基于comsol反射式气动传感器有限元仿真分析与研究

摘  要：基于反射式气动传感器的原理，对反射式气动传感器内部流场建立二维模型，利用有限元分析软件COMSOL进行仿真，分析反射式气动传感器结构参数对测量特性的影响。实验结果表明，仿真反射式气动传感器流场的分析结果可以作为设计流体传感器的依据。

关键词：反射式气动传感器;有限元分析;COMSOL

引言

气动测量以压缩空气为介质，喷嘴喷出气体到被测物表面，管路中气体的压力或流量随着喷嘴与被测物之间的间隙变化而变化，把物体尺寸变化量转变为流体流量或压力的变化[1.2]。反射式气动传感器量程一般为4～6mm，精度为0.1～0.05mm，在测量范围内有非线性的特点。通过COMSOL仿真软件，对反射式气动传感器内部流场进行仿真，优化反射式气动传感器的结构参数和气动参数提高测量精度和灵敏度。

1 反射式气动传感器

1.1 反射式气动传感器工作原理

反射式气动传感器的工作原理如图1，气体经过过滤、稳压后压力恒定为Ps，然后通过内径为Di外径为D0的喷嘴向外喷射气体，当喷嘴前方被测物体进入测量范围内，气流经过被测物表面反射进入接受管，接受管内气体压力P0随着测量间隙S的变小而增大，将尺寸或位移变化量转为压力的变化。

经过理论推算可以近似得到反射式气动传感器的测量特性方程：

式中C2为近似常数[3]。

1.2反射式气动传感器气体流场

有限元分析法是把无限无边界的物理问题建立模型，把模型分解为有限个小的单元的集合体，然后对小单元施加条件，如果条件满足连续性，可以得出整体模型的解。

反射式气动传感器是使用压缩气体测量，使用的压缩气体一般为低压气体，气体速度低于0.3马赫，通过计算雷诺系数流场为不可压缩的湍流模型。在COMSOL软件中使用Navier-Stokes 方程计算不可压缩湍流流体的动量方程。

1.3 反射式气动传感器喷嘴结构

反射式气动传感器内部气体流过的流场为三维模型，离散三维模型网格数会很多，计算很困难，根据资料，使用轴对称二维模型代替是可行的。反射式气动传感器的喷嘴结构如图2所示，喷嘴的结构参数为环形气隙间距h，环形气隙内径Di外径D0，喷嘴外环外倾角β、内倾角α、壁厚S2，喷嘴内外环轴向距离S1接受管直径D，和气阻结构尺寸b，喷嘴管环形间距h`。

2 有限元分析

2.1有限元建模

通过COMSOL进行建模仿真，对反射式气动传感器流场进行分析，首先选择湍流模型，然后画制流场的二维模型，如果使用COMSOL自带的制图不方便画复杂的图形，还可以导入CAD画的dxf文件。建立好二维模型后，添加流体模型的材料为空气。

2.2 COMSOL仿真条件及求解

在COMSOL软件中建立好模型后，通过对模型施加边界条件完成求解。

⑴对模型定义入口出口，气压为输入压力（例如0.2MPa），出口压力为0。

⑵空气的性质常数软件自带，因为气流为湍流，为了得到收敛的解，所以在Navier-Stokes 方程中非自洽稳定中的同性扩散系数调整为0.5以上。

⑶对模型划分网格，添加稳态研究，进行计算，求解。

⑷通过COMSOL软件计算可以得到模型的压力分布图得到出口压力。

2.3 有限元仿真结果分析

对仿真模型每次改变测量距离，每次改变0.05mm得到的压力值，绘制输出压力与测量距离的曲线图。为了确定每个结构参数的最佳值，以现有的FESTO RML-4.8-S型反射式氣动传感器结构参数为基础，每次只改变一个结构参数进行仿真，得到测量曲线图并分析，确定最佳参数。

通过建模仿真对比分析，优化后的反射式气动传感器最优结构的模型仿真比优化前提升巨大，测量灵敏度和测量曲线线性变好，在0～6mm之间都有很好的输出压力和曲线线性。对比仿真优化前，反射式气动传感器的测量效果提升明显

3 实验验证

为了验证反射式气动传感器仿真结果组装实验装置。由微动台带动被测物，最佳尺寸参数的反射式气动传感器测量被测物体（标准量块），通过压力传感器把反射式气动传感器的输出压力转变为电压变化，在经过处理电路和16位的采集卡采集电压输入电脑，在电脑上的Labview编写的程序进行曲线拟合和数据显示。反射式气动传感器与量块之间的距离由微动台控制，从0 mm开始调整到6mm读取测量的电压值。

4 结语

使用有限元分析法，用COMSOL软件对反射式气动传感器内部流场建模分析，仿真分析并优化反射式气动传感器的结构参数，优化后的测量曲线比优化前提升巨大，并通过实验验证优化后的反射式气动传感器测量特性与仿真结果一致。对反射式气动传感器流场仿真分析的结果可以作为依据设计反射式气动传感器，为以后设计流体传感器设计提供了分析方法和设计依据。

参考文献

[1]  刘玉初.气动量仪[M].北京：机械工业出版社，1991.

[2]  TKAMASU K，KUO C-C，et al.Development of a Pneumatic Ball Probe[J].Precision Engineering，1991，33（3）：233-238.

[3]  孙军，邓善熙.尺寸测量气电式传感器的研究[J].仪器仪表学报，1996，17（1）：95-98.

作者简介：史可（1993-），硕士研究生，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，230009合肥市，研究方向：精密机械系统设计。