基于COMSOL仿真軟件的電渦流傳感器教學(xué)探索

摘要：為了提升課堂教學(xué)效果，輔助學(xué)生理解電渦流傳感器的檢測(cè)原理及相關(guān)抽象概念，采用COMSOL仿真軟件，構(gòu)建了電渦流傳感器探頭線圈的仿真模型，并采用有限元的分析方法對(duì)其進(jìn)行求解計(jì)算。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，學(xué)生可以直觀地看到，當(dāng)渦流線圈激勵(lì)頻率、提離距離、線圈內(nèi)徑、線圈外徑和線圈厚度變化時(shí)，電渦流傳感器的檢測(cè)靈敏度將隨之發(fā)生變化，有助于學(xué)生對(duì)電渦流傳感器相關(guān)知識(shí)的理解和掌握，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和思考深度。

關(guān)鍵詞：電渦流傳感器有限元仿真探頭線圈教學(xué)探索

中圖分類號(hào)：G642.0

ExplorationoftheTeachingofEddyCurrentSensorsBasedonCOMSOLSimulationSoftware

CHENGZhenzhen*LIRuizhiQILinLIANGChengwu

HenanUniversityofUrbanConstruction，Pingdingshan，HenanProvince，467041China

Abstract：Inordertoimprovetheeffectivenessofclassroomteachingandassiststudentsinunderstandingthedetectionprincipleandrelatedabstractconceptsofeddycurrentsensors，thispaperusesCOMSOLsimulationsoftwaretoconstructasimulationmodeloftheprobe4L1uZXQ+0nKwTk39aBlT98eSJoPDp5PNOEAWCctUpLE=coiloftheeddycurrentsensor，andusesthefiniteelementanalysismethodtosolveandcalculateit.Throughtheanalysisofsimulationresults，studentscanintuitivelyseethatwhentheexcitationfrequency，lift-offdistance，innerdiameter，outerdiameterandthicknessoftheeddycurrentcoilchange，thedetectionsensitivityoftheeddycurrentsensorwillchangeaccordingly，whichhelpsstudentsunderstandandmastertherelevantknowledgeofeddycurrentsensors，andimprovestheirenthusiasmforlearninganddepthofthinking.

KeyWords：Eddycurrentsensor;Finiteelement;Simulation;Probecoil;Teachingexploration

電渦流傳感器是一種非接觸式傳感器，具有長(zhǎng)期工作可靠性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械位移、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、金屬材料鑒別、無(wú)損探傷等技術(shù)領(lǐng)域[1-3]。因此，在“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”“傳感器原理及應(yīng)用”等課程中，電渦流傳感器是十分重要的教學(xué)內(nèi)容。但電渦流傳感器相關(guān)知識(shí)點(diǎn)理論性強(qiáng)、概念和公式繁多，被學(xué)生認(rèn)為是比較難學(xué)的課程內(nèi)容。如何利用現(xiàn)代化的手段化解抽象的教學(xué)難點(diǎn)，讓學(xué)生更加直觀地、低成本地掌握電渦流傳感器的檢測(cè)原理、檢測(cè)性能等知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)一步提升教學(xué)效果，是傳感器類課程的授課教師面臨的新挑戰(zhàn)和必須解決的問(wèn)題。近年來(lái)，將專業(yè)化的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用至專業(yè)課的教學(xué)過(guò)程中，成為了教學(xué)改革的研究熱點(diǎn)[4-8]。其中，COMSOLMultiphysics（簡(jiǎn)稱COMSOL）對(duì)于多物理場(chǎng)工程領(lǐng)域的仿真具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，既可以對(duì)單個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，又可以對(duì)多個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行耦合模擬仿真。基于這一優(yōu)點(diǎn)，COMSOL可以模擬更加真實(shí)的工程應(yīng)用場(chǎng)景，使得仿真數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值大幅提升，在電磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

本文針對(duì)電渦流傳感器檢測(cè)性能的影響因素分析，采用COMSOL仿真軟件，建立了電渦流傳感器探頭線圈的仿真模型。根據(jù)仿真結(jié)果，學(xué)生能夠直觀地觀察到不同線圈參數(shù)下的被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)渦流分布和渦流線圈周圍磁場(chǎng)的分布情況，有助于學(xué)生對(duì)電渦流傳感器的檢測(cè)原理及其檢測(cè)特性的學(xué)習(xí)。此方法也可以推廣到其他教學(xué)過(guò)程中，對(duì)提升相關(guān)內(nèi)容教學(xué)和學(xué)習(xí)效果有一定的提升作用。

