FEMM 5

Электрическое поле тока · Плоскопараллельная

Четырёхзондовое измерение поверхностного сопротивления

Круглая плёнка радиуса 200 мм и толщины 0.1 мм. Четыре соосные позиции с шагом 10 мм: токовые контакты x=±15 мм, измерительные точки x=±5 мм. Радиус токовых контактов 0.2 мм.

Цель работы — связать полевое распределение с измеряемой величиной, получить проверяемый численный результат и объяснить границы выбранной модели. Все параметры заданы непосредственно в программе. Собственная постановка содержит физический ориентир и критерии приёмки, поэтому результат можно исследовать без внешней библиотеки готовых решений.

Самостоятельная учебная модель FEMM 5: от физических соотношений к полевому решению и проверке результата.

Допущения и устройство учебной модели

Все размеры, свойства материалов и условия возбуждения заданы ниже. Численные результаты относятся к опубликованной версии модели FEMM 5.

Физическая и математическая постановка

Теория и контрольная модель

Четырёхзондовый метод отделяет подвод тока от измерения напряжения. Внешние контакты задают ток, внутренние потенциальные точки не отбирают его. Для достаточно большой однородной тонкой плёнки измеренное отношение ΔU/I связано с поверхностным сопротивлением множителем π/ln2.

Численная модель конечна: внешний край круга электрически изолирован, а токовые контакты имеют конечный радиус. Поэтому аналитическая формула бесконечной плоскости используется с допуском 1 процент. Один токовый контакт имеет заданный полный ток, второй заданный потенциал ноль; его суммарный ток является реакцией решателя. Такая постановка фиксирует калибровку потенциала и сохраняет баланс.

R_{\square}=\frac{1}{\sigma d}=\frac{\pi}{\ln2}\frac{\Delta U}{I}

Как читать расчёт и проверки

Программа создаёт три последовательные дискретизации. Для каждой сохраняются отдельная входная модель и собственное решение FEMM. Перед запуском решателя записанный файл закрывается и повторно открывается: проверяется именно сохранённая версия с русскими именами материалов, проводников и границ. В result.json величины records сопровождаются числом узлов и элементов, а checks содержит фактический остаток, предел и логический итог.

Для электрических моделей отдельно проверяются баланс токов на выводах и равенство суммарных джоулевых потерь и активной мощности на выводах. Для тепловых задач используются аналитический профиль, эквивалентное координатное преобразование или интегральный баланс источников и теплоотдачи. Эти проверки отвечают на разные вопросы: совпадение одной температуры или одного тока само по себе не подтверждает правильность всей постановки.

Практическое исследование

Увеличьте радиус образца и проследите приближение к формуле бесконечной плёнки. Изменяйте внешнюю область отдельно от сетки около контактов, иначе два вида погрешности окажутся смешанными в одном результате.

Уменьшите радиус токовых контактов при прежнем шаге зондов. Напряжение на выводах токовых электродов и напряжение между внутренними точками чувствительны к радиусу по-разному. Объясните, почему четырёхзондовое измерение полезнее двухзондового.

Измените ток в два раза и проверьте сохранение ΔU/I. Затем отдельно измените толщину плёнки. Уточните различие между поверхностным сопротивлением в омах на квадрат и объёмным удельным сопротивлением в Ом м.

Исходные данные

Круглая плёнка радиуса 200 мм и толщины 0.1 мм. Четыре соосные позиции с шагом 10 мм: токовые контакты x=±15 мм, измерительные точки x=±5 мм. Радиус токовых контактов 0.2 мм.

Величины, единицы и происхождение параметров
ПараметрЗначениеЕдиницаПроисхождение
Радиус образца200ммПринято в учебной постановке
Шаг зондов10ммПринято в учебной постановке
Радиус токового контакта0,2ммПринято в учебной постановке
Толщина0,1ммПринято в учебной постановке
Ток0,01АПринято в учебной постановке

Порядок воспроизведения

  1. Скопируйте reproduce.py в отдельную рабочую папку и откройте его во встроенном редакторе Python FEMM 5. Запускайте файл целиком. Программа сама создаёт новый каталог calculated-XX рядом с файлом, поэтому повторная серия сохраняет предыдущие модели и результаты.
  2. До расчёта прочитайте параметры и единицы. После расчёта откройте последнюю входную модель и соответствующее решение. Сопоставьте назначение русских имён с физическим смыслом, определите путь тока или теплового потока и найдите величины, используемые в контрольной формуле.
  3. Сравните все три записи records и убедитесь, что каждый пункт checks имеет passed=true. Уточните различие между ошибкой аналитического сравнения, изменением по сетке, невязкой баланса и итерационным остатком. Для модели с координатным преобразованием откройте также отдельную контрольную геометрию.
  4. Выполните исследовательские варианты по одному. Перед изменением предскажите знак и примерный масштаб эффекта. В отчёте приведите выбранные параметры, контрольную формулу, таблицу сеток, независимые проверки и объяснение того, какие выводы можно переносить на реальный объект.

