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            長線磁致伸縮位移傳感器激勵波的研究

            來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-08-20 09:00

              

                   長線磁致伸縮位移傳感器是利用磁致伸縮材料的磁致伸縮效應實現的一種絕對式位移傳感器 ,主要用于距離測量 ,如液位測量、水位監測等領域 ,尤其是易燃易爆、易揮發、有腐蝕的環境中 。目前對長線磁致伸縮位移傳感器的研究大多集中在材料制備和系統集成方面 ,對傳感器機理的研究由于是涉及材料學、電磁學、力學、信號檢測等多個學科的多耦合系統 ,使該種傳感器的激發機理的理論研究變得非常復雜和困難。而使用 ANSYS 工具進行計算機仿真 ,可以模擬分析復雜的磁脈沖形成過程 ,解決過去單憑實驗手段無法解決或極難解決的問題 ,揭示傳感器內部發生的變化和相關的參數 ,是理論分析與應用研究的新途徑 。
                   筆者討論了在永久磁鐵和脈沖電流的共同作用下 ,長線磁致伸縮位移傳感器中磁致伸縮線體材料上產生的扭轉激勵波形的特性和分布 ,研究對于獲得準確有效的檢測信號具有積極意義。
            1 、基本原理
                   長線磁致伸縮位移傳感器基本工作原理 ,當信號激勵模塊在磁致伸縮線上加以脈沖電流 Ip 時 ,線體內外便會產生周向磁場 Фi ,并與永久磁鐵引發的軸向磁場 Фm 合成一個瞬間扭轉磁場 Ф。由于磁致伸縮效應 , 導致合成磁場處的磁致伸縮線發生瞬間形變 ,產生一定形式的彈性波 ,并沿軸向以一定的速度 v 向線的兩端傳播。同時 , 固定磁致伸縮線體的兩固支端 A , B 兩點 ,由于線體扭轉產生一種噪聲彈性波 ,也將沿線體進行傳播。
                   當檢測線圈軸向的磁能量改變時 ,線圈兩端便產生感應電動勢 e。感應波是驅動脈沖電流 Ip 產生時 ,在磁致伸縮線體材料上產生的周向磁場作用下 ,磁致伸縮材料發生磁化和磁致伸縮變化引起的感應電動勢 e;彈性波形是在磁致伸縮效應作用下磁致伸縮線體中產生了的扭轉式超聲波 ;固支波形是固支端產生的機械式扭轉波。當該扭轉波到達檢測線圈位置時 ,磁性材料在逆磁致伸縮效應下產生的感應電動勢 e 。e = - N S (dB/ dt) . (1)式中 : e 為感應電動勢; N 為檢測線圈的匝數; S 為檢測線圈的等效橫截面積; B 為磁通密度 (磁感應強度) 。位移的檢測是通過計算彈性波從磁鐵到檢測線圈之間的傳播時間 t 來實現的 , 設彈性波的傳播速度為 v ,則永久磁鐵到線圈的距離 L 如式 (2) 所紺示:L = v t .(2)
            磁致伸縮位移傳感器
            2 、相關理論分析
                   永久磁鐵產生的磁場是與永久磁鐵材料參數、結構特點和周邊磁介質相關的物理量。當永久磁鐵的材料、形狀等參數發生變化時 ,都將得到不同的磁場分布。磁場中的磁致伸縮材料是一種磁材料 ,在永久磁鐵的作用下 ,磁致伸縮線體材料內部將產生較強的內部磁場 ,并且改變了原有的永久磁鐵磁場分布。長線磁致伸縮位移傳感器中的磁致伸縮線材的長度遠遠大于其直徑 ,通常直徑小于等于 1 mm ,長度大于 1 m ,具有幾何各向異性 ,即在永久磁鐵磁場作用下 ,線材軸向上的磁感應強度應遠遠大于其它方向上的磁感應強度 ,所以 ,在討論激勵波磁場時 ,關于永久磁鐵對傳感器產生的磁場影響 ,只考慮線材軸向上的磁感應強度影響 ,忽略徑向和周向上的磁場因素。
