CN113221420B - 一种基于ansys软件的传感器电容误差评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于传感器和计算机技术领域，具体的说是涉及一种基于ANSYS软件的传感器电容误差评估方法。本发明首先建立传感器仿真模型，划分网格，施加压力载荷，进行静态结构力学仿真，得到中心挠度仿真值W，计算中心挠度理论值W0；判断中心挠度误差是否满足要求，如果不满足则继续优化网格质量；采取微元电容离散法来计算电容仿真值C，计算电容理论值C0；比较电容理论值C0和仿真值C，判断电容误差是否满足要求，如果满足，则误差评估结束；如果不满足，则继续判断仿真电容误差能否满足要求；如果仿真电容误差满足要求，继续优化网格质量，如果不满足，继续优化电容计算方法。本发明克服了目前传感器误差评估中仅有的应力和形变的误差评估的不足之处。

Description

一种基于ANSYS软件的传感器电容误差评估方法
技术领域
本发明属于传感器和计算机技术领域，具体的说是涉及一种基于ANSYS软件的传感器电容误差评估方法。
背景技术
电容式压力传感器具有灵敏度高、温度漂移小、结构更健壮、功耗低、对环境影响的灵敏度低等优点，主要应用于汽车系统、工业控制、环境监测、航天航空等领域，工作环境较为复杂，容易受到高温、盐雾、振动环境载荷影响，很难在直接监测传感器在复杂情况下工作能力，对传感器进行有限元仿真和误差评估，有利于直接从仿真分析中准确了解传感器的工作能力和工作状态。
根据传感器的工作环境，在确保传感器模型的边界约束条件合理的情况下，施加静态压力载荷，对传感器进行静态结构力学仿真，此时传感器的误差主要来源于网格单元的离散误差和电容计算方法的误差。目前，传感器的误差分析主要包括有限元仿真方法误差分析、奇异点单元附件网格离散误差分析和“比较分析”方法，重点研究应力和形变仿真结果误差。由于ANSYS无法直接得到电容仿真结果，需要通过传感器的形变，采用高精度的电容计算方法计算出传感器的电容值，传感器的电容误差分析不仅包括有限元仿真方法的误差和网格离散化误差，还应包括电容计算方法的误差，基于ANSYS仿真软件的传感器电容误差评估方法还未出现。在ANSYS有限元分析软件中，传感器电容计算方法一般通过仿真得到中心挠度和接触半径，再采用挠度理论来计算传感器的仿真电容，由于在接触工作状态下，传感器敏感膜和衬底出现较小的接触穿透，很难找准接触半径，挠度理论计算出的电容准确度低。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于ANSYS软件的传感器电容误差评估方法，结合中心挠度误差评估和电容误差评估，判断电容误差是否满足要求和误差的主要来源，通过减小网格离散误差和计算方法误差，从而获得较为精确电容值。
本发明的技术方案是：
一种基于ANSYS软件的传感器电容误差评估方法，包括以下步骤：
S1、根据传感器电容结构参数和工作环境，在ANSYS软件上建立传感器仿真模型，并确定边界约束条件；
S2、对传感器仿真模型进行网格划分；
S3、施加压力载荷，进行静态结构力学仿真，得到中心挠度仿真值W，并通过挠度理论计算中心挠度理论值W0；
S4、比较中心挠度理论值W0和仿真值W，判断中心挠度误差是否满足要求，若是，则进入步骤S5，否则回到步骤S2重新进行网格划分；
S5、提取传感器发生形变后网格点坐标值，采取微元电容离散法来计算电容仿真值C，并通过挠度理论计算电容理论值C0；
S6、比较电容理论值C0和仿真值C，判断电容误差是否满足要求，若是，则误差评估结束，得到满足误差要求的电容值，否则，进入步骤S7；
S7、通过挠度理论计算中心挠度为W时的传感器电容C1，比较微元电容离散法计算的电容仿真值C和挠度理论计算出的电容仿真值C1，判断仿真电容误差能否满足要求，若是，则回到步骤S2重新进行网格划分，否则，进入步骤S5，采用MATLAB中meshgrid和griddata函数将电容器离散成更多的元电容，继续计算电容仿真值C。
进一步的，步骤S5中所述微元电容离散法为映射法和加密法，使用加密法计算传感器空腔的电容，使用映射法求解传感器环带电容；加密法和映射法的具体方式可参考申请号为202010573493.3的中国专利申请，这种计算方法是利用微元思想将电容器离散成有限个电容之和，(简称“微元电容离散法”)，该方法能比较精确计算传感器的电容仿真值。
本发明的有益效果是：本发明首先评估中心挠度误差，判断网格离散误差是否满足要求，再对传感器电容误差进行评估，判断仿真电容求解方法误差是否满足要求；本发明补充了目前传感器误差评估中仅有的应力和形变误差评估方法，详细描述了传感器电容误差评估的具体流程；通过挠度理论计算法和微元离散电容法求解仿真电容，判断电容误差的主要来源，为提升仿真结果准确度提供思路；本发明创新性提出了电容式压力传感器的电容误差评估方法，为ANSYS软件电容式压力传感器电容误差提供指导。
附图说明
图1为传感器电容误差评估方法的总体流程示意图；
图2为电容式压力传感器电容误差评估的具体流程示意图；
图3为电容式压力传感器仿真模型示意图；
图4为电容式压力传感器中心挠度值和中心挠度误差结果图；
图5为电容式压力传感器电容值和电容误差结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案。
图1是传感器电容误差评估方法的总体流程示意图，首先建立传感器仿真模型并确定边界约束条件；网格划分和优化网格质量；施加压力载荷，进行静态结构力学仿真，得到中心挠度仿真值W，并计算中心挠度理论值W0；比较在中心挠度理论值W0和仿真值W，判断中心挠度误差是否满足要求，如果不满足要求则继续优化网格质量；提取传感器发生形变后的网格点坐标值，采取微元电容离散法来计算电容仿真值C，并通过挠度理论计算电容理论值C0；比较电容理论值C0和仿真值C，判断电容误差是否满足要求，如果满足，则误差评估结束；如果电容误差不满足要求，通过挠度理论计算中心挠度为W时的仿真电容C1，比较微元电容离散法计算的电容仿真值C和挠度理论计算的电容仿真值C1，并判断仿真电容误差能否满足要求；如果仿真电容误差满足要求，误差主要来源网格离散误差，则继续优化网格质量，如果不满足，误差来源于电容计算方法，则继续优化电容计算方法。如图2所示，本发明的具体实施步骤如下：
步骤1、建立传感器仿真模型并确定边界约束条件，电容式压力传感器仿真模型如图3所示，主要由SiC衬底、SiC敏感膜和SiO2绝缘层、SiO2钝化层、空腔和欧姆电极组成，空腔高度为6.3μm，敏感膜半径为1400μm，敏感膜厚度为26μm，传感器的边界约束条件主要由实际工作环境确定。
步骤2、采用高精度的网格划分方法，对电容式压力传感器仿真模型进行网格划分，并优化网格质量，使得网格离散化误差尽可能小。
步骤3、施加载荷，进行静态力学仿真，得到中心挠度仿真值W，同时通过挠度理论计算出中心挠度理论值W0，如图4所示，得到在未接触状态中心挠度曲线。
步骤4、比较中心挠度仿真值W和理论值W0，图4所示的中心挠度误差小于10％，判断中心挠度误差是否满足要求，如果满足要求，则继续优化网格质量。
步骤5、利用挠度理论计算出传感器电容理论值C0，同时，提取出发生形变后传感器敏感膜和绝缘层的坐标值，采用加密法和映射法，通过MATLAB软件计算出传感器的仿真值C，如图5所示，得到传感器的电容曲线。
步骤6、比较电容式压力传感器的电容理论值和仿真值，图5中电容误差小于1％，判断误差是否满足要求，如果满足要求，则传感器的电容误差评估结束。
步骤7、当电容误差不满足要求时，通过挠度理论计算中心挠度为W时，传感器的仿真电容C1。
步骤8、比较用挠度理论计算的C1和用微元离散电容法求解的C，判断仿真电容误差能否满足要求。如果满足要求，则说明仿真电容误差主要来源网格离散误差；如果不满足要求，则说明仿真电容误差主要来源计算方法误差，继续优化计算方法，将传感器离散成更多的电容之和，再次求解传感器电容仿真值。
本次发明克服了ANSYS误差评估中仅有的应力和形变误差评估方法的不足之处，结合中心挠度误差评估和电容误差评估，判断误差的主要来源，得到符合误差要求的电容值，为电容式压力传感器电容误差评估提供指导。

