基于COMSOL Multiphysics電渦流傳感器的仿真和設(shè)計

1、匯報人：方超匯報人：方超時間：時間： 2013 2013年年5 5月月2323日日基于基于COMSOL MultiphysicsCOMSOL Multiphysics電渦流電渦流傳感器的仿真和設(shè)計傳感器的仿真和設(shè)計電渦流傳感器(Eddy Current Sensor)是電感式位移傳感器的一種，它的最大的特點是能夠?qū)ξ灰?、厚度、材料探傷等進(jìn)行非接觸連續(xù)的測量，頻率響應(yīng)特好，彌補(bǔ)了其它電感傳感器的不足。 探頭是電渦流傳感器重要的組成部分，其性能的好壞直接影響到電渦流傳感器的檢測質(zhì)量。渦流檢測探頭的結(jié)構(gòu)是由線圈繞組以及骨架和外殼組成，為了增強(qiáng)線圈的聚磁能力和提高電渦流傳感器的靈敏度，有些還用到磁芯。

2、 在電渦流傳感器的硬件實現(xiàn)之前，可以通過數(shù)值方法來模擬電渦流傳感器，以節(jié)省硬件設(shè)計的時間和成本。通常電渦流傳感器的電磁機(jī)理非常復(fù)雜，用精確數(shù)學(xué)解析表達(dá)式去計算存在著很大的困難，為此本文利用COMSOL Multiphysic對電渦流傳感器探頭的電磁場和影響其性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)因數(shù)進(jìn)行了仿真和分析，為電渦流傳感器的設(shè)計和制作提供了一定的借鑒和幫助。電渦流傳感器位移測量原理 用一個通有交變電流i，的扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，由于電流的變化，在線圈周圍就會產(chǎn)生交變的磁場Hl，由電渦流效應(yīng)，金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生電渦流，電渦流也是交變的，將產(chǎn)生交變的磁場H2，H2的方向和H1的方向相反，因此部分的抵消H1線圈磁場

3、，從而使產(chǎn)生磁場的線圈的阻抗、電感、品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。usi被測導(dǎo)體中電渦流的大小和金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率 、電阻率 、金屬導(dǎo)體的厚度 、通過探頭線圈的電流強(qiáng)度 。頻率 、以及其與金屬導(dǎo)體之間的距離 有關(guān)，進(jìn)而線圈的阻抗可以表示為：ftH( , , , , , )sZ Fut i f H當(dāng)上面參數(shù)中的一個參數(shù) 發(fā)生變化，其它參數(shù)不變時，探頭線圈阻抗Z就成為 的單值函數(shù)，當(dāng)被測體與傳感器之間的相對位置發(fā)生改變時，電渦流傳感器的電參數(shù)也隨之發(fā)生變化，把位移量的變化轉(zhuǎn)為電信號的變化，這是電渦流傳感器進(jìn)行位移測量的基本原理。HH由于電渦流檢測系統(tǒng)的電磁場屬于似穩(wěn)交變場，電渦流傳感器檢測線圈為軸對稱結(jié)構(gòu)，被測

4、導(dǎo)體也可視為軸對稱的結(jié)構(gòu)，這樣便可將電渦流檢測系統(tǒng)三維渦流場的一般問題轉(zhuǎn)化為軸對稱似穩(wěn)交變電磁場問題。線圈周圍的電磁場分布圖和被測金屬表面的渦流分布圖。d1=6d2=12從圖中可以看出，當(dāng)線圈距被測金屬板距離越近時，在金屬板上所激發(fā)的電渦流越強(qiáng)。渦流探頭的磁場分布也會發(fā)生相應(yīng)的變化，由于電渦流探頭電磁場和被測金屬導(dǎo)體中渦流所產(chǎn)生的電磁場相互作用，從而使電渦流探頭的阻抗發(fā)生改變，上面的電磁模擬可以清晰地看出電渦流傳感器的基本工作機(jī)理。通過線圈截面的總電流一定的情況下，通過改變探頭線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析其對電渦流傳感器探頭性能的影響。 在給探頭線圈加載的 頻率、被測體材料不變和通過線圈截面的總電流一

5、定的情況下，在距離相同時，外徑小的(2線圈)在線圈軸線上某一點所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大，當(dāng)線圈離被測體的距離發(fā)生變化時，從曲線的變化趨勢來看，外徑大(1，3，4線圈)的線性范圍大，但是曲線的斜率較小，即靈敏度不及線圈外徑小的，說明增大探頭線圈的外徑有利于提高電渦流傳感器的線性范圍，但不利于改善靈敏度。從1線圈和3線圈的比較結(jié)果來看，線圈3的靈敏度較線圈1要高，說明探頭線圈的厚度越薄，其靈敏度就越高。設(shè)計了一種放置反射式點渦流傳感器探頭，繞在線圈骨架上的是一個環(huán)形的扁平空心線圈，線圈和線圈骨架一起置于環(huán)形的電渦流探頭殼體內(nèi)。rb=12ra=8h=2N=89rb=10ra=8h=2N=45rb=12r