                   假設在永久磁鐵作用下 ,線體上任一橫截面上各點具有相等的磁感應強度 Bm ( x) ,其中 x 表示磁性線上不同的截面坐標 , 則對應的磁場強度和磁感應強度具有如式 (3) 所示的關系 :Bm ( x) = μm Hm . (3)式中 :μm 為磁致伸縮材料軸向相對磁導率 , 磁致伸縮材料的 Hm 與磁場強度間具有非線性關系如; Hm 是軸向上的磁場 ,可由測量或仿真得到。
                   傳感器以方波脈沖為驅動波形。本文中命名方波脈寬為激勵脈寬 T1 ;方波發生的周期為觸發周期T2 . 方波脈沖將在磁致伸縮線體內外周期性地產生周向磁場 Фi 。Фi 的大小不僅與脈沖電流峰值有關 ,而且與線體直徑、材料電阻率、激勵頻率等多種因素有實驗中測量得到的某磁致伸縮線材內的激勵電流波形可知 ,激勵脈沖電流 I 與理論激勵波形基本一致 ,是隨時間階躍變化的物理量 , 所以 , 磁場Фi 也是隨時間階躍變化的磁場。分別對 T1 和 T2期間的磁場進行討論 , 筆者主要討論 T1 期間磁場的變化。由于軟磁材料在材料外部漏磁較少 , 線材內外的 Фi 差異較大。線體內周向磁場大小應與半徑 r 呈反比關系 ,如式 (4) 所示 :B i ( r) = ki (μ, r) BM . (4)式中 :B i ( r) 為沿半徑方向上周向磁場的磁感應強度; BM 為線體中周向磁場的最大值; ki (μ, r) 為比例系數 ,是與磁致伸縮材料相對磁導率μ以及位置 r相關的量 ,對于磁致伸縮材料μ是非線性的 , 所以 , ki (μ, r) 也應該是非線性的 ,但通??稍诰植糠秶鷥纫跃€性關系近似分析。在Фm 和 Фi 的耦合作用下 ,合成磁場Ф使磁致伸縮線體上不同位置產生不同的偏轉。
                   由于磁致伸縮線體發生的是彈性形變 ,磁疇應僅發生了可逆位移 ,這里主要是磁疇旋轉 ,未發生磁疇壁移 。合成磁場 Ф的大小及轉角θ可由 B m 和B i 推算 ,如式 (5) , (6) 所示。B = μH =μ ( ki B Mμm ) 2 + ( BmμM ) 2 μMμm(5)θ = arctan ( B i / Bm ) .(6)式中 : B是磁致伸縮線體上受到的扭轉磁場的磁感應強度;μ,μm 和μM 是磁致伸縮線體上不同方向上的材料的相對磁導率 ,其中 ,μ是扭轉磁場方向的相對磁導率 ,μm 是沿軸向方向的相對磁導率 ,μM 是線體周向方向上的相對磁導率; Bi 是脈沖電流作用下的周向磁場的大小; BM 是周向磁場 B i 中的最大磁感應強度值 ; Bm 是永久磁鐵在磁致伸縮軸線位置上磁感應強度的大小。
                   在脈沖電流作用下 ,磁致伸縮線體材料上的磁疇受偏轉激勵磁場作用 , 沿偏轉激勵磁場方向磁化旋轉 ,扭轉角用θ來表示。在永久磁鐵附近 ,合成磁場 Ф的大小及方向差異較大 ,這種差異導致脈沖電流發生時 ,磁致伸縮線體內各部分應力的非均勻分布 , 發生局部扭轉強于其它大部扭轉 ,從而產生有益的彈性波信號 ,彈性波的峰值點與永久磁鐵磁感應強度的峰值點一致。另外 ,傳感器線體各部分在合成磁場 Ф的作用下發生了大小不同的扭轉 , 但在線體兩端的固定端保持不動 ,這將導致線體在反作用力沖擊載荷的作用下 ,在固定端面上產生扭轉式彈性波 , 即固支波 ,并沿線體向遠端進行傳播。固支波是由于磁致伸縮線在偏轉磁場的作用下發生扭轉時 , 固支端產生的扭轉式沖擊波。
