سنسور الکتریکی

View Categories

سنسور الکتریکی

7 min read

PDF

سنسور الکتریکی
معرفی
این مثال – در یک تنظیم الکترواستاتیک ساده – توموگرافی امپدانس الکتریکی (EIT)، روشی که برای تصویربرداری از توزیع گذردهی الکتریکی در یک جسم استفاده می‌شود، نشان می‌دهد. توموگرافی با اندازه گیری جریان و ولتاژ در سطح جسم انجام می شود.
یکی از کاربردهای این تکنیک تشخیص پزشکی است. با توجه به خواص الکتریکی متفاوت اندام ها و قسمت های مختلف بدن، می توان اطلاعاتی در مورد موقعیت و حرکت آنها به صورت غیر تهاجمی به دست آورد.
این مدل نشان می دهد که چگونه می توان از بیرون شکل و قرار دادن اجسام کوچک با خواص مواد مختلف را در داخل یک جعبه تعیین کرد. اعمال اختلاف پتانسیل بر روی مرزهای جعبه، چگالی بار سطحی ایجاد می کند که بسته به توزیع گذردهی در داخل جعبه متفاوت است.
تعریف مدل
این مدل قانون گاوس را با ρ =  0 حل می کند:
جعبه حاوی هوا با ε r برابر با 1 است. اجسام مختلف از موادی با مقادیر مختلف گذردهی نسبی، ε r : 1، 2، و 3 ساخته شده‌اند.
برای به دست آوردن اختلاف ولتاژ، یک شرط زمین ( V = 0 ) در پایین تنظیم می شود در حالی که شرط  =  1 در بالای جعبه اعمال می شود. در کنار، شرایط مرزی مورد استفاده عایق الکتریکی است:  ·   =  0 .
نتایج و بحث
همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود ، چگالی بار سطحی در مطابقت مواد با گذردهی بالاتر، همانطور که انتظار می رود، بیشتر است. تصویری از ارقام داخل جعبه در نمودار چگالی بار سطحی بازتولید شده است.
شکل 1: چگالی بار سطحی (مرز)، میدان الکتریکی (چگالی جریان) و پتانسیل الکتریکی (رنگ جریان).
در داخل هندسه، خطوط جریان نشان می دهد که چگونه میدان الکتریکی تغییر می کند. میدان الکتریکی در محیط با مقدار گذردهی بیشتر کمتر است.
مسیر کتابخانه برنامه: COMSOL_Multiphysics/Electromagnetics/Electric_sensor
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی  Model  Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
در پنجره Model  Wizard ، روی  3D کلیک کنید .
2
در درخت Select  Physics ، AC/DC>Electric  Fields  and  Currents>Electrostatics  (es) را انتخاب کنید .
3
روی افزودن کلیک کنید .
4
 روی مطالعه کلیک کنید .
5
در درخت انتخاب  مطالعه ، General  Studies>Stationary را انتخاب کنید .
6
 روی Done کلیک کنید .
هندسه 1
صفحه کار 1 (wp1)
1
در نوار ابزار هندسه ، روی صفحه  کار  کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای صفحه کار  ، قسمت تعریف هواپیما را پیدا کنید .
3
در قسمت متن مختصات z ، 0.1 را تایپ کنید .
4
 روی Show  Work  Plane کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> مستطیل 1 (r1)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width 0.5 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ارتفاع ، 2 را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت نوشتار xw ، -1 را تایپ کنید .
6
در قسمت متن yw ، 0.5 را تایپ کنید .
7
 روی Build  Selected کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> مستطیل 2 (r2)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، 1.5 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ارتفاع ، 0.25 را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت نوشتار xw ، -1.5 را تایپ کنید .
6
در قسمت متن yw ، 1 را تایپ کنید .
7
 روی Build  Selected کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> مستطیل 3 (r3)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Rectangle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width ، 1.5 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ارتفاع ، 0.25 را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت نوشتار xw ، -1.5 را تایپ کنید .
6
در قسمت متن yw ، 1.75 را تایپ کنید .
7
 روی Build  Selected کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> اتحادیه 1 (uni1)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Booleans  and  Partitions کلیک کنید و Union را انتخاب کنید .
2
در پنجره Graphics کلیک کنید و سپس Ctrl+A را فشار دهید تا همه اشیا انتخاب شوند.
3
در پنجره تنظیمات برای Union ، بخش Union را پیدا کنید .
4
کادر تیک Keep  interior  borders را پاک کنید .
5
 روی Build  Selected کلیک کنید .
6
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)>بیضی 1 (e1)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Ellipse کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Ellipse ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن a-semiaxis 0.5 را تایپ کنید .
4
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت نوشتار xw ، 1.5 را تایپ کنید .
5
در قسمت متن yw ، 1.5 را تایپ کنید .
6
 روی Build  Selected کلیک کنید .
7
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)>بیضی 2 (e2)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Ellipse کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Ellipse ، بخش Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن b-semiaxis ، 0.5 را تایپ کنید .
4
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت نوشتار xw ، 1.5 را تایپ کنید .
5
در قسمت متن yw ، 1.5 را تایپ کنید .
6
 روی Build  Selected کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)>نوشتن 1 (co1)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Booleans  and  Partitions کلیک کنید و Compose را انتخاب کنید .
2
فقط اشیاء e1 و e2 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای نوشتن ، بخش نوشتن را پیدا کنید .
4
کادر تیک Keep  interior  borders را پاک کنید .
5
در قسمت Set  formulat text e1+e2 را تایپ کنید .
6
 روی Build  Selected کلیک کنید .
7
