2(y-y2)]
sn=λnsn-1+c[sn-1-12i=0n-101G(y, ξ)1ξ2φi(ξ)φn-1-i(ξ)dξ-(1-λn)S0y]

由此,可以把式(19)和(20)的部分和作为式(15)和(16)的近似解析解:

φ`(y)=n=0mφn(y), s`(y)=n=0msn(y)

并且,可以将多项式函数作为解表达式的基函数,选择符合边界条件式(14)的初始近似解:

φ0(y)=y2-y, s0(y)=S0y

为提高求解效率,采用文献[16]中的迭代技术,将m阶的同伦近似解作为新的初始近似解进行M次迭代运算.借助MATLAB软件中的多项式系列函数进行迭代运算,可以获得良好的求解速度.另外收敛控制参数c的最优值选取主要依据控制方程式(15)和(16)的最小化平方余量残差:

Emin(c)=01[(N1(y))2+(N2(y))2]dy

表1为一部分不同S0和Q范围内,残差Emin<10-20的求解时间和参数设置,可以看出随着S0和Q的增大,收敛控制参数c越接近于0,方程的非线性不断增强.为了保证一定的求解精度,需要增加迭代的阶数m和次数M,求解时间也随之增长.

表1   部分不同S0Q范围的求解参数与求解时间

Tab.1  Solution parameters and solution time in different S0 and Q ranges

S0QmMcEmin计算时间/s
[0, 40][0, 400]2110-0.1(0, 10-20)0.07
[0, 150][0, 1 000]2300-0.04(0, 10-20)0.11
[0, 700][0, 4 200]4700-0.01(0, 10-20)0.35
[0, 1 500][0, 19 000]105000-0.001(0, 10-20)8.00

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FEM通常可以提供高精度的数值解,使用ANSYS有限元软件对计算数据做进一步对比验证.选择SHELL181单元构建圆薄板的实体模型,板的半径a=15 mm,板厚h=0.04 mm.SHELL181采用Reissner-Mindlin理论, 考虑了板横向剪切变形的影响, 从薄板到厚板都具有很强的适用性.使用HAM和FEM计算了有预张力和无预张力的解析解和数值解,圆板直径方向上的挠度曲线如图2所示,其中,实线表示HAM解,星号表示FEM解,可以看出HAM的挠度曲线与FEM的挠度曲线吻合度非常高.另外表2展示了当a=15 mm,h=0.04 mm时,在载荷 q=100,10,1 kPa下的6组FEM和HAM的中心挠度数据对比,显示最大的中心挠度结果偏差仅为0.38%.表中:ω0为中心挠度;结果偏差为FEM和HAM求解的挠度与FEM求解的挠度之比.由此对于夹支圆薄板的挠度变形问题,通过与FEM数值解的对比,验证了文中大挠度理论方程及近似解析解的有效性.

图2

图2   圆板直径方向上的FEM解与HAM解的挠度曲线对比图

Fig.2   Comparison of deflection curves between FEM and HAM solution in diameter direction of circular plate


表2   FEA解和HAM解的中心挠度对比

Tab.2  Comparison of center deflection between FEA and HAM solutions

q/kPaN0/
(N·m-1)
ω0/mm结果
偏差/%
FEMHAM
10020 0000.257 760.257 600.06
10000.644 180.642 880.20
102 0000.192 920.192 450.24
1000.295 530.295 380.05
12000.109 050.108 640.38
100.132 990.132 960.02

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3 挠度的非线性分析

由计算可知,预张力可以使挠度增长变慢并在一定范围内趋于线性,此时得到的简化线性解式(11)计算误差较小.随着压力q的增大,简化线性解的误差也越大,以中心挠度分析其非线性特性.

