基于COMSOL仿真软件的电涡流传感器教学探索

摘要：为了提升课堂教学效果，辅助学生理解电涡流传感器的检测原理及相关抽象概念，采用COMSOL仿真软件，构建了电涡流传感器探头线圈的仿真模型，并采用有限元的分析方法对其进行求解计算。通过对仿真结果的分析，学生可以直观地看到，当涡流线圈激励频率、提离距离、线圈内径、线圈外径和线圈厚度变化时，电涡流传感器的检测灵敏度将随之发生变化，有助于学生对电涡流传感器相关知识的理解和掌握，提高了学生的学习热情和思考深度。

关键词：电涡流传感器有限元仿真探头线圈教学探索

中图分类号：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

电涡流传感器是一种非接触式传感器，具有长期工作可靠性好、灵敏度高等优点，被广泛应用于机械位移、振动监测、金属材料鉴别、无损探伤等技术领域[1-3]。因此，在“传感器与检测技术”“传感器原理及应用”等课程中，电涡流传感器是十分重要的教学内容。但电涡流传感器相关知识点理论性强、概念和公式繁多，被学生认为是比较难学的课程内容。如何利用现代化的手段化解抽象的教学难点，让学生更加直观地、低成本地掌握电涡流传感器的检测原理、检测性能等知识点，进一步提升教学效果，是传感器类课程的授课教师面临的新挑战和必须解决的问题。近年来，将专业化的计算机仿真技术应用至专业课的教学过程中，成为了教学改革的研究热点[4-8]。其中，COMSOLMultiphysics（简称COMSOL）对于多物理场工程领域的仿真具有独特的优势，既可以对单个物理场进行模拟仿真，又可以对多个物理场进行耦合模拟仿真。基于这一优点，COMSOL可以模拟更加真实的工程应用场景，使得仿真数据的实际应用价值大幅提升，在电磁学、力学、热学等领域被广泛应用。

本文针对电涡流传感器检测性能的影响因素分析，采用COMSOL仿真软件，建立了电涡流传感器探头线圈的仿真模型。根据仿真结果，学生能够直观地观察到不同线圈参数下的被测金属导体内涡流分布和涡流线圈周围磁场的分布情况，有助于学生对电涡流传感器的检测原理及其检测特性的学习。此方法也可以推广到其他教学过程中，对提升相关内容教学和学习效果有一定的提升作用。

1仿真模型的建立

1.1几何模型的建立

因为电涡流传感器的探头线圈为轴对称结构，其被测金属导体的结构也可以是轴对称的，故采用二维轴对称方法，对电涡流传感器的探头线圈进行建模。探头线圈的几何模型如图1所示，探头线圈等效为一个空心的圆柱体，被测金属导体等效为一个半径尺寸相当大的实心圆柱体，空气场等效为一个长方体几何模型。

选择电涡流传感器探头线圈材料为铜，被测金属导体选择的材料为405不锈钢，其材料密度分布均匀，应用较为广泛，故常被用作钢板的铁磁材料。

1.2物理场的添加

本文选择“AC/DC模块”中的磁场（mf）作为仿真模型中的物理场，导线类型为均匀多匝线圈，涡流线圈两端所加的激励为幅值为1V的电压，涡流线圈的匝数为800匝，磁化模型为来自材料的相对磁导率。仿真模型的控制方程为：

式（1）中：Je为外部施加电流密度；J为物理场中的电流密度；H为物理场中的磁感应强度；w为涡流线圈的激励频率；B为磁场中的磁通密度；A为物理场中的磁矢势；D为物理场中的电位移矢量；s为介质中的电导率；v为电荷的移动速度；E为电场中的电场强度。

1.3网格划分

采用用户控制网格对本文仿真模型进行网格划分。其中：被测金属导体和涡流线圈的几何模型采用映射网格进行划分；被测金属导体使用边界层网格进行划分；空气场边界内的无限元域采用映射网格进行划分；其余的空气场区域使用自由三角形网格对其进行划分。网格划分结果如图2所示。

1.4仿真模型求解

因为电涡流传感器的探头线圈是通以交流电进行工作的，故对探头线圈仿真模型进行研究时，需要在研究中添加频域步骤和参数化扫描选项。其中稳态求解器采用的是MUMPS的直接求解器，其是对仿真模型有限元分解的微分方程进行直接求解，并且此求解器的稳定性很高。

2仿真结果与分析

2.1激励频率对电涡流传感器探头性能影响

在探索激励频率变化带来的影响时，选择rin=4mm，rout=6mm，h=12mm，a=1mm，涡流线圈的匝数为800匝。通过仿真获得激励频率f分别为50、100、300、600和1200Hz时的被测金属导体内部涡流分布图（如图3所示）。

