混凝土中鋼筋腐蝕監測傳感器的設計
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2 腐蝕監測傳感器的設計
互感或耦合系數，反映線(xiàn)圈之間通過(guò)磁場(chǎng)變化相互耦合的程度，它們取決于線(xiàn)圈的匝數、幾何尺寸、磁介質(zhì)和線(xiàn)圈之間的相對位置，同時(shí)耦合系數k直接影響傳感器性能參數△f和Dip的大小。我們期望在保證兩線(xiàn)圈之間較遠的距離的前提下，能夠有較大的耦合系數。另外，考慮到為了不影響混凝土結構的性能，腐蝕監測傳感器尺寸不能太大。
ANSYS軟件是美國ANSYS公司開(kāi)發(fā)的大型通用有限元分析軟件，能夠進(jìn)行包括結構、熱、聲、流體以及電磁場(chǎng)等學(xué)科的分析，有著(zhù)廣泛的應用領(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進(jìn)行腐蝕監測，同時(shí)提高耦合系數，采用磁導率為2800軟磁鐵氧體磁棒為磁芯。通過(guò)ANSYS仿真，希望能夠得出磁棒的尺寸、線(xiàn)圈的匝數、線(xiàn)圈之間的相對位置等參數。
ANSYS磁場(chǎng)分析分為5個(gè)步驟：創(chuàng )建物理環(huán)境、建立模型、加邊界條件和載荷、求解、后處理查看計算結果。本文采用plane53單元建立1／2軸對稱(chēng)實(shí)體模型；為了更加真實(shí)的模擬線(xiàn)圈周?chē)恼鎸?shí)磁場(chǎng)，在模型的周?chē)?0 cm的空氣模型；另外為了提高計算的精度和兼顧計算機處理時(shí)間，設置自動(dòng)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(chǎng)分析，為耦合線(xiàn)圈添加名義電流，采用Lmatrix宏來(lái)計算電感和互感的大小。采用ANSYS建立的耦合線(xiàn)圈的模型如圖3所示。
2．2 磁棒尺寸的仿真設計
假設磁棒1、2的半徑和高度分別為r1、r2、h1、h2，匝數分別為N1、N2，兩線(xiàn)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(xiàn)圈半徑對k
的影響，結果如圖4所示。
在圖4中，k隨r1、r2的增大而增大。但由于線(xiàn)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r(jià)1的值，觀(guān)察k的變化，結果如圖5所示。
在圖5中，k先隨r1的增大而增大，當r1=35 mm時(shí)，達到最大值，隨后隨之減小，所以取r1=35 mm。
磁棒高度與線(xiàn)圈匝數密切相關(guān)，當改變線(xiàn)圈匝數時(shí)要兼顧磁棒高度。取r1=35 mm，r2=25 mm，h1、h2隨線(xiàn)圈匝數而改變。圖6為N1=N2時(shí)，k受匝數的影響。為了不影響混凝土結構的性能，h2最大值為20 mm，此時(shí)N2=30匝，圖7為N2=30，k隨N1變化的結果。
在圖6中，隨著(zhù)N1、N2的增大，K隨之增大；在圖7中，當N2=30匝時(shí)，隨著(zhù)N1的增加，k隨之增大，當N1>30后，k略有上升。綜上，取N1=N2=30匝，h1=h2=20 mm。
根據以上的分析，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(shí)電感的大小為L(cháng)1=200 μH、L2=140 μH。
改變兩線(xiàn)圈之間的距離s，得到不同的k值，為下面進(jìn)行其他參數仿真設計提供依據，其結果如圖8所示。從圖8可以看出，隨著(zhù)線(xiàn)圈之間距離的增加，逐漸減小。所以在實(shí)際工程使用時(shí)，為了保證線(xiàn)圈之間的較高的耦合效率，的大小要適度。
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