基于COMSOL Mutiphysics电阻抗传感器的建模及仿真

罗霄华

摘 要：采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics对电阻式传感器进行建模与仿真，模型模拟放置在内含空气填充腔的导体立方体的单个电极中。在后期处理中，通过阻抗来反推空腔位置。

关键词：传感器；COMSOL Multiphysics；空气填充腔；阻抗

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.085

1 模型简介

电阻抗测量长被应用于成像和探测，应用范围包括无损伤测试、地球物理成像和医学成像等，比如新生儿重症监护时监视婴儿的肺功能。频率范围从小于1 Hz到约1 GHz，与应用领域相关。本模型模拟放置在内含空气填充腔的导体立方体的单个电极，模型如图1所示。立方体的下部与侧面接地。在后期处理中，我们可以绘制空腔横向位置对测量阻抗的曲线。电阻抗测量具有速度快、准确的优点。在实际中，我们通过阻抗来反推空腔位置。

在本文中，我们使用物理场是AC/DC模块的电流模式。当感应作用可以忽略时，该模式对模拟交流问题十分有用，可求解域的底部和垂直边为接地边界条件。除电极外均为绝缘，电极上施加1 A的均匀分布电流源。

2 建模过程

2.1 模型向导

对于图1所示的模型，通过分析根据有限元理论可以采用二维绘图。该模型应用物理场，选用低频电磁场下的电流模式，研究类型设为频域。

打开“模型向导”窗口，模型空间维度为二维，单击“Next”，在添加物理树中选择“低频电磁场→电流（ec）“，单击“Next”，选择研究类型为“频域”，单击“Finish”。具体参数设置如表1所示。

2.2 全局定义

在这个步骤中，主要是完成模型的参数设置，模型参数如表1所示。具体做法是在模型构建器窗口中，右键单击“全局定义”和“选择参数”。

2.3 几何1

第一步，绘制矩形1，即在模型构建器窗口中，在模型1右键单击“几何1”和“选择长方形”；在矩形設置窗口中，输入长1、宽0.5.定位部分：在x输入-0.5，在y输入-0.5，点击“创建选定”即可完成矩形1的创建。

第二步，创建点1，即在模型构建器窗口中，右键单击“几何1”和“选择点”，点的设置窗口中找到“关键部分”，输入点坐标，在x输入-0.01，点击“创建选定”。

第三步，创建点2，即右键单击“几何1”和“选择点”，在点的设置窗口中找到“关键部分”，输入点坐标，x输入0.01，点击“创建选定”完成矩形2的创建。

2.4 电流节点

在这一步骤中主要完成有关电流参数以及边界条件的设定。具体流程为：双击“电流”→方程形式频域→1 MHz。

频域设定：电流守恒1→电导率→用户定义→相对介电常数→用户定义。

电导率设定：右击“电流”→终端→选中两电极之间的部分→输入电流为1 A。

2.5 网格

对于网格剖分，此模型是二维图形，采取自由剖分三角形网格即可，但为了保证精度，可以将网格细化。具体流程为：右击“网格”→网格自由剖分三角形网格→双击“尺寸”→约束单元尺寸（保证足够的单元数）→创建选定。

2.6 求解

求解的具体流程为：右击“求解1”→显示缺省求解器→稳态求解→参数化1→输入参数名称x0，范围range （-0.5，0.01，0.5）→计算。具体如图2所示。

分析：直接计算得到的是模型表面的电势分布图，我们可以看到在电极附近电势最高符合理论。

3 仿真

仿真的具体流程为：双击“电势下的面1”→将表达式改为电流密度模→选择参数如x0=0（可以选择任意值）→绘图。从仿真图3可看到在空腔与电极的狭缝区电流密度模最大，符合理论。

为了使仿真图对比更加明显，可以通过修改表达式和调节颜色范围，将电流密度模取20×log10（ec.normJ），调节颜色在-40～40. 由于进行了颜色调节设置，整体颜色相比之前区别度更大，有利于观察。绘制阻抗曲线图时，需要进行一维绘图组，具体做法为：右击“结果”→ 一维绘图组→全局→电流→阻抗→绘图，完成阻抗图；右击“导出”→动画→导出阻抗图，完成阻抗绘制动态图。

图像变换域去噪方法是对图像进行某种变换，将图像从空间域转换到变换域，再对变换域中的变换系数进行处理，再进行反变换将图像从变换域转换到空间域来达到去除图像噪声的目的。将图像从空间转换到变换域的变换方法很多，比如傅里叶变换、小波变换及Ridgelet变换。每种变换的变换域得到的系数都有不同的特点，合理地处理变换系数，再通过反变换将图像还原到空间域可以有效地达到去除噪声的目的。

参考文献

[1]何耀东，江早，赵宏.图纸图像噪声滤除的轮廓编码方法[J].计算机辅助设计与图形学学报，1999（06）.

[2]黄汉卿，宁永海，杜鹏.基于数字浮标的噪声滤除算法的研究[J].通信技术，2008（02）.

[3]曲中水，王建卫，张维波，等.基于点处理的图像脉冲噪声滤除方法研究[J].软件导刊，2013（08）.

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作者简介：马云（1991—），女，回族，河南郑州人，西安邮电大学电子工程学院，工程硕士，研究方向为光电传感、测量与显示技术。

〔编辑：刘晓芳〕