混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器的設(shè)計(jì)
2 腐蝕監(jiān)測傳感器的設(shè)計(jì)
互感或耦合系數(shù),反映線圈之間通過磁場變化相互耦合的程度,它們?nèi)Q于線圈的匝數(shù)、幾何尺寸、磁介質(zhì)和線圈之間的相對位置,同時耦合系數(shù)k直接影響傳感器性能參數(shù)△f和Dip的大小。我們期望在保證兩線圈之間較遠(yuǎn)的距離的前提下,能夠有較大的耦合系數(shù)。另外,考慮到為了不影響混凝土結(jié)構(gòu)的性能,腐蝕監(jiān)測傳感器尺寸不能太大。
ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元分析軟件,能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場等學(xué)科的分析,有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。本文采用ANSYS10.0版本進(jìn)行仿真。
2.1 仿真步驟
為了保證在較高的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行腐蝕監(jiān)測,同時提高耦合系數(shù),采用磁導(dǎo)率為2800軟磁鐵氧體磁棒為磁芯。通過ANSYS仿真,希望能夠得出磁棒的尺寸、線圈的匝數(shù)、線圈之間的相對位置等參數(shù)。
ANSYS磁場分析分為5個步驟:創(chuàng)建物理環(huán)境、建立模型、加邊界條件和載荷、求解、后處理查看計(jì)算結(jié)果。本文采用plane53單元建立1/2軸對稱實(shí)體模型;為了更加真實(shí)的模擬線圈周圍的真實(shí)磁場,在模型的周圍建立20 cm的空氣模型;另外為了提高計(jì)算的精度和兼顧計(jì)算機(jī)處理時間,設(shè)置自動網(wǎng)格劃分精度Smart Size為3;在空氣四周添加平行邊界條件;利用二維靜態(tài)磁場分析,為耦合線圈添加名義電流,采用Lmatrix宏來計(jì)算電感和互感的大小。采用ANSYS建立的耦合線圈的模型如圖3所示。
2.2 磁棒尺寸的仿真設(shè)計(jì)
假設(shè)磁棒1、2的半徑和高度分別為r1、r2、h1、h2,匝數(shù)分別為N1、N2,兩線圈之間的距離為s。令h1=h2=20 mm,N1=12,N2=26,s=20 mm。取r1=r2=5、10、15、20、25 mm,仿真線圈半徑對k的影響,結(jié)果如圖4所示。
在圖4中,k隨r1、r2的增大而增大。但由于線圈2需埋入鋼筋混凝土中,為不影響其性能,尺寸不能太大,所以取r2=25 mm。改變r1的值,觀察k的變化,結(jié)果如圖5所示。
在圖5中,k先隨r1的增大而增大,當(dāng)r1=35 mm時,達(dá)到最大值,隨后隨之減小,所以取r1=35 mm。
磁棒高度與線圈匝數(shù)密切相關(guān),當(dāng)改變線圈匝數(shù)時要兼顧磁棒高度。取r1=35 mm,r2=25 mm,h1、h2隨線圈匝數(shù)而改變。圖6為N1=N2時,k受匝數(shù)的影響。為了不影響混凝土結(jié)構(gòu)的性能,h2最大值為20 mm,此時N2=30匝,圖7為N2=30,k隨N1變化的結(jié)果。
在圖6中,隨著N1、N2的增大,K隨之增大;在圖7中,當(dāng)N2=30匝時,隨著N1的增加,k隨之增大,當(dāng)N1>30后,k略有上升。綜上,取N1=N2=30匝,h1=h2=20 mm。
根據(jù)以上的分析,取r1=35 mm、r2=25 mm、N1=N2=30匝、h1=h2=20 mm。進(jìn)行耦合電感的繞制,此時電感的大小為L1=200 μH、L2=140 μH。
改變兩線圈之間的距離s,得到不同的k值,為下面進(jìn)行其他參數(shù)仿真設(shè)計(jì)提供依據(jù),其結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出,隨著線圈之間距離的增加,逐漸減小。所以在實(shí)際工程使用時,為了保證線圈之間的較高的耦合效率,的大小要適度。
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