Скачайте нужные файлы по отдельным ссылкам ниже в одну рабочую папку, затем откройте reproduce.py во встроенном Python FEMM 5 и выполните его. Сохраните имена файлов и структуру подпапок. Условия конкретного запуска и путь новых результатов указаны в комментариях программы.

Программа встроенного Python FEMM 5
Python · reproduce.py
"""Самостоятельная лабораторная работа курса FEMM 5.
Запуск: встроенный MicroPython FEMM 5, команды FEMM доступны непосредственно.
Геометрические координаты и глубина — мм; результаты интегралов — единицы СИ.
Данные, допущения, аналитические ориентиры и ход исследования заданы в README.md.
Каждая серия записывается в новую calculated-XX; прежние результаты сохраняются.
Сохранённая модель закрывается и открывается до расчёта, включая русские имена.
"""

import os
import sys
import json
import math

script = globals().get("__file__", "") or (sys.argv[0] if sys.argv else "")
base = os.path.dirname(os.path.abspath(script)) if script else os.getcwd()
index = 1
while "calculated-%02d" % index in os.listdir(base):
    index += 1
directory = base + "/calculated-%02d" % index
os.mkdir(directory)
records = []
checks = []


def real(value):
    if isinstance(value, (tuple, list)):
        return real(value[0])
    return complex(value).real


def check(name, value, limit):
    checks.append(
        {
            "name": name,
            "value": value,
            "limit": limit,
            "passed": math.isfinite(value) and value <= limit,
        }
    )


def polygon(prefix, points):
    for x, y in points:
        globals()[prefix + "_addnode"](x, y)
    for i, (x, y) in enumerate(points):
        x2, y2 = points[(i + 1) % len(points)]
        globals()[prefix + "_addsegment"](x, y, x2, y2)


def geometry(prefix, job, mesh):
    if job.get("polygon"):
        polygon(prefix, job["polygon"])
    for x1, y1, x2, y2 in job.get("interfaces", []):
        globals()[prefix + "_addnode"](x1, y1)
        globals()[prefix + "_addnode"](x2, y2)
        globals()[prefix + "_addsegment"](x1, y1, x2, y2)
    for x, y, radius, name in job.get("circles", []):
        globals()[prefix + "_addnode"](x - radius, y)
        globals()[prefix + "_addnode"](x + radius, y)
        globals()[prefix + "_addarc"](x - radius, y, x + radius, y, 180, 1)
        globals()[prefix + "_addarc"](x + radius, y, x - radius, y, 180, 1)
        globals()[prefix + "_selectarcsegment"](x, y + radius)
        globals()[prefix + "_selectarcsegment"](x, y - radius)
        if prefix == "ci":
            ci_setarcsegmentprop(1, "<None>", 0, 0, name or "<None>")
        else:
            hi_setarcsegmentprop(1, name or "<None>", 0, 0, "<None>")
        globals()[prefix + "_clearselected"]()
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        globals()[prefix + "_addblocklabel"](x, y)
        globals()[prefix + "_selectlabel"](x, y)
        globals()[prefix + "_setblockprop"](name, 0, mesh, group)
        globals()[prefix + "_clearselected"]()