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
اکسترود 1 (ext1)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Geometry  1 روی Work  Plane   (wp1) کلیک راست کرده و Extrude را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Extrude ، بخش Distances را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
فواصل (متر)
0.8
4
 روی Build  Selected کلیک کنید .
5
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
بلوک 1 (blk1)
1
در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size  and  Shape را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Width عدد 5 را تایپ کنید .
4
در قسمت Depth text 3 را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -2 را تایپ کنید .
6
 روی Build  All  Objects کلیک کنید .
7
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
8
 روی دکمه Transparency در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
این هندسه مدل را کامل می کند.
الکترواستاتیک (ES)
زمین 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Electrostatics  (es) کلیک راست کرده و Ground را انتخاب کنید .
2
فقط مرز 3 را انتخاب کنید.
پتانسیل الکتریکی 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electric  Potential را انتخاب کنید .
2
فقط مرز 4 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات Electric  Potential ، قسمت Electric  Potential را پیدا کنید .
4
در قسمت متنی 0 ، 1 را تایپ کنید .
مواد
مواد 1 (mat1)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank  Material را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material  Contents را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
ویژگی
متغیر
ارزش
واحد
گروه اموال
گذر نسبی
epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0
1
1
پایه ای
مواد 2 (mat2)
1
روی Materials کلیک راست کرده و Blank  Material را انتخاب کنید .
2
فقط دامنه 2 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material  Contents را پیدا کنید .
4
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
ویژگی
متغیر
ارزش
واحد
گروه اموال
گذر نسبی
epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0
2
1
پایه ای
مواد 3 (mat3)
1
روی Materials کلیک راست کرده و Blank  Material را انتخاب کنید .
2
فقط دامنه 3 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material  Contents را پیدا کنید .
4
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
ویژگی
متغیر
ارزش
واحد
گروه اموال
گذر نسبی
epsilonr_iso ; epsilonrii = epsilonr_iso، epsilonrij = 0
3
1
پایه ای
مش 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Mesh  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled  Mesh را پیدا کنید .
3
از لیست اندازه عنصر  ، Fine را انتخاب کنید .
4
 روی ساخت  همه کلیک کنید .
مطالعه 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Study  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، قسمت تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
3
تیک Generate  defaults defaults را  پاک کنید .
4
در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید .
برای بازتولید نمودار نشان داده شده در شکل 1 ، با حذف برخی از مرزها به طوری که داخل جعبه قابل مشاهده باشد، شروع کنید.
نتایج
در پنجره Model  Builder ، گره Results را گسترش دهید .
مطالعه 1/راه حل 1 (sol1)
در پنجره Model  Builder ، گره Results>Datasets را گسترش دهید ، سپس روی Study  1/Solution   (sol1) کلیک کنید .
انتخاب
1
در نوار ابزار نتایج ، روی  ویژگی ها کلیک کنید و Selection را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی  را پیدا کنید .
3
از لیست سطح نهاد هندسی  ، Boundary را انتخاب کنید .
4
از لیست انتخاب ، همه  مرزها را انتخاب کنید .
5
فقط مرزهای 3-5 و 38 را انتخاب کنید.
6
 روی دکمه Transparency در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
گروه طرح سه بعدی 1
در نوار ابزار نتایج ، روی  3D  Plot  Group کلیک کنید .
سطح 1
1
روی 3D  Plot  Group  کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Surface ، روی Replace  Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component   (comp1)>Electrostatics>Currents  and  charge>es.nD  –  Surface  charge  density  –  C/m² را انتخاب کنید .
3
قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت Unit ، pC/m^2 را تایپ کنید .
4
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید .  روی تغییر  جدول رنگ  کلیک کنید .
5
در کادر محاوره ای Color  Table ، Rainbow>Cyclic را در درخت انتخاب کنید.
6
روی OK کلیک کنید .
7
در نوار ابزار 3D Plot Group 1 ، روی  Plot کلیک کنید .
8
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
ساده 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی 3D  Plot  Group  1 کلیک راست کرده و Streamline را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Streamline ، بخش Streamline  Positioning را پیدا کنید .
3
از لیست موقعیت یابی ، مقدار  کنترل شده را انتخاب کنید .
4
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید . زیربخش Line  style را پیدا کنید . از لیست نوع ، لوله را انتخاب کنید .
بیان رنگ 1
1
روی Streamline  کلیک راست کرده و Color  Expression را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Color  Expression ، روی Replace  Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component   (comp1)>Electrostatics>Electric>es.normE  –  Electric  field  norm  –  V/m را انتخاب کنید .
3
برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان  ، خودکار را انتخاب کنید .
نمودار حاصل را با نمودار 1 مقایسه کنید .