基于COMSOL仿真軟件的電渦流傳感器教學探索

摘要：為了提升課堂教學效果，輔助學生理解電渦流傳感器的檢測原理及相關抽象概念，采用COMSOL仿真軟件，構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其進行求解計算。通過對仿真結果的分析，學生可以直觀地看到，當渦流線圈激勵頻率、提離距離、線圈內徑、線圈外徑和線圈厚度變化時，電渦流傳感器的檢測靈敏度將隨之發(fā)生變化，有助于學生對電渦流傳感器相關知識的理解和掌握，提高了學生的學習熱情和思考深度。

關鍵詞：電渦流傳感器有限元仿真探頭線圈教學探索

中圖分類號：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，具有長期工作可靠性好、靈敏度高等優(yōu)點，被廣泛應用于機械位移、振動監(jiān)測、金屬材料鑒別、無損探傷等技術領域[1-3]。因此，在“傳感器與檢測技術”“傳感器原理及應用”等課程中，電渦流傳感器是十分重要的教學內容。但電渦流傳感器相關知識點理論性強、概念和公式繁多，被學生認為是比較難學的課程內容。如何利用現(xiàn)代化的手段化解抽象的教學難點，讓學生更加直觀地、低成本地掌握電渦流傳感器的檢測原理、檢測性能等知識點，進一步提升教學效果，是傳感器類課程的授課教師面臨的新挑戰(zhàn)和必須解決的問題。近年來，將專業(yè)化的計算機仿真技術應用至專業(yè)課的教學過程中，成為了教學改革的研究熱點[4-8]。其中，COMSOLMultiphysics（簡稱COMSOL）對于多物理場工程領域的仿真具有獨特的優(yōu)勢，既可以對單個物理場進行模擬仿真，又可以對多個物理場進行耦合模擬仿真?；谶@一優(yōu)點，COMSOL可以模擬更加真實的工程應用場景，使得仿真數(shù)據(jù)的實際應用價值大幅提升，在電磁學、力學、熱學等領域被廣泛應用。

本文針對電渦流傳感器檢測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)仿真結果，學生能夠直觀地觀察到不同線圈參數(shù)下的被測金屬導體內渦流分布和渦流線圈周圍磁場的分布情況，有助于學生對電渦流傳感器的檢測原理及其檢測特性的學習。此方法也可以推廣到其他教學過程中，對提升相關內容教學和學習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

因為電渦流傳感器的探頭線圈為軸對稱結構，其被測金屬導體的結構也可以是軸對稱的，故采用二維軸對稱方法，對電渦流傳感器的探頭線圈進行建模。探頭線圈的幾何模型如圖1所示，探頭線圈等效為一個空心的圓柱體，被測金屬導體等效為一個半徑尺寸相當大的實心圓柱體，空氣場等效為一個長方體幾何模型。

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

1.2物理場的添加

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

式（1）中：Je為外部施加電流密度；J為物理場中的電流密度；H為物理場中的磁感應強度；w為渦流線圈的激勵頻率；B為磁場中的磁通密度；A為物理場中的磁矢勢；D為物理場中的電位移矢量；s為介質中的電導率；v為電荷的移動速度；E為電場中的電場強度。

1.3網(wǎng)格劃分

采用用戶控制網(wǎng)格對本文仿真模型進行網(wǎng)格劃分。其中：被測金屬導體和渦流線圈的幾何模型采用映射網(wǎng)格進行劃分；被測金屬導體使用邊界層網(wǎng)格進行劃分；空氣場邊界內的無限元域采用映射網(wǎng)格進行劃分；其余的空氣場區(qū)域使用自由三角形網(wǎng)格對其進行劃分。網(wǎng)格劃分結果如圖2所示。