def current(job, mesh, stem):
    newdocument(3)
    ci_probdef("millimeters", "planar", 0, 1e-10, job["depth"], 30)
    for name, sx, sy in job["materials"]:
        ci_addmaterial(name, sx, sy, 1, 1, 0, 0)
    for name, voltage, amperes, kind in job["terminals"]:
        ci_addconductorprop(name, voltage, amperes, kind)
    geometry("ci", job, mesh)
    for x, y, name in job.get("electrode_segments", []):
        ci_selectsegment(x, y)
        ci_setsegmentprop("<None>", mesh, 0, 0, 0, name)
        ci_clearselected()
    path = directory + "/" + stem + ".fec"
    ci_saveas(path)
    ci_close()
    opendocument(path)
    ci_analyze(1)
    ci_loadsolution()
    co_smooth("off")
    terminals = {}
    terminal_power = 0
    balance = 0
    current_scale = 0
    for name, voltage, amperes, kind in job["terminals"]:
        u, i = co_getconductorproperties(name)
        terminals[name] = {"U_V": real(u), "I_A": real(i)}
        terminal_power += real(complex(u) * complex(i).conjugate())
        balance += complex(i)
        current_scale = max(current_scale, abs(complex(i)))
    powers = {}
    power = 0
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        if name == "<No Mesh>":
            continue
        co_groupselectblock(group)
        powers[str(group)] = real(co_blockintegral(0))
        power += powers[str(group)]
        co_clearblock()
    samples = []
    for x, y in job.get("samples", []):
        values = co_getpointvalues(x, y)
        samples.append(
            {
                "x_mm": x,
                "y_mm": y,
                "U_V": real(values[0]),
                "J_A_m2": math.sqrt(
                    abs(complex(values[1])) ** 2 + abs(complex(values[2])) ** 2
                ),
            }
        )
    row = {
        "model": stem + ".fec",
        "mesh_mm": mesh,
        "nodes": co_numnodes(),
        "elements": co_numelements(),
        "terminals": terminals,
        "P_W": power,
        "group_power_W": powers,
        "samples": samples,
        "current_balance_relative": abs(balance) / current_scale,
        "power_balance_relative": abs(power - terminal_power) / max(power, 1e-30),
    }
    check(stem + ": баланс токов", row["current_balance_relative"], 1e-6)
    check(stem + ": баланс мощности", row["power_balance_relative"], 1e-6)
    co_close()
    ci_close()
    return row


def heat(job, mesh, stem):
    newdocument(2)
    hi_probdef("millimeters", "planar", 1e-10, job["depth"], 30)
    for name, kx, ky, q in job["materials"]:
        hi_addmaterial(name, kx, ky, q, 0)
    for name, kind, temp, ambient, h in job["boundaries"]:
        hi_addboundprop(name, kind, temp, 0, ambient, h, 0)
    geometry("hi", job, mesh)
    for x, y, name in job.get("boundary_segments", []):
        hi_selectsegment(x, y)
        hi_setsegmentprop(name, mesh, 0, 0, 0, "<None>")
        hi_clearselected()
    path = directory + "/" + stem + ".feh"
    hi_saveas(path)
    hi_close()
    opendocument(path)
    hi_analyze(1)
    hi_loadsolution()
    ho_smooth("off")
    averages = {}
    generated = 0
    for x, y, name, group in job["blocks"]:
        ho_groupselectblock(group)
        averages[str(group)] = real(ho_blockintegral(0))
        volume = real(ho_blockintegral(2))
        q = [m[3] for m in job["materials"] if m[0] == name][0]
        generated += q * volume
        ho_clearblock()
    samples = []
    for x, y in job.get("samples", []):
        samples.append({"x_mm": x, "y_mm": y, "T_K": real(ho_getpointvalues(x, y)[0])})
    convection = 0
    for x1, y1, x2, y2, ambient, h in job.get("convection_edges", []):
        count = 200
        total = 0
        for n in range(count + 1):
            t = real(
                ho_getpointvalues(
                    x1 + (x2 - x1) * n / count, y1 + (y2 - y1) * n / count
                )[0]
            )
            total += (0.5 if n in (0, count) else 1) * (t - ambient)
        length = math.sqrt((x2 - x1) ** 2 + (y2 - y1) ** 2) * 0.001
        convection += total / count * length * job["depth"] * 0.001 * h
    row = {
        "model": stem + ".feh",
        "mesh_mm": mesh,
        "nodes": ho_numnodes(),
        "elements": ho_numelements(),
        "samples": samples,
        "group_average_K": averages,
        "generated_W": generated,
        "convection_W": convection,
    }
    if job.get("convection_edges"):
        check(
            stem + ": баланс конвективного теплоотвода",
            abs(convection - generated) / max(generated, 1e-30),
            0.005,
        )
    ho_close()
    hi_close()
    return row


JOB = json.loads(
    '{"depth": 0.1, "materials": [["Резистивная плёнка", 1000, 1000]], "terminals": [["Токовый вход", 0, 0.01, 0], ["Токовый выход", 0, 0, 1]], "circles": [[0, 0, 200, ""], [-15, 0, 0.2, "Токовый вход"], [15, 0, 0.2, "Токовый выход"]], "blocks": [[0, 50, "Резистивная плёнка", 1], [-15, 0, "<No Mesh>", 0], [15, 0, "<No Mesh>", 0]], "samples": [[-5, 0], [5, 0]]}'
)
for level, mesh in enumerate((8, 4, 2)):
    row = current(JOB, mesh, "model-%02d" % (level + 1))
    row["transfer_resistance_ohm"] = (
        row["samples"][0]["U_V"] - row["samples"][1]["U_V"]
    ) / 0.01
    row["sheet_resistance_ohm"] = math.pi / math.log(2) * row["transfer_resistance_ohm"]
    records.append(row)
reference = 1 / (1000 * 0.0001)
check(
    "Бесконечная плёнка: конечная область и контактный радиус",
    abs(records[-1]["sheet_resistance_ohm"] / reference - 1),
    0.01,
)
check(
    "Сходимость четырёхзондового сопротивления",
    abs(records[-1]["sheet_resistance_ohm"] / records[-2]["sheet_resistance_ohm"] - 1),
    0.005,
)

