导电板上方矩形倾斜通电线圈模型分析

• 作 者: 唐江锋 张思全
• 出 处: 科技尚品
• 发表日期: 2016年5期
• 关键词: 涡流检测 导电板 矩形倾斜线圈 阻抗计算 有限元法

　　摘要：涡流无损检测技术在导电材料检测中有着重要作用，通常材料所检测到的信号基本来自检测线圈的阻抗或次级线圈感应电压的变化。所以针对线圈阻抗的求解问题，作者以被测导电板上方倾斜矩形线圈为求解模型，考虑线圈提离高度变化情况下线圈阻抗的计算分析，利用相关有限元仿真软件ANSYS进行仿真出该涡流传感器设计的可行性，结果得出不同线圈倾斜角度下线圈阻抗的变化曲线。同时由倾斜角的变化进一步表明检测过程中抑制提离效应的重要性。
　　关键词：涡流检测；导电板；矩形倾斜线圈；阻抗计算；有限元法
　　1 介绍
　　许多学者通过线性导电板上方的空心线圈和推导任何位置任何形状的线圈表达式来研究了涡流感应问题。对于复杂形状和对称线圈的定位分析是冗长复杂的。在这些案例中，其他的计算需求通用数值模型，例如三维有限元模型。
　　本文在前人研究的基础上，对位于导电板上倾斜通电线圈，在不同倾斜角度和不同提离高度下的阻抗变化作出ANSYS有限元仿真解析结果，论证了矩形倾斜线圈的灵敏度更好，具有很好的可行性。
　　2 基本理论分析
　　导电板上方放置一单匝倾斜线圈，将线圈中通入正弦激励电流，下方的导电板假设是线性的、各部分性能相同，且各处均匀分布。导体板与线圈投影平行于v轴的直径延长线成0度角θ=（30°、45°、60°），同时可设线圈与导体板提离高度为h，其值为h=z₀+rsin（θ），其中z₀是线圈倾斜最低点与导电板的高度，线圈厚度为w₀同时为了求解方便，我们对场进行以下分区。
　　2.1 空气域
　　通电线圈的上方部分我们将其定义为空气域，记为域L₁。
　　2.2 夹层域
　　我们将通电线圈与导电板之间的这一层称之为夹层域，记为L₂。
　　2.3 导电板
　　显然，导电板构成了第三区域记之为L₃。
　　设各层材料相对磁导率为μ₁，电导率为σ_i，其中i=1，2，3。
　　在对导体板上方的线圈阻抗变化进行研究时，在保证计算精度的同时，提高计算速度，采用域截断法在距线圈轴适当的距离（设为b）处施加了一个柱形边界作为人工解域，所以只要选取较为合理的截取半径6以及级数求和项，就可控制求解速度和精度。
　　3 结果和讨论
　　图1则是对不同的线圈提离下讨论了线圈匝数为500时，不同倾斜角度下的阻抗变化。
　　随着提离高度的增加而增加，而电阻的变化与提离高度成反比，提离高度达到一定时，线圈阻抗及各部分分量都会趋于稳定。而当倾斜角度变大时，线圈的变化会随着角度的增大而减小，变化率相对较慢。
　　4 总结
　　通过有限元仿真导电板上方的矩形倾斜线圈，同时对不同的倾斜角度下线圈阻抗的变化进行了分析，结果表明，线圈倾斜角度影响线圈阻抗变化，相对而言，变化不大表明矩形线圈有较好的抑制提离效果，符合国外学者所著论著。同时，线圈的阻抗特性变化矩形线圈在检测试件时，复阻抗的变化会随着提离高度的增加而增加，其主要的增加分量是电感的变化。在倾斜角度增大时，线圈的阻抗变化会随着角度的增大而减小，这是因为在交变磁场中，线圈磁场的耦合会随着倾斜角度增大而减小。