摘要：為了提升課堂教學(xué)效果，輔助學(xué)生理解電渦流傳感器的檢測原理及相關(guān)抽象概念，采用COMSOL仿真軟件，構(gòu)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(jié)果的分析，學(xué)生可以直觀地看到，當渦流線圈激勵頻率、提離距離、線圈內(nèi)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(xué)生對電渦流傳感器相關(guān)知識的理解和掌握，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和思考深度。

關(guān)鍵詞：電渦流傳感器有限元仿真探頭線圈教學(xué)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(yīng)用于機械位移、振動監(jiān)測、金屬材料鑒別、無損探傷等技術(shù)領(lǐng)域[1-3]。因此，在“傳感器與檢測技術(shù)”“傳感器原理及應(yīng)用”等課程中，電渦流傳感器是十分重要的教學(xué)內(nèi)容。但電渦流傳感器相關(guān)知識點理論性強、概念和公式繁多，被學(xué)生認為是比較難學(xué)的課程內(nèi)容。如何利用現(xiàn)代化的手段化解抽象的教學(xué)難點，讓學(xué)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(xué)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(shù)應(yīng)用至專業(yè)課的教學(xué)過程中，成為了教學(xué)改革的研究熱點[4-8]。其中，COMSOLMultiphysics（簡稱COMSOL）對于多物理場工程領(lǐng)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(yīng)用場景，使得仿真數(shù)據(jù)的實際應(yīng)用價值大幅提升，在電磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)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(jié)果，學(xué)生能夠直觀地觀察到不同線圈參數(shù)下的被測金屬導(dǎo)體內(nèi)渦流分布和渦流線圈周圍磁場的分布情況，有助于學(xué)生對電渦流傳感器的檢測原理及其檢測特性的學(xué)習(xí)。此方法也可以推廣到其他教學(xué)過程中，對提升相關(guān)內(nèi)容教學(xué)和學(xué)習(xí)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(jié)構(gòu)，其被測金屬導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)體選擇的材料為405不銹鋼，其材料密度分布均勻，應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(zhì)中的電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體使用邊界層網(wǎng)格進行劃分；空氣場邊界內(nèi)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(jié)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(jié)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(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)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(yīng)變淺，這會使其無法對被測金屬導(dǎo)體深層缺陷進行檢測，但對于被測金屬導(dǎo)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(dǎo)體相互作用的總阻抗，也會影響被測金屬導(dǎo)體內(nèi)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(yīng)的渦流線圈周圍磁場分布和被測金屬導(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)體表面的磁場強度正在逐漸減小，被測金屬導(dǎo)體內(nèi)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(nèi)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(dǎo)體內(nèi)渦流分布變化情況進行分析。

2.3.1線圈內(nèi)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(nèi)徑rin分別為0.5、1.0、2.0、3.0以及4.0mm時，所對應(yīng)的渦流線圈周圍磁場分布和被測金屬導(dǎo)體內(nèi)渦流分布圖（如圖5所示）。

由圖5可知，隨著渦流線圈內(nèi)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(dǎo)體內(nèi)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(yīng)的渦流線圈周圍磁場分布和被測金屬導(dǎo)體內(nèi)渦流分布圖（如圖6所示）?？芍敎u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(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)體內(nèi)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(yīng)的渦流線圈周圍磁場分布和被測金屬導(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)體內(nèi)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(xué)生通過對上述仿真模型的操作及結(jié)果分析，更加直觀地學(xué)習(xí)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(xué)生在以后的工作及學(xué)習(xí)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(guān)研究，奠定扎實的理論基礎(chǔ)。

3結(jié)語

本文利用COMSOLMultiphysics的有限元仿真技術(shù)，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(nèi)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(shù)，對電渦流傳感器課程內(nèi)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(xué)的不足，不但使課程變得生動有趣，還讓學(xué)生對課程中的重難點有了更深刻的認識，具有良好的教學(xué)效果，是未來現(xiàn)代化教學(xué)模式中的一種趨勢。

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