基于comsol反射式氣動傳感器有限元仿真分析與研究

摘? 要：基于反射式氣動傳感器的原理，對反射式氣動傳感器內部流場建立二維模型，利用有限元分析軟件COMSOL進行仿真，分析反射式氣動傳感器結構參數對測量特性的影響。實驗結果表明，仿真反射式氣動傳感器流場的分析結果可以作為設計流體傳感器的依據。

關鍵詞：反射式氣動傳感器;有限元分析;COMSOL

引言

氣動測量以壓縮空氣為介質，噴嘴噴出氣體到被測物表面，管路中氣體的壓力或流量隨著噴嘴與被測物之間的間隙變化而變化，把物體尺寸變化量轉變為流體流量或壓力的變化[1.2]。反射式氣動傳感器量程一般為4～6mm，精度為0.1～0.05mm，在測量范圍內有非線性的特點。通過COMSOL仿真軟件，對反射式氣動傳感器內部流場進行仿真，優化反射式氣動傳感器的結構參數和氣動參數提高測量精度和靈敏度。

1 反射式氣動傳感器

1.1 反射式氣動傳感器工作原理

反射式氣動傳感器的工作原理如圖1，氣體經過過濾、穩壓后壓力恒定為Ps，然后通過內徑為Di外徑為D0的噴嘴向外噴射氣體，當噴嘴前方被測物體進入測量范圍內，氣流經過被測物表面反射進入接受管，接受管內氣體壓力P0隨著測量間隙S的變小而增大，將尺寸或位移變化量轉為壓力的變化。

經過理論推算可以近似得到反射式氣動傳感器的測量特性方程：

式中C2為近似常數[3]。

1.2反射式氣動傳感器氣體流場

有限元分析法是把無限無邊界的物理問題建立模型，把模型分解為有限個小的單元的集合體，然后對小單元施加條件，如果條件滿足連續性，可以得出整體模型的解。

反射式氣動傳感器是使用壓縮氣體測量，使用的壓縮氣體一般為低壓氣體，氣體速度低于0.3馬赫，通過計算雷諾系數流場為不可壓縮的湍流模型。在COMSOL軟件中使用Navier-Stokes 方程計算不可壓縮湍流流體的動量方程。

1.3 反射式氣動傳感器噴嘴結構

反射式氣動傳感器內部氣體流過的流場為三維模型，離散三維模型網格數會很多，計算很困難，根據資料，使用軸對稱二維模型代替是可行的。反射式氣動傳感器的噴嘴結構如圖2所示，噴嘴的結構參數為環形氣隙間距h，環形氣隙內徑Di外徑D0，噴嘴外環外傾角β、內傾角α、壁厚S2，噴嘴內外環軸向距離S1接受管直徑D，和氣阻結構尺寸b，噴嘴管環形間距h`。

2 有限元分析

2.1有限元建模

通過COMSOL進行建模仿真，對反射式氣動傳感器流場進行分析，首先選擇湍流模型，然后畫制流場的二維模型，如果使用COMSOL自帶的制圖不方便畫復雜的圖形，還可以導入CAD畫的dxf文件。建立好二維模型后，添加流體模型的材料為空氣。

2.2 COMSOL仿真條件及求解

在COMSOL軟件中建立好模型后，通過對模型施加邊界條件完成求解。

⑴對模型定義入口出口，氣壓為輸入壓力（例如0.2MPa），出口壓力為0。

⑵空氣的性質常數軟件自帶，因為氣流為湍流，為了得到收斂的解，所以在Navier-Stokes 方程中非自洽穩定中的同性擴散系數調整為0.5以上。

⑶對模型劃分網格，添加穩態研究，進行計算，求解。

⑷通過COMSOL軟件計算可以得到模型的壓力分布圖得到出口壓力。

2.3 有限元仿真結果分析

對仿真模型每次改變測量距離，每次改變0.05mm得到的壓力值，繪制輸出壓力與測量距離的曲線圖。為了確定每個結構參數的最佳值，以現有的FESTO RML-4.8-S型反射式氣動傳感器結構參數為基礎，每次只改變一個結構參數進行仿真，得到測量曲線圖并分析，確定最佳參數。

通過建模仿真對比分析，優化后的反射式氣動傳感器最優結構的模型仿真比優化前提升巨大，測量靈敏度和測量曲線線性變好，在0～6mm之間都有很好的輸出壓力和曲線線性。對比仿真優化前，反射式氣動傳感器的測量效果提升明顯

3 實驗驗證

為了驗證反射式氣動傳感器仿真結果組裝實驗裝置。由微動臺帶動被測物，最佳尺寸參數的反射式氣動傳感器測量被測物體（標準量塊），通過壓力傳感器把反射式氣動傳感器的輸出壓力轉變為電壓變化，在經過處理電路和16位的采集卡采集電壓輸入電腦，在電腦上的Labview編寫的程序進行曲線擬合和數據顯示。反射式氣動傳感器與量塊之間的距離由微動臺控制，從0 mm開始調整到6mm讀取測量的電壓值。

4 結語

使用有限元分析法，用COMSOL軟件對反射式氣動傳感器內部流場建模分析，仿真分析并優化反射式氣動傳感器的結構參數，優化后的測量曲線比優化前提升巨大，并通過實驗驗證優化后的反射式氣動傳感器測量特性與仿真結果一致。對反射式氣動傳感器流場仿真分析的結果可以作為依據設計反射式氣動傳感器，為以后設計流體傳感器設計提供了分析方法和設計依據。

參考文獻

[1]? 劉玉初.氣動量儀[M].北京：機械工業出版社，1991.

[2]? TKAMASU K，KUO C-C，et al.Development of a Pneumatic Ball Probe[J].Precision Engineering，1991，33（3）：233-238.

[3]? 孫軍，鄧善熙.尺寸測量氣電式傳感器的研究[J].儀器儀表學報，1996，17（1）：95-98.

作者簡介：史可（1993-），碩士研究生，合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，230009合肥市，研究方向：精密機械系統設計。