对解式(11)无量纲化为

W^=QS0(1-y)- QS032I0(2S0)-I0(2S0y)I1(2S0)

式中: W^ω^的无量纲化表达,且

W^=3(1-ν2)ω^/h

相应的中心挠度为

W^0=QS0-QS032I0(2S0)-I0(0)I1(2S0)

考虑中心挠度的线性偏差为

δ=(W^0-W0)/W0

由式(24)和(25)可得:

W0=Q1+δ1S0-1S032I0(2S0)-I0(0)I1(2S0)

F=11+δ1S0-1S032I02S0-I00I12S0,则W0=FQ.另外由W0=-01φ(ξ)ξdξ可得:

Q=-1F01φ(ξ)ξdξ

将式(27)带入式(15)可得:

φ(y)+01K(y, ξ)1ξ2φ(ξ)s(ξ)dξ-12F(y-y2)01φ(ξ)ξdξ=0

使用HAM求解式(28)和(16),即可得到不同δ值下的解析解.

δ=0.3%,1%,2%,3%,5%时,S0Q的对应关系如图3所示,其中关系曲线与横坐标分别相交于Q=0.519 2,0.903 6,1.289 9,1.594 9,2.097 9 的点上,表示为在无预张力作用下,达到相应线性偏差的无量纲压力值.各曲线的左边区域表明von Kármán方程求解得到的中心挠度线性偏差小于对应的值,同时也表明使用简化方程求解的挠度值具有相对可靠的精度.

图3

图3   不同中心挠度线性偏差下的S0Q的关系

Fig.3   S0 versus Q at different center deflection linear deviations


板抵抗外力变形的能力由弯曲内力和薄膜张力提供,而薄膜张力是由于板的绷紧拉伸变形而产生的平行于板中面的内力,由初始薄膜力和因挠曲变形而增加的薄膜力组成.在小挠度的情况下,增加的薄膜力可以忽略,弯矩、横向载荷以及初始薄膜力形成力学平衡,得到简化方程式(10),此时挠度值与压力成线性关系.当挠度随压力继续增大,增加的薄膜力随着板的进一步拉伸也逐渐增大, 此时由弯矩、初始薄膜力和增加的薄膜力共同抵抗横向载荷,形成大挠度控制方程组,其中式(8)表明增加的薄膜力N~r受挠度ω限制,而式(9)中的非线性项N~rdω/dr又反过来影响挠度方程的求解,导致挠度随压力的非线性增长.提高初始薄膜力,可以降低新增薄膜力在受力平衡时的占比,同时能提高板的刚度,减慢挠度的增长,进而限制新增薄膜力的增大,从而降低挠度解的非线性.图4(a)4(b)分别为在无量纲化预张力S0=0, 5, 30的情况下, 新增中心薄膜张力和中心挠度对线性偏差的影响.图中可以看出随着新增薄膜张力的变大,中心挠度的非线性不断增长,但是预张力越大,挠度的非线性增长越缓慢.

图4

图4   不同S0下中心挠度线性偏差的变化

Fig.4   Variation of linear deviation of central deflection at different S0 values


4 差压式电容传感器输出特性分析

为研究板的变形特性对电容式压力传感器输出特性的影响,利用差压式传感器的实例进行分析.图5所示传感器的固定电极结构为圆形平面电极,作为传感器中心电极的测量膜片半径为a=15 mm,膜片的厚度为h,固定电极平行于中心电极,其半径为b=10.5 mm,固定电极与中心电极的距离为 H=0.1 mm.

图5

图5   差压式电容传感器结构示意图

Fig.5   Structure diagram of differential pressure capacitance sensor


考虑差动结构中低压腔电极间的电容为C1,高压腔电极间的电容为C2,无压力时初始电容C0=C1=C2,真空介电常数为ε0,电介质的介电常数为εr,本文电介质按干燥空气进行计算且假设恒定,εr=1.000 53.则电容的计算公式分别为

C0=ε0εr0b2πrdrH
C1=ε0εr0b2πrdrH-ω(r)
C2=ε0εr0b2πrdrH+ω(r)