            3、有限元仿真及實驗分析
                   筆者研究的傳感器系統中永久磁鐵為圓柱體鐵磁材料。設定單元類型為 plane53 ,進行三角形網格劃分 ,永久磁鐵磁場邊界呈貝賽爾曲線。磁致伸縮線材直徑 1 mm ,相對磁導率滿足圖 2 所示的關系 ,矯頑力 303 A/ m。通過 ANSYS 磁場仿真 ,求解得到永久磁鐵作用下的磁致伸縮線材內外磁場。永久磁鐵的磁場 Фm 在傳感器磁致伸縮線體軸線位置上磁場的分布中 x 為磁致伸縮線體軸線上的不同的位置。
                   通過 ANSYS 仿真模擬 ,可得脈沖電流產生的周向磁場 Фi ,即在傳感器磁致伸縮線體截面上線體內、外磁場的分布。 r 是磁致伸縮線體圓形截面的半徑尺度 ,這里使用的磁致伸縮線體半徑為 0. 5 mm。合成磁場 Ф在不同位置的扭轉角不同 ,扭轉角θ可由仿真結果數據代入式(5) ,(6) 進行計算。其中 ,各點最大扭轉角計算結果可知合成磁場 Ф的大小及方向在永久磁鐵附近差異較大 ,在磁致伸縮效應的作用下 ,將在永久磁鐵位置處產生較大的應力 ,產生扭轉式彈性波信號 ;當彈性波傳播至檢測線圈時 ,在逆磁致伸縮效應的作用下 ,將產生變化的磁場 ,并且 ,單位時間內磁感應強度的變化越大 ,即公式 (1) 中的dB/ dt 越大 ,所得到的感應電動勢 e 越大。所以 ,磁致伸縮線體內在永久磁鐵磁場作用下的磁感應強度的大小與彈性波信號強度之間具有正比關系 ,磁感應強度越大 ,彈性波信號越強 ,反之亦然。實驗檢測到的信號波形 ,顯然 ,彈性波信號主波形與磁致伸縮線體內主軸線上磁感應強度分布的相位是一致的。
                   對于長線磁致伸縮位移傳感器 ,研究者更關心脈沖電流峰值發生時 ,磁致伸縮線體上發生的最大扭轉角的位置和大小 ,通過仿真模擬可知 ,最大扭轉角發生在永久磁鐵中心位置所對應的線體位置 。在磁致伸縮線體末端 ,磁致伸縮線主要受到 146. 19 m T 的周向磁場Bi的作用 ,θ為90°,即磁疇將沿周向方向磁化偏轉 ,又由于固支端的固定作用 ,一致的偏轉將在末端產生剪切應力 ,導致扭轉式固支波的產生。實驗結果可知 ,固支波信號較弱 ,僅在接近檢測線圈一端的固支波可以被檢測到。
            4 、結論
                   筆者討論了長線磁致伸縮位移傳感器中激勵波磁場的分布特性 , 建立了相關的理論模型 , 結合ANSYS 仿真結果和實驗檢測數據 ,得出如下結論 :
            1) 求解永久磁鐵磁場和脈沖電流磁場耦合產生的激勵扭轉磁場是強非線性耦合問題 ,可通過有限元分析取得極值參量 ;
            2) 彈性波信號主波形與磁致伸縮線體內主軸線上磁感應強度分布的相位是一致的 ;
            3) 固支波是由于磁致伸縮線在偏轉磁場的作用下發生扭轉時 ,固支端產生的扭轉式沖擊波 ,在傳感器系統中可以檢測到有效的固支波信號。


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