薄层电导率涡流传感器线圈的分析与优化设计

摘要

目前，四探针法是检测ITO薄膜电导率的常用方法，但其测量薄膜时，对薄膜有不可逆的破坏性。非接触涡流电导率检测方法是更好的选择，其中高灵敏涡流检测线圈的设计至关重要。为此，本文利用Maxwell有限元软件，通过构建不同参数的带磁罐的线圈模型，采用分析探头线圈的实部电压响应曲线的方法，开展涡流检测传感器探头线圈的仿真分析、优化设计工作，并采用实验法对其进行验证。主要的研究工作和结论如下： (1)完成了线圈结构参数的分析与优化设计。在仿真分析线圈结构、被测物尺寸、检测距离、频率等因素对线圈的磁场分布、响应曲线及品质因数影响的基础上，完成了线圈的优化设计工作。研究结果表明：线圈激励频率为300kHz时，平面线圈匝数为20匝，线径为0.3mm，检测距离为1mm时的电压响应曲线线性度最优，相比优化前的线圈品质因数提高了5%；螺旋线圈层数为3层，每层8匝，线径为0.2mm，检测距离为1.5mm时的电压响应曲线线性度最优，相比优化前的线圈品质因数提高了85%。 (2)开展了磁罐尺寸、电导率、磁导率对线圈阻抗和响应灵敏度影响的研究。仿真结果表明：线圈激励频率为300kHz时，增加磁路的宽度和减小磁路的长度均可增加线圈的电阻和电感，增加磁路的宽度和长度有利于线圈灵敏度的提高；电导率小于100S/m时，线圈灵敏度几乎不变，而大于100S/m时，线圈灵敏度退化；磁导率小于1500H/m时，磁导率越大，线圈的灵敏度越高，而大于1500H/m时，线圈灵敏度几乎不变。 (3)完成了以上仿真结果的实验论证。对实际绕制的不同匝数、线径的6种螺旋线圈的阻抗和品质因数进行了测量，测量与仿真结果吻合；将绕制的线圈分别应用于传感器中，测试结果表明，采用3层、8匝、0.21mm线径线圈制作的传感器输出电压为236mV，比采用l层、5匝、0.44mm线径线圈制作的传感器输出电压提高了188mV;采用优化后线圈制作的传感器对ITO的电导率进行测量，误差低于5%。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景和意义

1.2涡流技术的研究进展

1.2.1国外研究进展

1.2.2国内研究进展

1.3本文的主要研究内容和结构

2涡流检测基本原理

2.1涡流检测的基本概念和原理

2.1.1涡流检测原理

2.1.2涡流检测等效电路

2.1.3趋肤效应和趋肤深度

2.1.4涡流强度和激励频率的关系

2.1.5涡流强度和检测距离的关系

2.2二维电磁场基本理论

2.2.1麦克斯韦方程组

2.2.2位函数的引入

2.2.3电磁场中的边界条件

2.3本章小结

3涡流传感器探头线圈的优化设计

3.1探头线圈有限元建模及分析

3.1.1电磁场有限元仿真软件

3.1.2有限元算法

3.1.3建模和仿真方法

3.1.4电磁场后处理

3.2平面绕法的探头线圈优化设计

3.2.1激励频率的确定

3.2.2线圈匝数的确定

3.2.3线圈线径的确定

3.3螺旋绕法的探头线圈优化设计

3.3.1激励频率的确定

3.3.2线圈高度和层数的确定

3.3.3线圈线径的确定

3.4 线圈绕法对检测结果的影响

3.4.1磁感应强度和电场分布

3.4.2不同电导率下的电压响应

3.4.3被测物尺寸对电压响应的影响

3.4.4检测距离对检测结果的影响

3.5本章小结

4磁罐对涡流探头性能的影响

4.1铁氧体材料

4.2磁罐尺寸的分析

4.2.1磁罐尺寸对线圈阻抗的影响

4.2.2磁罐尺寸对线圈电压的影响

4.3磁罐电导率的分析

4.3.1磁罐电导率对线圈阻抗的影响

4.3.2磁罐电导率对线圈电压的影响

4.3.3磁罐电导率对磁罐损耗的影响

4.4磁罐磁导率的分析

4.4.1磁罐磁导率对线圈阻抗的影响

4.4.2磁罐磁导率对线圈电压的影响

4.5本章小结

5涡流探头的实验验证

5.1探头线圈Q值测量

5.1.1频率对线圈Q值的影响

5.1.2匝数对线圈Q值的影响

5.1.3线径对线圈Q值的影响

5.1.4磁罐磁导率对线圈Q值的影响

5.2探头线圈的性能测试

5.2.1检测仪器

5.2.2标准ITO样块

5.2.3测试传感器电路

5.3本章小结

6总结与展望

致谢

参考文献