1仿真模型的建立

1.1幾何模型的建立

因?yàn)殡姕u流傳感器的探頭線圈為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其被測(cè)金屬導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)也可以是軸對(duì)稱的，故采用二維軸對(duì)稱方法，對(duì)電渦流傳感器的探頭線圈進(jìn)行建模。探頭線圈的幾何模型如圖1所示，探頭線圈等效為一個(gè)空心的圓柱體，被測(cè)金屬導(dǎo)體等效為一個(gè)半徑尺寸相當(dāng)大的實(shí)心圓柱體，空氣場(chǎng)等效為一個(gè)長(zhǎng)方體幾何模型。

選擇電渦流傳感器探頭線圈材料為銅，被測(cè)金屬導(dǎo)體選擇的材料為405不銹鋼，其材料密度分布均勻，應(yīng)用較為廣泛，故常被用作鋼板的鐵磁材料。

1.2物理場(chǎng)的添加

本文選擇“AC/DC模塊”中的磁場(chǎng)（mf）作為仿真模型中的物理場(chǎng)，導(dǎo)線類型為均勻多匝線圈，渦流線圈兩端所加的激勵(lì)為幅值為1V的電壓，渦流線圈的匝數(shù)為800匝，磁化模型為來(lái)自材料的相對(duì)磁導(dǎo)率。仿真模型的控制方程為：

式（1）中：Je為外部施加電流密度；J為物理場(chǎng)中的電流密度；H為物理場(chǎng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度；w為渦流線圈的激勵(lì)頻率；B為磁場(chǎng)中的磁通密度；A為物理場(chǎng)中的磁矢勢(shì)；D為物理場(chǎng)中的電位移矢量；s為介質(zhì)中的電導(dǎo)率；v為電荷的移動(dòng)速度；E為電場(chǎng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度。

1.3網(wǎng)格劃分

采用用戶控制網(wǎng)格對(duì)本文仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中：被測(cè)金屬導(dǎo)體和渦流線圈的幾何模型采用映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分；被測(cè)金屬導(dǎo)體使用邊界層網(wǎng)格進(jìn)行劃分；空氣場(chǎng)邊界內(nèi)的無(wú)限元域采用映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分；其余的空氣場(chǎng)區(qū)域使用自由三角形網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

1.4仿真模型求解

因?yàn)殡姕u流傳感器的探頭線圈是通以交流電進(jìn)行工作的，故對(duì)探頭線圈仿真模型進(jìn)行研究時(shí)，需要在研究中添加頻域步驟和參數(shù)化掃描選項(xiàng)。其中穩(wěn)態(tài)求解器采用的是MUMPS的直接求解器，其是對(duì)仿真模型有限元分解的微分方程進(jìn)行直接求解，并且此求解器的穩(wěn)定性很高。

2仿真結(jié)果與分析

2.1激勵(lì)頻率對(duì)電渦流傳感器探頭性能影響

在探索激勵(lì)頻率變化帶來(lái)的影響時(shí)，選擇rin=4mm，rout=6mm，h=12mm，a=1mm，渦流線圈的匝數(shù)為800匝。通過(guò)仿真獲得激勵(lì)頻率f分別為50、100、300、600和1200Hz時(shí)的被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)部渦流分布圖（如圖3所示）。

從圖3可以看到，隨著探頭線圈激勵(lì)頻率的增大，被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)部的渦流分布區(qū)域在逐漸減小，并且其電渦流密度的最大值從1.55A/m2增加到3250A/m2，標(biāo)志著電渦流傳感器的靈敏度也正在提高。但隨著渦流分布區(qū)域的減小，電渦流透入被測(cè)金屬導(dǎo)體的深度在不斷變淺，電渦流傳感器的檢測(cè)深度則也會(huì)相應(yīng)變淺，這會(huì)使其無(wú)法對(duì)被測(cè)金屬導(dǎo)體深層缺陷進(jìn)行檢測(cè)，但對(duì)于被測(cè)金屬導(dǎo)體的表面或較淺深度的缺陷，電渦流傳感器的檢測(cè)效果較好。

2.2提離值對(duì)電渦流傳感器探頭性能影響

提離值會(huì)影響渦流線圈和被測(cè)金屬導(dǎo)體相互作用的總阻抗，也會(huì)影響被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)渦流分布和渦流線圈周圍磁場(chǎng)分布，最終會(huì)對(duì)電渦流傳感器的檢測(cè)效果造成影響。仿真時(shí)選擇rin=4mm，rout=6mm，h=12mm，線圈匝數(shù)為800匝，激勵(lì)頻率為f=100Hz。獲得提離值a分別為0.5、1.0、3.0、5.0以及7.0mm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的渦流線圈周圍磁場(chǎng)分布和被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)渦流分布圖（如圖4所示）。