6、a=8h=1N=45rb=10ra=9h=2N=67四種不同參數(shù)線圈的探頭做實驗分析(mm)基于基于COMSOLCOMSOL軟件下截錐體電阻的軟件下截錐體電阻的計算計算 穩(wěn)恒條件下導(dǎo)體內(nèi)電勢、電流的分布，不規(guī)則或不均勻?qū)w電阻的計算等問題是電磁學(xué)教學(xué)的基本問題。 有一些微電子器件呈錐體形狀，例如真空微電子器件中最常用的陰極就是尖錐，其電阻可影響尖錐的場致發(fā)射特性因此對截錐體中電勢、電流的分布以及截錐體電阻等問題的討論不僅對電磁學(xué)研究有很好的參考價值，而且也有一定的實際意義。電磁學(xué)教材中主要應(yīng)用公式 嘗求解截錐體的電阻，這種方法在截錐體兩端面半徑近似相等(即截錐體近似于圓柱體)時是一種比較好的近

7、似方法；但兩端面半徑相差較大時，該方法誤差就較大，不夠準(zhǔn)確。dlRS本文應(yīng)用Comsol軟件可方便、形象地顯示出截錐體內(nèi)電勢、電流的分布，從而求出電阻。截圓錐體電阻率為 ;長為L；兩端面的半徑分別為a、b；試計算此錐體兩端面之間的電阻。dlRS方法一：應(yīng)用公式 求解，截錐體的電阻為:0LRab此方法相當(dāng)于將截錐體看成垂直于軸的一系列薄片串聯(lián)而成，若在兩端面加上一定的電勢差，則在截錐體內(nèi)的等勢面為垂直于軸的一系列平面，電流將平行于軸向流動，這顯然不妥。尤其在兩端面半徑相差較大時，會產(chǎn)生較大誤差。方法二 通過邊值問題求解方法三 用Comsol軟件求解截錐體電阻 4 5 3 從圖中可以看出，它完全符

8、合穩(wěn)恒電場的規(guī)律，結(jié)果是比較準(zhǔn)確的從圖3圖5中可以看出，等勢面不是垂直于軸的平面，而是近似于球冠面，隨著a/b的增大，等勢面越來越接近于平面。從圖6可以看出，電流并不是沿軸向傳播，在左右兩端面處，電流垂直于端面，在中段電流呈分散形，在側(cè)面與端面交界處，沒有電流線，電流為零這是由于電場線既要平行于側(cè)面，又要垂直于端面，因此在其交界處電場為零，從而電流為零。我們進(jìn)一步討論了截錐體的電阻圖7給出了兩端面半徑比例(a/b)不同時的電阻R/R0的值(其中 ,方法1的結(jié)果)從圖中可以看出， R/R0始終大于1，即RR。，且R/R0隨a/b的增大而減小,當(dāng)a/b=0.7時，R1.03R0，用方法1求解誤差約

9、3%。因而在精度要求不高的情況下，a/b0.7時可用方法1近似求解，當(dāng)a=b,R=R0。截錐體即為圓柱體，與圓柱體電阻結(jié)論一致0LRabCyclic voltammetry simulation at microelectrode arrays with COMSOL MultiphysicsThe present paper reports the results obtaied applying the general purpose software COMSOL Multiph-ysics to the finite elements simulation of CyclicVolta

10、mmetries (CVs) at microelectrodes arrays (MEA).規(guī)則的微電極陣列的俯視圖形，其中Rb是半徑，d是電極中心距離，R0是參變量a:Rb=0.1um,R0=20umb:Rb=1um,R0=20umc:Rb=10um,R0=20um一圖a:Rb=10um,R0=20umb:Rb=10um,R0=50umc:Rb=10um,R0=100um二圖Rb=0.1um,R0=10umNa=1027;Nb=1636;Nc=3951;三圖Table 2 reports the maximum current densities obtained in this inve

11、stigation and those obtained by Compton et al.Results are in good agreement and demonstrate the effectiveness of the use of a multipurpose software for such simulations.四圖Rb=10um,R0=100um;ha=100um;hb=33um;hc=10um;五圖The more complex is the geometry and the largeris the advantage in using such software. Under such contexta work with the main purpose of assessing the accuracy