基于COMSOL Multiphysics电涡流传感器的仿真和设计.概要

在给探头线圈加载的 频率、被测体材料不变和通过线圈截 面的总电流一定的情况下，在距离相同时，外径小的(2线圈)在 线圈轴线上某一点所产生的磁感应强度大，当线圈离被测体的 距离发生变化时，从曲线的变化趋势来看，外径大(1，3，4线 圈)的线性范围大，但是曲线的斜率较小，即灵敏度不及线圈外 径小的，说明增大探头线圈的外径有利于提高电涡流传感器的 线性范围，但不利于改善灵敏度。从1线圈和3线圈的比较结果 来看，线圈3的灵敏度较线圈1要高，说明探头线圈的厚度越薄， 其灵敏度就越高。
被测导体中电涡流的大小和金属导体的磁导率 、 电阻率 、金属导体的厚度 、通过探头线圈的电流 强度is。频率 f 、以及其与金属导体之间的距离 H有关， 进而线圈的阻抗可以表示为：

t
u
Z F (u, , t, is , f , H )
当上面参数中的一个参数 H发生变化，其它参数不变时，探 头线圈阻抗Z就成为 H的单值函数，当被测体与传感器之间 的相对位置发生改变时，电涡流传感器的电参数也随之发 生变化，把位移量的变化转为电信号的变化，这是电涡流 传感器进行位移测量的基本原理。
基于COMSOL软件下截锥体电阻的 计算
稳恒条件下导体内电势、电流的分布，不规则或不均匀导 体电阻的计算等问题是电磁学教学的基本问题。 有一些微电子器件呈锥体形状，例如真空微电子器件中最常 用的阴极就是尖锥，其电阻可影响尖锥的场致发射特性．因此 对截锥体中电势、电流的分布以及截锥体电阻等问题的讨论不 仅对电磁学研究有很好的参考价值，而且也有一定的实际意义。 dl 电磁学教材中主要应用公式 R 尝求解截锥体的 S 电阻，这种方法在截锥体两端面半径近似相等(即截锥体近似于 圆柱体)时是一种比较好的近似方法；但两端面半径相差较大时， 该方法误差就较 大，不够准确。
汇报人：方超 时间： 2013年5月23日
基于COMSOL Multiphysics电涡流 传感器的仿真和设计
电涡流传感器(Eddy Current Sensor)是电感式位移 传感器的一种，它的最大的特点是能够对位移、厚度、 材料探伤等进行非接触连续的测量，频率响应特好， 弥补了其它电感传感器的不足。 探头是电涡流传感器重要的组成部分，其性能的 好坏直接影响到电涡流传感器的检测质量。涡流检测 探头的结构是由线圈绕组以及骨架和外壳组成，为了 增强线圈的聚磁能力和提高电涡流传感器的灵敏度， 有些还用到磁芯。
方法三 用Comsol软件求解截锥体电阻
4
5
3
．从图中可以看出，它完全符合稳恒电场的规律，结果是比较 准确的．从图3～图5中可以看出，等势面不是垂直于轴的平面， 而是近似于球冠面，随着a/b的增大，等势面越来越接近于平面。
从图6可以看出，电流并不是沿轴向传播，在左右两端面处，电 流垂直于端面，在中段电流呈分散形，在侧面与端面交界处， 没有电流线，电流为零．这是由于电场线既要平行于侧面，又 要垂直于端面，因此在其交界处电场为零，从而电流为零。
设计了一种放置反射式点涡流传感器探头，绕在线圈骨 架上的是一个环形的扁平空心线圈，线圈和线圈骨架一 起置于环形的电涡流探头壳体内。
源自文库
四种不同参数线圈的探头做实验分析(mm) rb=12 ra=8 h=2 N=89
rb=10 ra=8 h=2 N=45
rb=12 ra=8 h=1 N=45
rb=10 ra=9 h=2 N=67
由于电涡流检测系统的电磁场属于似稳交变场，电涡流 传感器检测线圈为轴对称结构，被测导体也可视为轴对 称的结构，这样便可将电涡流检测系统三维涡流场的一 般问题转化为轴对称似稳交变电磁场问题。
d1=6
d2=12
线圈周围的电磁场分布图和被测金属表面的涡流分布图。
从图中可以看出，当线圈距被测金属板距离越近时，在金 属板上所激发的电涡流越强。涡流探头的磁场分布也会发 生相应的变化，由于电涡流探头电磁场和被测金属导体中 涡流所产生的电磁场相互作用，从而使电涡流探头的阻抗 发生改变，上面的电磁模拟可以清晰地看出电涡流传感器 的基本工作机理。 通过线圈截面的总电流一定的情况下，通过改变探头线圈 的结构参数，分析其对电涡流传感器探头性能的影响。
在电涡流传感器的硬件实现之前，可以通过数值方法 来模拟电涡流传感器，以节省硬件设计的时间和成本。 通常电涡流传感器的电磁机理非常复杂，用精确数学解 析表达式去计算存在着很大的困难，为此本文利用 COMSOL Multiphysic对电涡流传感器探头的电磁场和影 响其性能的结构参数因数进行了仿真和分析，为电涡流 传感器的设计和制作提供了一定的借鉴和帮助。
电涡流传感器位移测量原理
用一个通有交变电流i，的扁平线圈置于金属导体附近，由于 电流的变化，在线圈周围就会产生交变的磁场Hl，由电涡流效应， 金属导体中产生电涡流，电涡流也是交变的，将产生交变的磁场 H2，H2的方向和H1的方向相反，因此部分的抵消H1线圈磁场，从 而使产生磁场的线圈的阻抗、电感、品质因数发生变化。
本文应用Comsol软件可方便、形象地显示出截锥体内 电势、电流的分布，从而求出电阻。
截圆锥体电阻率为 ;长为L；两端面的半径分别为a、 b；试计算此锥体两端面之间的电阻。
dl 方法一：应用公式 R S L 体的电阻为:
求解，截锥
R0
ab
此方法相当于将截锥体看成垂直于轴的一系列薄片串联而成， 若在两端面加上一定的电势差，则在截锥体内的等势面为垂 直于轴的一系列平面，电流将平行于轴向流动，这显然 不妥。尤其在两端面半径相差较大时，会产生较大误差。 方法二 通过边值问题求解．
我们进一步讨论了截锥体的电阻．图7给出了两端面半径比例 L R (a/b)不同时的电阻R/R0的值(其中 0 ab ,方法1的 结果)．从图中可以看出， R/R0始终大于1，即R>R。， 且R/R0随a/b的增大而减小, 当a/b=0.7时，R≈1.03R0，用方法1求解误差约3%。因而在精 度要求不高的情况下，a/b>0.7时可用方法1近似求解，当a =b,R=R0。截锥体即为圆柱体，与圆柱体电阻结论一致