導(dǎo)電板上方矩形傾斜通電線圈模型分析

唐江鋒　張思全

摘要：渦流無損檢測技術(shù)在導(dǎo)電材料檢測中有著重要作用，通常材料所檢測到的信號基本來自檢測線圈的阻抗或次級線圈感應(yīng)電壓的變化。所以針對線圈阻抗的求解問題，作者以被測導(dǎo)電板上方傾斜矩形線圈為求解模型，考慮線圈提離高度變化情況下線圈阻抗的計算分析，利用相關(guān)有限元仿真軟件ANSYS進(jìn)行仿真出該渦流傳感器設(shè)計的可行性，結(jié)果得出不同線圈傾斜角度下線圈阻抗的變化曲線。同時由傾斜角的變化進(jìn)一步表明檢測過程中抑制提離效應(yīng)的重要性。

關(guān)鍵詞：渦流檢測；導(dǎo)電板；矩形傾斜線圈；阻抗計算；有限元法

1 介紹

許多學(xué)者通過線性導(dǎo)電板上方的空心線圈和推導(dǎo)任何位置任何形狀的線圈表達(dá)式來研究了渦流感應(yīng)問題。對于復(fù)雜形狀和對稱線圈的定位分析是冗長復(fù)雜的。在這些案例中，其他的計算需求通用數(shù)值模型，例如三維有限元模型。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對位于導(dǎo)電板上傾斜通電線圈，在不同傾斜角度和不同提離高度下的阻抗變化作出ANSYS有限元仿真解析結(jié)果，論證了矩形傾斜線圈的靈敏度更好，具有很好的可行性。

2 基本理論分析

導(dǎo)電板上方放置一單匝傾斜線圈，將線圈中通入正弦激勵電流，下方的導(dǎo)電板假設(shè)是線性的、各部分性能相同，且各處均勻分布。導(dǎo)體板與線圈投影平行于v軸的直徑延長線成0度角θ=（30°、45°、60°），同時可設(shè)線圈與導(dǎo)體板提離高度為h，其值為h=z₀+rsin（θ），其中z₀是線圈傾斜最低點(diǎn)與導(dǎo)電板的高度，線圈厚度為w₀同時為了求解方便，我們對場進(jìn)行以下分區(qū)。

2.1 空氣域

通電線圈的上方部分我們將其定義為空氣域，記為域L₁。

2.2 夾層域

我們將通電線圈與導(dǎo)電板之間的這一層稱之為夾層域，記為L₂。

2.3 導(dǎo)電板

顯然，導(dǎo)電板構(gòu)成了第三區(qū)域記之為L₃。

設(shè)各層材料相對磁導(dǎo)率為μ₁，電導(dǎo)率為σ_i，其中i=1，2，3。

在對導(dǎo)體板上方的線圈阻抗變化進(jìn)行研究時，在保證計算精度的同時，提高計算速度，采用域截斷法在距線圈軸適當(dāng)?shù)木嚯x（設(shè)為b）處施加了一個柱形邊界作為人工解域，所以只要選取較為合理的截取半徑6以及級數(shù)求和項(xiàng)，就可控制求解速度和精度。

3 結(jié)果和討論

圖1則是對不同的線圈提離下討論了線圈匝數(shù)為500時，不同傾斜角度下的阻抗變化。

隨著提離高度的增加而增加，而電阻的變化與提離高度成反比，提離高度達(dá)到一定時，線圈阻抗及各部分分量都會趨于穩(wěn)定。而當(dāng)傾斜角度變大時，線圈的變化會隨著角度的增大而減小，變化率相對較慢。

4 總結(jié)

通過有限元仿真導(dǎo)電板上方的矩形傾斜線圈，同時對不同的傾斜角度下線圈阻抗的變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，線圈傾斜角度影響線圈阻抗變化，相對而言，變化不大表明矩形線圈有較好的抑制提離效果，符合國外學(xué)者所著論著。同時，線圈的阻抗特性變化矩形線圈在檢測試件時，復(fù)阻抗的變化會隨著提離高度的增加而增加，其主要的增加分量是電感的變化。在傾斜角度增大時，線圈的阻抗變化會隨著角度的增大而減小，這是因?yàn)樵诮蛔兇艌鲋?，線圈磁場的耦合會隨著傾斜角度增大而減小。