Optimization of coil geometries for electromagnetic induction sensors

Abstract

Bu tezde FEKO elektromagnetik benzetim program kullanılarak, elektromagnetik indüksiyon sensörleri için çeşitli geometrilerde bobin türleri tasarlandı ve istenilen frekansta iyi performans göstermeleri için en uyun hale getirildi. Temel olarak DD tipi bobin, ortak eksenli tip bobin ve `8` şekilli tip bobinler üzerinde çalışıldı. Ayrıca, tasarlanan bobinlerin performansları küçük bir küre, bozuk para ve bir çivi olmak üzere farklı geometrilerdeki üç farklı metalik hedefin tespitinde incelendi. Bobin geometrilerini serbest hava ortamında optimize ettikten sonra, hedef cismin altında bulunduğu farklı elektromagnetik özelliklere sahip toprak türlerinin bobinlerin performanslarına etkileri değerlendirildi. Bu toprak türleri sırasıyla kuru toprak, ıslak toprak ve yüksek oranda mineral içeren topraktır. Tüm toprak türleri ve bobin geometrileri için alıcı bobindeki indüklenen akım değerleri belirli derinliklerde benzetilerek bobinlerin tespit yetenekleri karakterize edilmiştir. Ayrıca ortak eksenli bobin tipi için serbest hava ortamında farklı metal hedeflerle indüksiyon voltajı ölçümleri gerçekleştirildi.

In this thesis, several coil geometries for electromagnetic induction sensors are designed and optimized to provide good performance at desired frequency using FEKO electromagnetic simulation program. After that, a comparison of different coil geometries was performed. Studied coil geometries are DD-type coil, coaxial type coil, and 8-shaped coil. Also, their performances were evaluated in detection of canonical, nonmagnetic metallic targets such as small sphere, coin, and small nail. After optimizing the coil geometries in free space, effects of several soil types, where targets lie beneath earth surface, with different electromagnetic characteristics such as dry soil, wet soil and highly mineralized ferrous soil were investigated for detection of these canonical objects. Induced current in the receive coil was simulated and observed for all types of coil geometries and soils at certain depths in order to characterize detection capabilities. Also, a prototype was prepared for coaxial type coil and induced voltage measurements were performed on air in the presence of different targets.