在差动电容结构中,将低压端和高压端电容的对比变化值(C1-C2)/(C1+C2)作为输出量,分析不同预张力下输出的非线性误差,同时考虑不同膜片厚度影响.以传感器量程500 Pa为例,考虑4种膜片厚度h=0.02,0.03,0.04,0.05 mm,如表3所示计算相应的无量纲压力值Q,并根据图3分别确定中心挠度线性偏差δ= 5%, 1% 时的无量纲预张力S0,然后计算不同压力及预张力下的挠度解析解,再通过电容计算公式得到传感器低压端及高压端的电容变化情况.图6表示0.05 mm厚的膜片在中心挠度线性偏差δ= 5%,1%下,低压端和高压端的压力-电容特性曲线,图中显示随着预张力增大,低压端及高压端电容的线性度得到提升,但灵敏度下降.

表3   500 Pa量程在不同膜厚和不同挠度线性偏差下的QS0

Tab.3  Q and S0 of 500 Pa range at different membrane thicknesses and deflection linear deviations

h/
mm
qmax/
Pa
Qmaxδ= 5%δ= 1%
S0N0/
(N·m-1)
S0N0/
(N·m-1)
0.025001 372.32289489.3514.6871.3
0.03500271.0893.3533.1168.5962.9
0.0450085.7740.6549.974.91 014.5
0.0550035.1320.5542.339.11 034.4

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图6

图6   不同挠度线性偏差下低压端和高压端压力-电容特性曲线(h=0.05 mm)

Fig.6   Pressure-capacitance characteristic curves of low and high pressure parts at different deflection linear deviations (h=0.05 mm)


利用得到图6的相同方法,除了可以得到其他膜厚下的压力-电容特性曲线,也可以得到压力与输出量(C1-C2)/(C1+C2)的特性曲线,使用最小二乘法对该特性曲线进行拟合,得到的拟合直线与原曲线的最大偏差除以满量程的输出量, 即为差压式传感器的非线性误差.各膜厚和挠度线性偏差下的灵敏度和输出非线性误差如表4所示,当δ= 5%时,传感器的非线性误差为0.90%左右,但当δ= 1%时,随着预张力的增大,传感器的非线性误差减小到0.17%左右,由此可知膜片中心挠度的非线性对差压式传感器输出的非线性影响非常大.随着非线性误差得到改善,灵敏度也随之降低,而根据表4中结果可知,降低膜厚可以弥补灵敏度上的损失,这表明在中心挠度线性偏差不变的情况下,减小膜厚可以提高板的挠度.

表4   不同膜厚和不同挠度线性偏差下的灵敏度和输出非线性误差

Tab.4  Sensitivity and output nonlinearity at different membrane thicknesses and different deflection linear deviations

h/mmδ= 5%δ= 1%
低压端
灵敏度/(pF·Pa-1)
高压端
灵敏度/(pF·Pa-1)
非线性
误差/%
低压端
灵敏度/(pF·Pa-1)
高压端
灵敏度/(pF·Pa-1)
非线性
误差/%
0.020.039 4-0.016 80.860.018 3-0.011 30.15
0.030.030 8-0.015 00.940.015 1-0.010 00.17
0.040.025 8-0.013 70.950.013 2-0.009 10.18
0.050.022 4-0.012 60.940.011 7-0.008 40.18

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5 测试结果

图7(a)为制作的差压式电容传感器,膜片材料为QBe2膜片,壳体材料为黄铜,使用机械拉伸结构获得预张力,考虑传感器性能要求及加工性,传感器的实际结构参数如表5所示. 表中:H1为低压腔极板间距;H2为高压腔极板间距.