1.4仿真模型求解

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

2仿真結果與分析

2.1激勵頻率對電渦流傳感器探頭性能影響

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

從圖3可以看到，隨著探頭線圈激勵頻率的增大，被測金屬導體內部的渦流分布區(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，電渦流透入被測金屬導體的深度在不斷變淺，電渦流傳感器的檢測深度則也會相應變淺，這會使其無法對被測金屬導體深層缺陷進行檢測，但對于被測金屬導體的表面或較淺深度的缺陷，電渦流傳感器的檢測效果較好。

2.2提離值對電渦流傳感器探頭性能影響

提離值會影響渦流線圈和被測金屬導體相互作用的總阻抗，也會影響被測金屬導體內渦流分布和渦流線圈周圍磁場分布，最終會對電渦流傳感器的檢測效果造成影響。仿真時選擇rin=4mm，rout=6mm，h=12mm，線圈匝數(shù)為800匝，激勵頻率為f=100Hz。獲得提離值a分別為0.5、1.0、3.0、5.0以及7.0mm時，所對應的渦流線圈周圍磁場分布和被測金屬導體內渦流分布圖（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分布區(qū)域大小幾乎未發(fā)生改變，被測金屬導體內的渦流分布區(qū)域正在逐漸增大；探頭線圈周圍磁場強度的最大值未發(fā)生明顯變化，其數(shù)值在0.03T附近小范圍波動，但被測金屬導體表面的磁場強度正在逐漸減小，被測金屬導體內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范圍擴大了，但靈敏度卻在大幅度下降，對電渦流傳感器檢測效果的影響更強一些。

2.3線圈幾何參數(shù)對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，會對電渦流傳感器的檢測性能造成影響，本文將會對線圈內徑、線圈外徑和線圈厚度這3個參數(shù)引起的渦流線圈周圍磁場分布、被測金屬導體內渦流分布變化情況進行分析。

2.3.1線圈內徑對渦流傳感器探頭性能影響

仿真時rout=6mm，h=12mm，a=1mm，f=100Hz，渦流線圈的匝數(shù)為800匝。仿真獲得線圈內徑rin分別為0.5、1.0、2.0、3.0以及4.0mm時，所對應的渦流線圈周圍磁場分布和被測金屬導體內渦流分布圖（如圖5所示）。

由圖5可知，隨著渦流線圈內徑的增大，渦流線圈周圍的磁場分布區(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，被測金屬導體內的電渦流密度從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線圈外徑對電渦流傳感器探頭性能影響

仿真時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，所對應的渦流線圈周圍磁場分布和被測金屬導體內渦流分布圖（如圖6所示）。可知，當渦流線圈外徑增大時，渦流線圈周圍的磁通密度最大值從0.038T減小到0.022T，被測金屬導體內的電渦流密度從625A/m2增大到811A/m2，表明電渦流透入被測金屬導體內部的深度在不斷加深，這使得電渦流傳感器的檢測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，所對應的渦流線圈周圍磁場分布和被測金屬導體內渦流分布圖（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，被測金屬導體內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深度正在不斷加深，被測金屬導體內電渦流密度最大值先增后減的整體趨勢，表明電渦流傳感器靈敏度的變化過程是先升高后降低。

學生通過對上述仿真模型的操作及結果分析，更加直觀地學習了電渦流傳感器的工作原理，掌握了線圈的幾何尺寸、提離及激勵頻率對傳感器探頭性能的影響規(guī)律。為學生在以后的工作及學習中，選擇電渦流傳感器進行被測量檢測或者進行電渦流傳感器的相關研究，奠定扎實的理論基礎。

3結語

本文利用COMSOLMultiphysics的有限元仿真技術，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頻率、提離值以及渦流線圈的內徑、外徑、厚度幾何參數(shù)，對于電渦流傳感器檢測效果的影響。

利用先進的計算機技術，對電渦流傳感器課程內容中的抽象概念及現(xiàn)象進行仿真，一定程度上彌補了傳統(tǒng)理論教學的不足，不但使課程變得生動有趣，還讓學生對課程中的重難點有了更深刻的認識，具有良好的教學效果，是未來現(xiàn)代化教學模式中的一種趨勢。

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