電渦流位移傳感器空心平面線圈的仿真研究

電渦流位移傳感器空心平面線圈的仿真研究

0傳感器的非線性變化模型電鉻傳感器采用電鉻原理進(jìn)行位移檢測。由于傳感器線圈與測量金屬相對位置的變化，電鉻和傳感器線圈之間的對應(yīng)關(guān)系會發(fā)生變化，傳感器線圈的電阻力會發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)簡單，性高，非接觸性，對液體敏感等。利用這種特點,可以研制出防水性的電子數(shù)顯卡尺,這在國內(nèi)外都是首創(chuàng)。但是,電渦流傳感器測量特性存在明顯的非線性,了解這種非線性變化機(jī)理是提高電渦流傳感器測量性能的重要一個環(huán)節(jié)。由于電磁場的復(fù)雜性以及電渦流的不均勻性,直接推導(dǎo)和建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型存在很大的困難和障礙。本文用有限元分析軟件ANSYS對變面積式電渦流傳感器進(jìn)行三維電磁場仿真與分析,得出傳感器線圈相對于被測金屬位置不同時電感參數(shù)的變化規(guī)律,以揭示非線性機(jī)理,為基于電渦流傳感器的防水性電子數(shù)顯卡尺的應(yīng)用提供理論依據(jù),也為這種傳感器的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。1傳感器線圈橫向位移檢測渦流傳感器線圈磁性相連。當(dāng)電渦流線圈中通以高頻正弦交變電流時,線圈周圍的空間就產(chǎn)生交變磁場。此交變磁場使金屬導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電渦流。而金屬導(dǎo)體中的感應(yīng)電渦流又產(chǎn)生反向的交變磁場,以阻礙外磁場的變化。由于磁場的反作用,線圈中電流和相位都發(fā)生變化,因此,將引起線圈的等效阻抗、電感量的變化。當(dāng)傳感器線圈與金屬導(dǎo)體之間產(chǎn)生橫向位移時,由于產(chǎn)生電渦流的區(qū)域變小,電渦流效應(yīng)的強(qiáng)度減弱,由此導(dǎo)致傳感器線圈的電感、阻抗等參數(shù)隨之改變,由此可以實現(xiàn)橫向位移的檢測。利用電渦流測量位移的原理與特點,可以研制出防水性電子數(shù)顯卡尺。如圖2所示,金屬反射體以一定間隔周期性地放置,當(dāng)通以高頻正弦激勵電流的線圈與金屬反射體橫向相對移動時,線圈與反射體的耦合面積改變,磁通量隨之改變,從而導(dǎo)致傳感器線圈的電感、阻抗的改變。當(dāng)線圈位于金屬反射體的正上方時,它受到金屬反射體上產(chǎn)生的電渦流的影響最大,此時,對應(yīng)的線圈電感值最小;當(dāng)線圈位于兩反射體之間位置的正上方時,它受到的電渦流的影響最小,此時,對應(yīng)的電感值最大。如此,當(dāng)線圈橫向移動時,其電感值呈周期性的變化。然后,再將線圈參數(shù)的變化通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電信號,每個信號對應(yīng)著不同的位移。這樣,就實現(xiàn)了電子數(shù)顯卡尺測量位移的功能。2維磁場分析ANSYS電磁場分析軟件是功能比較強(qiáng)大的專業(yè)分析軟件,可以進(jìn)行二維靜態(tài)、諧性和瞬態(tài)磁場分析;基于邊界的三維靜態(tài)、諧性和瞬態(tài)磁場以及基于節(jié)點的三維靜態(tài)、諧性和瞬態(tài)磁場分析,電場分析,另外,還可以分析電磁場和波輻射性能的高頻電磁場分析。2.1運用體的生長特點,進(jìn)行體本文所考慮的問題是三維渦流場問題,且線圈和金屬反射體不具有任何的對稱性。在建模過程中,采用分別為線圈各段導(dǎo)線獨立建模和分析,最后,綜合考慮的思想。這樣,就避免了扁平線圈中各段導(dǎo)體電流方向不統(tǒng)一的問題。