图7

图7   传感器测试系统

Fig.7   Schematic diagram of sensor test system


表5   传感器实际结构参数

Tab.5  Actual structure parameters of sensor

传感器参数数值传感器参数数值
a/mm15H1/mm0.32
h/mm0.02H2/mm0.34
b/mm10.5N0/(N·m-1)840

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利用高精度数字电容转换芯片PCap02实现对传感器电容数据的测量[17].利用图7(b)所示的测试系统对制作的传感器进行加压测试,以每次20 Pa的步进由0加压至500 Pa,测试的结果具体见图8.对测试数据进行最小二乘直线拟合,得到非线性误差为0.58%,理论计算值的非线性误差为0.28%,由于测试设备精度与测试环境的影响,测试结果虽然与计算存在一定偏差,但仍能表明在预加适当初始张力的情况下,传感器具有较好的非线性性能.同时观察到测试值大于计算值,造成这类误差的原因可能与传感器结构的加工有关,或者受温度影响材料的性能参数产生一些偏离,但测试结果与理论分析的方向在一定程度上表现一致.

图8

图8   计算及测试的传感器特性

Fig.8   Characteristics of calculated and tested sensors


6 结论

本文研究了夹支圆板在预张力和均布横向载荷联合作用下的挠曲变形问题,参照von Kármán方程推导了相关公式,应用HAM并借助计算机程序求解出了近似解析解,同时对比FEM的数值解,验证了理论公式及求解方法的有效性.此外,通过对简化线性解和精确非线性解的对比分析,发现新增薄膜张力是造成板挠度非线性变化的主要因素.并得到了不同中心挠度线性偏差下的预张力和横向均布载荷的关系:预张力越大,横向均布载荷越小,板挠度的线性偏差越小.

研究板挠度的非线性特性对掌握电容式压力传感器的输出特性具有重要的现实意义.利用板挠度的非线性理论结果,可以指导差压式电容传感器测量膜片的参数设计,并以一种差压式电容传感器的结构为例,按照中心挠度线性偏差δ在5%和1%的情况下,计算传感器的非线性误差.结果表明:δ=5%时的非线性误差是δ=1%时的5倍左右,预张力可以显著降低传感器输出的非线性误差,至于预张力增加而带来的灵敏度降低的问题,可以通过减小膜片的厚度来弥补.最后,结合差压式电容传感器的性能测试,验证了本文对膜片预张力和非线性进行计算分析的合理性和正确性.

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In this study, the problem of axisymmetric deformation of peripherally fixed and uniformly laterally loaded circular membranes with arbitrary initial stress is solved analytically. This problem could be called the generalized Föppl–Hencky membrane problem as the case where the initial stress in the membrane is equal to zero is the well-known Föppl–Hencky membrane problem. The problem can be mathematically modeled only in terms of radial coordinate owing to its axial symmetry, and in the present work, it is reformulated by considering an arbitrary initial stress (tensile, compressive, or zero) and by simultaneously improving the out-of-plane equilibrium equation and geometric equation, while the formulation was previously considered to fail to improve the geometric equation. The power-series method is used to solve the reformulated boundary value problem, and a new and more refined analytic solution of the problem is presented. This solution is actually observed to be able to regress into the well-known Hencky solution of zero initial stress, allowing the considered initial stress to be zero. Moreover, the numerical example conducted shows that the obtained power-series solutions for stress and deflection converge very well, and have higher computational accuracy in comparison with the existing solutions.

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Elastic large deflections of a clamped circular plate subjected to uniform normal pressure are governed by a system of ordinary nonlinear differential equations of the fifth order. The solution of the system must satisfy the given boundary conditions at the centre and the edge of the plate. An analytical solution of this boundary-value problem is not feasible. The numerical solution of the problem using the shooting method is reported in this paper. Integration of differential equations is carried out by the Runge–Kutta method. The method of embedded polygons is used to find initial values of deflections at the edge of the plate. The idea of the method is to construct a sequence of embedded polygons in Euclidean phase space that converge to a single point that maps the desired solution. Polygon vertices are determined under the assumption that each of the boundary conditions is a function of only one of the unknowns in the set of initial conditions. On the basis of this algorithm, a computer program has been developed. Numerical examples illustrate the capabilities of the program. The results of solving examples are presented in the form of graphs of distributions of deflections and stresses in the plate.

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