基于COMSOL Mutiphysics電阻抗傳感器的建模及仿真

羅霄華

摘 要：采用多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL Multiphysics對(duì)電阻式傳感器進(jìn)行建模與仿真，模型模擬放置在內(nèi)含空氣填充腔的導(dǎo)體立方體的單個(gè)電極中。在后期處理中，通過阻抗來反推空腔位置。

關(guān)鍵詞：傳感器；COMSOL Multiphysics；空氣填充腔；阻抗

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.085

1 模型簡(jiǎn)介

電阻抗測(cè)量長(zhǎng)被應(yīng)用于成像和探測(cè)，應(yīng)用范圍包括無損傷測(cè)試、地球物理成像和醫(yī)學(xué)成像等，比如新生兒重癥監(jiān)護(hù)時(shí)監(jiān)視嬰兒的肺功能。頻率范圍從小于1 Hz到約1 GHz，與應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)。本模型模擬放置在內(nèi)含空氣填充腔的導(dǎo)體立方體的單個(gè)電極，模型如圖1所示。立方體的下部與側(cè)面接地。在后期處理中，我們可以繪制空腔橫向位置對(duì)測(cè)量阻抗的曲線。電阻抗測(cè)量具有速度快、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際中，我們通過阻抗來反推空腔位置。

在本文中，我們使用物理場(chǎng)是AC/DC模塊的電流模式。當(dāng)感應(yīng)作用可以忽略時(shí)，該模式對(duì)模擬交流問題十分有用，可求解域的底部和垂直邊為接地邊界條件。除電極外均為絕緣，電極上施加1 A的均勻分布電流源。

2 建模過程

2.1 模型向?qū)?/p>

對(duì)于圖1所示的模型，通過分析根據(jù)有限元理論可以采用二維繪圖。該模型應(yīng)用物理場(chǎng)，選用低頻電磁場(chǎng)下的電流模式，研究類型設(shè)為頻域。

打開“模型向?qū)А贝翱?，模型空間維度為二維，單擊“Next”，在添加物理樹中選擇“低頻電磁場(chǎng)→電流（ec）“，單擊“Next”，選擇研究類型為“頻域”，單擊“Finish”。具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.2 全局定義

在這個(gè)步驟中，主要是完成模型的參數(shù)設(shè)置，模型參數(shù)如表1所示。具體做法是在模型構(gòu)建器窗口中，右鍵單擊“全局定義”和“選擇參數(shù)”。

2.3 幾何1

第一步，繪制矩形1，即在模型構(gòu)建器窗口中，在模型1右鍵單擊“幾何1”和“選擇長(zhǎng)方形”；在矩形設(shè)置窗口中，輸入長(zhǎng)1、寬0.5.定位部分：在x輸入-0.5，在y輸入-0.5，點(diǎn)擊“創(chuàng)建選定”即可完成矩形1的創(chuàng)建。

第二步，創(chuàng)建點(diǎn)1，即在模型構(gòu)建器窗口中，右鍵單擊“幾何1”和“選擇點(diǎn)”，點(diǎn)的設(shè)置窗口中找到“關(guān)鍵部分”，輸入點(diǎn)坐標(biāo)，在x輸入-0.01，點(diǎn)擊“創(chuàng)建選定”。

第三步，創(chuàng)建點(diǎn)2，即右鍵單擊“幾何1”和“選擇點(diǎn)”，在點(diǎn)的設(shè)置窗口中找到“關(guān)鍵部分”，輸入點(diǎn)坐標(biāo)，x輸入0.01，點(diǎn)擊“創(chuàng)建選定”完成矩形2的創(chuàng)建。

2.4 電流節(jié)點(diǎn)

在這一步驟中主要完成有關(guān)電流參數(shù)以及邊界條件的設(shè)定。具體流程為：雙擊“電流”→方程形式頻域→1 MHz。

頻域設(shè)定：電流守恒1→電導(dǎo)率→用戶定義→相對(duì)介電常數(shù)→用戶定義。

電導(dǎo)率設(shè)定：右擊“電流”→終端→選中兩電極之間的部分→輸入電流為1 A。

2.5 網(wǎng)格

對(duì)于網(wǎng)格剖分，此模型是二維圖形，采取自由剖分三角形網(wǎng)格即可，但為了保證精度，可以將網(wǎng)格細(xì)化。具體流程為：右擊“網(wǎng)格”→網(wǎng)格自由剖分三角形網(wǎng)格→雙擊“尺寸”→約束單元尺寸（保證足夠的單元數(shù)）→創(chuàng)建選定。

2.6 求解

求解的具體流程為：右擊“求解1”→顯示缺省求解器→穩(wěn)態(tài)求解→參數(shù)化1→輸入?yún)?shù)名稱x0，范圍range （-0.5，0.01，0.5）→計(jì)算。具體如圖2所示。

分析：直接計(jì)算得到的是模型表面的電勢(shì)分布圖，我們可以看到在電極附近電勢(shì)最高符合理論。

3 仿真

仿真的具體流程為：雙擊“電勢(shì)下的面1”→將表達(dá)式改為電流密度?！x擇參數(shù)如x0=0（可以選擇任意值）→繪圖。從仿真圖3可看到在空腔與電極的狹縫區(qū)電流密度模最大，符合理論。

為了使仿真圖對(duì)比更加明顯，可以通過修改表達(dá)式和調(diào)節(jié)顏色范圍，將電流密度模取20×log10（ec.normJ），調(diào)節(jié)顏色在-40～40. 由于進(jìn)行了顏色調(diào)節(jié)設(shè)置，整體顏色相比之前區(qū)別度更大，有利于觀察。繪制阻抗曲線圖時(shí)，需要進(jìn)行一維繪圖組，具體做法為：右擊“結(jié)果”→ 一維繪圖組→全局→電流→阻抗→繪圖，完成阻抗圖；右擊“導(dǎo)出”→動(dòng)畫→導(dǎo)出阻抗圖，完成阻抗繪制動(dòng)態(tài)圖。

圖像變換域去噪方法是對(duì)圖像進(jìn)行某種變換，將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到變換域，再對(duì)變換域中的變換系數(shù)進(jìn)行處理，再進(jìn)行反變換將圖像從變換域轉(zhuǎn)換到空間域來達(dá)到去除圖像噪聲的目的。將圖像從空間轉(zhuǎn)換到變換域的變換方法很多，比如傅里葉變換、小波變換及Ridgelet變換。每種變換的變換域得到的系數(shù)都有不同的特點(diǎn)，合理地處理變換系數(shù)，再通過反變換將圖像還原到空間域可以有效地達(dá)到去除噪聲的目的。

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作者簡(jiǎn)介：馬云（1991—），女，回族，河南鄭州人，西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，工程碩士，研究方向?yàn)楣怆妭鞲小y(cè)量與顯示技術(shù)。

〔編輯：劉曉芳〕