2.2把規(guī)則的形狀納入到網(wǎng)內(nèi),把網(wǎng)格設(shè)置成不符的區(qū)域網(wǎng)格化分是由ANSYS程序自動完成的,主要有2種方式:一是自由劃分網(wǎng)格(freemeshing),主要用于劃分邊界形狀不規(guī)則的區(qū)域,它所生成的網(wǎng)格成不規(guī)則的排列;二是映射網(wǎng)格劃分,它是將規(guī)則的形狀映射到不規(guī)則的區(qū)域上面,它所生成的網(wǎng)格相互之間是呈規(guī)則排列的,分析的精度很高。但是,它要求劃分區(qū)域滿足一定的拓?fù)錀l件,否則,就不能進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。而且,該方法對于復(fù)雜形狀的邊界模擬能力沒有自有劃分網(wǎng)格好。結(jié)合具體的精度要求以及仿真條件,本文將線圈、金屬反射體和空氣都采用自由劃分網(wǎng)格的方法。2.3在軟件中表現(xiàn)磁通量垂直電磁場微分方程的求解,只有在一定的邊界條件和初始條件下,才有確定的解。邊界條件一般有3種:狄利克萊(Dirichlet)邊界條件、諾依曼(Neumann)邊界條件以及它們的組合。狄利克萊邊界表示為?Γ=g(Γ),式中?為標(biāo)量電勢,V;Γ為狄利克萊邊界;g(Γ)為位置函數(shù),可以為常數(shù)和零。諾依曼邊界條件表示為???n???nT+f(T)?T=h(T),式中?為標(biāo)量電勢,V;T為諾依曼邊界;n為邊界T的外法線矢量;f(T)和h(T)為一般函數(shù),可為常數(shù)和零。狄利克萊邊界條件在軟件ANSYS中表現(xiàn)為磁通量平行于模型邊界條件;諾依曼邊界條件在軟件ANSYS中表現(xiàn)為磁通量垂直于模型邊界。本文模型在邊界上電勢為零,因而,在建模中采用狄利克萊邊界條件,加載磁通量平行條件。2.4約束分析在某些情況下,為了保證某些節(jié)點的自由度之間滿足一定的關(guān)系,需要對自由度進(jìn)行耦合。比如:在力學(xué)分析中,需要某一條邊保持剛性,也就是需要模型在這一條邊上保持同一個位移值。在本文的模型中,線圈的任何一段導(dǎo)線,為了保證其節(jié)點的電流方向和大小相等,應(yīng)該在加載前首先耦合它們的電流自由度。然后,再加載電壓,選擇求解類型,設(shè)置頻率,最后,選擇求解器求出電感值。3平面圈內(nèi)摩擦血壓技術(shù)本文作者對一個矩形平面線圈進(jìn)行三維有限元仿真分析,將線圈分解為若干條導(dǎo)線,然后,用ANSYS軟件求出每一段導(dǎo)線相對于金屬反射體位置不同時的電感值,最后,把各段導(dǎo)線的電感值相加,得到了整個線圈在各個位置時的電感值。平面線圈尺寸為6.0mm×2.5mm,匝數(shù)為3,導(dǎo)線分割為1～12條(由外到內(nèi),順時針),線寬為0.2mm,線距為0.2mm。反射導(dǎo)體共有三塊,均勻分布,相距為2.5mm,尺寸為6.0mm×2.5mm,反射導(dǎo)體與線圈縱向距離為0.1mm。圖3是根據(jù)各段數(shù)據(jù)疊加而成的3匝平面線圈在橫向移動x時各個位置上的總的電感值L?？梢钥闯?電感變化呈周期性規(guī)律,變化周期為5mm,這與理論分析和預(yù)測是一致的。顯然,當(dāng)線圈橫向移動時,傳感器線圈的電感量變化存在明顯的非線性,這對傳感器的應(yīng)用必將產(chǎn)生影響。圖4所示是用試驗測出的電感曲線圖,經(jīng)比較,兩條曲線形狀較為吻合。由于試驗所用線圈和仿真線圈在層數(shù)和材料上略有差別,本文只著重于比較兩條曲線的形狀。4仿真結(jié)果分析(1)本文用有限元分析軟件ANSYS對利用電渦流測量位移的原理進(jìn)行仿真,計算結(jié)果和試驗結(jié)果較為吻合。研究結(jié)果表明:有限元分析可以較好地模擬電渦流效應(yīng)的非線性變化規(guī)律;(2)本文在建模時,把線圈的各段導(dǎo)線分別建模,因而,沒有考慮線圈各段導(dǎo)線之間的互感影響,但仿真結(jié)果與實驗結(jié)果仍然比較符合。這表明線圈導(dǎo)線之間的互感影響較