从图3可以看到，随着探头线圈激励频率的增大，被测金属导体内部的涡流分布区域在逐渐减小，并且其电涡流密度的最大值从1.55A/m2增加到3250A/m2，标志着电涡流传感器的灵敏度也正在提高。但随着涡流分布区域的减小，电涡流透入被测金属导体的深度在不断变浅，电涡流传感器的检测深度则也会相应变浅，这会使其无法对被测金属导体深层缺陷进行检测，但对于被测金属导体的表面或较浅深度的缺陷，电涡流传感器的检测效果较好。

2.2提离值对电涡流传感器探头性能影响

提离值会影响涡流线圈和被测金属导体相互作用的总阻抗，也会影响被测金属导体内涡流分布和涡流线圈周围磁场分布，最终会对电涡流传感器的检测效果造成影响。仿真时选择rin=4mm，rout=6mm，h=12mm，线圈匝数为800匝，激励频率为f=100Hz。获得提离值a分别为0.5、1.0、3.0、5.0以及7.0mm时，所对应的涡流线圈周围磁场分布和被测金属导体内涡流分布图（如图4所示）。

由图4可知，随着提离距离的增大，涡流线圈周围的磁场分布区域大小几乎未发生改变，被测金属导体内的涡流分布区域正在逐渐增大；探头线圈周围磁场强度的最大值未发生明显变化，其数值在0.03T附近小范围波动，但被测金属导体表面的磁场强度正在逐渐减小，被测金属导体内电涡流密度的峰值在逐渐减小，其数值从720A/m2减小至342A/m2。这表明电涡流传感器的检测范围扩大了，但灵敏度却在大幅度下降，对电涡流传感器检测效果的影响更强一些。

2.3线圈几何参数对电涡流传感器探头性能影响

电涡流传感器的探头线圈几何尺寸，会对电涡流传感器的检测性能造成影响，本文将会对线圈内径、线圈外径和线圈厚度这3个参数引起的涡流线圈周围磁场分布、被测金属导体内涡流分布变化情况进行分析。

2.3.1线圈内径对涡流传感器探头性能影响

仿真时rout=6mm，h=12mm，a=1mm，f=100Hz，涡流线圈的匝数为800匝。仿真获得线圈内径rin分别为0.5、1.0、2.0、3.0以及4.0mm时，所对应的涡流线圈周围磁场分布和被测金属导体内涡流分布图（如图5所示）。

由图5可知，随着涡流线圈内径的增大，涡流线圈周围的磁场分布区域在逐渐增大，涡流线圈周围的磁通密度最从0.099T减小至0.032T，被测金属导体内的电涡流密度从588A/m2增大到680A/m2，表明电涡流传感器的灵敏度也在随着上升。

2.3.2线圈外径对电涡流传感器探头性能影响

仿真时rin=4mm，h=12mm，线圈匝数为800匝，a=1mm，f=100Hz。仿真获得线圈外径rout分别为5、6、7、8以及9mm，所对应的涡流线圈周围磁场分布和被测金属导体内涡流分布图（如图6所示）。可知，当涡流线圈外径增大时，涡流线圈周围的磁通密度最大值从0.038T减小到0.022T，被测金属导体内的电涡流密度从625A/m2增大到811A/m2，表明电涡流透入被测金属导体内部的深度在不断加深，这使得电涡流传感器的检测深度也正在不断变深，电涡流传感器的灵敏度在不断提高。

仿真时rin=4mm，rout6mm，a=1mm，f=100Hz，涡流线圈的匝数为800匝。仿真获得线圈厚度h分别为3、5、7、9以及12mm时，所对应的涡流线圈周围磁场分布和被测金属导体内涡流分布图（如图7所示）。

由图7可知，随着涡流线圈厚度不断增加，涡流线圈周围的磁通密度峰值从0.037T减小至0.032T，被测金属导体内电涡流密度最大值从668A/m2先增大至714A/m2，再减小至680A/m2。这表明电涡流传感器的检测深度正在不断加深，被测金属导体内电涡流密度最大值先增后减的整体趋势，表明电涡流传感器灵敏度的变化过程是先升高后降低。

学生通过对上述仿真模型的操作及结果分析，更加直观地学习了电涡流传感器的工作原理，掌握了线圈的几何尺寸、提离及激励频率对传感器探头性能的影响规律。为学生在以后的工作及学习中，选择电涡流传感器进行被测量检测或者进行电涡流传感器的相关研究，奠定扎实的理论基础。

3结语

本文利用COMSOLMultiphysics的有限元仿真技术，建立了电涡流传感器的探头线圈模型，研究了涡流线圈激励频率、提离值以及涡流线圈的内径、外径、厚度几何参数，对于电涡流传感器检测效果的影响。

利用先进的计算机技术，对电涡流传感器课程内容中的抽象概念及现象进行仿真，一定程度上弥补了传统理论教学的不足，不但使课程变得生动有趣，还让学生对课程中的重难点有了更深刻的认识，具有良好的教学效果，是未来现代化教学模式中的一种趋势。

参考文献

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