由圖4可知，隨著提離距離的增大，渦流線圈周圍的磁場(chǎng)分布區(qū)域大小幾乎未發(fā)生改變，被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)的渦流分布區(qū)域正在逐漸增大；探頭線圈周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值未發(fā)生明顯變化，其數(shù)值在0.03T附近小范圍波動(dòng)，但被測(cè)金屬導(dǎo)體表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度正在逐漸減小，被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)電渦流密度的峰值在逐漸減小，其數(shù)值從720A/m2減小至342A/m2。這表明電渦流傳感器的檢測(cè)范圍擴(kuò)大了，但靈敏度卻在大幅度下降，對(duì)電渦流傳感器檢測(cè)效果的影響更強(qiáng)一些。

2.3線圈幾何參數(shù)對(duì)電渦流傳感器探頭性能影響

電渦流傳感器的探頭線圈幾何尺寸，會(huì)對(duì)電渦流傳感器的檢測(cè)性能造成影響，本文將會(huì)對(duì)線圈內(nèi)徑、線圈外徑和線圈厚度這3個(gè)參數(shù)引起的渦流線圈周圍磁場(chǎng)分布、被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)渦流分布變化情況進(jìn)行分析。

2.3.1線圈內(nèi)徑對(duì)渦流傳感器探頭性能影響

仿真時(shí)rout=6mm，h=12mm，a=1mm，f=100Hz，渦流線圈的匝數(shù)為800匝。仿真獲得線圈內(nèi)徑rin分別為0.5、1.0、2.0、3.0以及4.0mm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的渦流線圈周圍磁場(chǎng)分布和被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)渦流分布圖（如圖5所示）。

由圖5可知，隨著渦流線圈內(nèi)徑的增大，渦流線圈周圍的磁場(chǎng)分布區(qū)域在逐漸增大，渦流線圈周圍的磁通密度最從0.099T減小至0.032T，被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)的電渦流密度從588A/m2增大到680A/m2，表明電渦流傳感器的靈敏度也在隨著上升。

2.3.2線圈外徑對(duì)電渦流傳感器探頭性能影響

仿真時(shí)rin=4mm，h=12mm，線圈匝數(shù)為800匝，a=1mm，f=100Hz。仿真獲得線圈外徑rout分別為5、6、7、8以及9mm，所對(duì)應(yīng)的渦流線圈周圍磁場(chǎng)分布和被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)渦流分布圖（如圖6所示）。可知，當(dāng)渦流線圈外徑增大時(shí)，渦流線圈周圍的磁通密度最大值從0.038T減小到0.022T，被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)的電渦流密度從625A/m2增大到811A/m2，表明電渦流透入被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)部的深度在不斷加深，這使得電渦流傳感器的檢測(cè)深度也正在不斷變深，電渦流傳感器的靈敏度在不斷提高。

仿真時(shí)rin=4mm，rout6mm，a=1mm，f=100Hz，渦流線圈的匝數(shù)為800匝。仿真獲得線圈厚度h分別為3、5、7、9以及12mm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的渦流線圈周圍磁場(chǎng)分布和被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)渦流分布圖（如圖7所示）。

由圖7可知，隨著渦流線圈厚度不斷增加，渦流線圈周圍的磁通密度峰值從0.037T減小至0.032T，被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)電渦流密度最大值從668A/m2先增大至714A/m2，再減小至680A/m2。這表明電渦流傳感器的檢測(cè)深度正在不斷加深，被測(cè)金屬導(dǎo)體內(nèi)電渦流密度最大值先增后減的整體趨勢(shì)，表明電渦流傳感器靈敏度的變化過(guò)程是先升高后降低。

學(xué)生通過(guò)對(duì)上述仿真模型的操作及結(jié)果分析，更加直觀地學(xué)習(xí)了電渦流傳感器的工作原理，掌握了線圈的幾何尺寸、提離及激勵(lì)頻率對(duì)傳感器探頭性能的影響規(guī)律。為學(xué)生在以后的工作及學(xué)習(xí)中，選擇電渦流傳感器進(jìn)行被測(cè)量檢測(cè)或者進(jìn)行電渦流傳感器的相關(guān)研究，奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3結(jié)語(yǔ)

本文利用COMSOLMultiphysics的有限元仿真技術(shù)，建立了電渦流傳感器的探頭線圈模型，研究了渦流線圈激勵(lì)頻率、提離值以及渦流線圈的內(nèi)徑、外徑、厚度幾何參數(shù)，對(duì)于電渦流傳感器檢測(cè)效果的影響。

利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)電渦流傳感器課程內(nèi)容中的抽象概念及現(xiàn)象進(jìn)行仿真，一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)理論教學(xué)的不足，不但使課程變得生動(dòng)有趣，還讓學(xué)生對(duì)課程中的重難點(diǎn)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，具有良好的教學(xué)效果，是未來(lái)現(xiàn)代化教學(xué)模式中的一種趨勢(shì)。

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