Claims (1)

1.一种基于ANSYS软件的传感器电容误差评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据传感器电容结构参数和工作环境，在ANSYS软件上建立传感器仿真模型，并确定边界约束条件；所述传感器仿真模型为电容式压力传感器仿真模型，由SiC衬底、SiC敏感膜和SiO2绝缘层、SiO2钝化层、空腔和欧姆电极组成，其中空腔高度为6.3μm，敏感膜半径为1400μm，敏感膜厚度为26μm，传感器的边界约束条件由实际工作环境确定；
S2、对传感器仿真模型进行网格划分；
S3、施加压力载荷，进行静态结构力学仿真，得到中心挠度仿真值W，并通过挠度理论计算中心挠度理论值W0；
S4、比较中心挠度理论值W0和仿真值W，判断中心挠度误差是否满足要求，若是，则进入步骤S5，否则回到步骤S2重新进行网格划分；
S5、提取传感器发生形变后网格点坐标值，采取微元电容离散法来计算电容仿真值C，并通过挠度理论计算电容理论值C0；所述微元电容离散法为映射法和加密法，使用加密法计算传感器空腔的电容，使用映射法求解传感器环带电容；
S6、比较电容理论值C0和仿真值C，判断电容误差是否满足要求，若是，则误差评估结束，得到满足误差要求的电容值，否则，进入步骤S7；
S7、通过挠度理论计算中心挠度为W时的传感器电容C1，比较微元电容离散法计算的电容仿真值C和挠度理论计算出的电容仿真值C1，判断仿真电容误差能否满足要求，若是，则回到步骤S2重新进行网格划分，否则，进入步骤S5，采用MATLAB中meshgrid和griddata函数将电容器离散成更多的元电容，继续计算电容仿真值C。
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