result = {
    "runtime": "FEMM 5; embedded MicroPython",
    "records": records,
    "checks": checks,
    "passed": all(item["passed"] for item in checks),
}
with open(directory + "/result.json", "w") as output:
    json.dump(result, output)
print(json.dumps(result))
assert result["passed"]

Картина рассчитанного поля

Потенциал, В: model-03.anc
Визуализация сохранённого решения FEMM 5 model-03.anc. Электрический потенциал по сохранённым узловым значениям. Показана расчётная область. Контуры деталей взяты из той же модели. Области вне сохранённых треугольников не заполняются. Это научный график сохранённых данных. Нажмите на карту, чтобы открыть её отдельно и увеличить.

Окна FEMM 5

Снимки интерфейса FEMM показывают геометрию, настройки и работу с результатами в FEMM 5. Откройте изображение, чтобы рассмотреть подписи и значения в полном размере.

Увеличенная область токовых контактов четырёхзондовой модели: контакты радиусом 0,2 мм расположены при x = ±15 мм. Два потенциальных зонда задаются точками считывания решения, без отдельных проводящих областей. Внешняя граница плёнки за кадром; подписи скрыты.
Увеличенная область токовых контактов четырёхзондовой модели: контакты радиусом 0,2 мм расположены при x = ±15 мм. Два потенциальных зонда задаются точками считывания решения, без отдельных проводящих областей. Внешняя граница плёнки за кадром; подписи скрыты. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Четырёхзондовое измерение поверхностного сопротивления». Модуль потенциала |V|, В, возле токовых контактов четырёхзондового измерения. Увеличенная область плёнки; внешняя граница за кадром.
Сохранённое решение «Четырёхзондовое измерение поверхностного сопротивления». Модуль потенциала |V|, В, возле токовых контактов четырёхзондового измерения. Увеличенная область плёнки; внешняя граница за кадром. Открыть в полном размере

Результаты и численные проверки

Сохранено решений FEMM: 3. Выполнено проверок: 8. Полная точность чисел и условия сравнения доступны в таблицах результатов JSON.

Результаты расчётов и производные итоги
Передаточное сопротивление, ОмМасштаб сетки, ммМощность области, ВтПоверхностное сопротивление, ОмЭлементовКонтрольные точкиЭлектродыОтносительная невязка токаОтносительная невязка мощностиМощность, ВтУзловМодель
2,184344381 полей; полные данные JSON9,9002349126822 точек; полные данные JSON2 полей; полные данные JSON58,882413 × 10⁻¹²775,01502 × 10⁻¹⁵0,00153072396880model-01.fec
2,220276341 полей; полные данные JSON10,063092231842 точек; полные данные JSON2 полей; полные данные JSON26,454186 × 10⁻¹²956,91566 × 10⁻¹⁵0,00154135712131model-02.fec
2,217685521 полей; полные данные JSON10,051349777882 точек; полные данные JSON2 полей; полные данные JSON42,985754 × 10⁻¹²1,888025 × 10⁻¹²0,001555304139601model-03.fec
Проверки опубликованного расчёта
КритерийПолученоДопуск или ожидаемое значениеИтог
model-01: баланс токов58,88 × 10⁻¹²1e-06Выполнен
model-01: баланс мощности775 × 10⁻¹⁵1e-06Выполнен
model-02: баланс токов26,45 × 10⁻¹²1e-06Выполнен
model-02: баланс мощности956,9 × 10⁻¹⁵1e-06Выполнен
model-03: баланс токов42,99 × 10⁻¹²1e-06Выполнен
model-03: баланс мощности1,888 × 10⁻¹²1e-06Выполнен
Бесконечная плёнка: конечная область и контактный радиус0,0051350,01Выполнен
Сходимость четырёхзондового сопротивления0,0011670,005Выполнен

Допуски относятся к указанной учебной задаче и способу сравнения. Число показанных цифр не означает такой же физической точности.

Модели, решения и программа

Для нового расчёта сохраните программу, модели и необходимые данные в одну рабочую папку, сохраняя структуру подпапок.

Полные численные результаты

Границы применимости