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长线磁致伸缩位移传感器激励波的研究

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2021-08-20 09:00

  

       长线磁致伸缩位移传感器是利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应实现的一种绝对式位移传感器 ,主要用于距离测量 ,如液位测量、水位监测等领域 ,尤其是易燃易爆、易挥发、有腐蚀的环境中 。目前对长线磁致伸缩位移传感器的研究大多集中在材料制备和系统集成方面 ,对传感器机理的研究由于是涉及材料学、电磁学、力学、信号检测等多个学科的多耦合系统 ,使该种传感器的激发机理的理论研究变得非常复杂和困难。而使用 ANSYS 工具进行计算机仿真 ,可以模拟分析复杂的磁脉冲形成过程 ,解决过去单凭实验手段无法解决或极难解决的问题 ,揭示传感器内部发生的变化和相关的参数 ,是理论分析与应用研究的新途径 。
       笔者讨论了在永久磁铁和脉冲电流的共同作用下 ,长线磁致伸缩位移传感器中磁致伸缩线体材料上产生的扭转激励波形的特性和分布 ,研究对于获得准确有效的检测信号具有积极意义。
1 、基本原理
       长线磁致伸缩位移传感器基本工作原理 ,当信号激励模块在磁致伸缩线上加以脉冲电流 Ip 时 ,线体内外便会产生周向磁场 Фi ,并与永久磁铁引发的轴向磁场 Фm 合成一个瞬间扭转磁场 Ф。由于磁致伸缩效应 , 导致合成磁场处的磁致伸缩线发生瞬间形变 ,产生一定形式的弹性波 ,并沿轴向以一定的速度 v 向线的两端传播。同时 , 固定磁致伸缩线体的两固支端 A , B 两点 ,由于线体扭转产生一种噪声弹性波 ,也将沿线体进行传播。
       当检测线圈轴向的磁能量改变时 ,线圈两端便产生感应电动势 e。感应波是驱动脉冲电流 Ip 产生时 ,在磁致伸缩线体材料上产生的周向磁场作用下 ,磁致伸缩材料发生磁化和磁致伸缩变化引起的感应电动势 e;弹性波形是在磁致伸缩效应作用下磁致伸缩线体中产生了的扭转式超声波 ;固支波形是固支端产生的机械式扭转波。当该扭转波到达检测线圈位置时 ,磁性材料在逆磁致伸缩效应下产生的感应电动势 e 。e = - N S (dB/ dt) . (1)式中 : e 为感应电动势; N 为检测线圈的匝数; S 为检测线圈的等效横截面积; B 为磁通密度 (磁感应强度) 。位移的检测是通过计算弹性波从磁铁到检测线圈之间的传播时间 t 来实现的 , 设弹性波的传播速度为 v ,则永久磁铁到线圈的距离 L 如式 (2) 所绀示:L = v t .(2)
磁致伸缩位移传感器
2 、相关理论分析
       永久磁铁产生的磁场是与永久磁铁材料参数、结构特点和周边磁介质相关的物理量。当永久磁铁的材料、形状等参数发生变化时 ,都将得到不同的磁场分布。磁场中的磁致伸缩材料是一种磁材料 ,在永久磁铁的作用下 ,磁致伸缩线体材料内部将产生较强的内部磁场 ,并且改变了原有的永久磁铁磁场分布。长线磁致伸缩位移传感器中的磁致伸缩线材的长度远远大于其直径 ,通常直径小于等于 1 mm ,长度大于 1 m ,具有几何各向异性 ,即在永久磁铁磁场作用下 ,线材轴向上的磁感应强度应远远大于其它方向上的磁感应强度 ,所以 ,在讨论激励波磁场时 ,关于永久磁铁对传感器产生的磁场影响 ,只考虑线材轴向上的磁感应强度影响 ,忽略径向和周向上的磁场因素。
       假设在永久磁铁作用下 ,线体上任一横截面上各点具有相等的磁感应强度 Bm ( x) ,其中 x 表示磁性线上不同的截面坐标 , 则对应的磁场强度和磁感应强度具有如式 (3) 所示的关系 :Bm ( x) = μm Hm . (3)式中 :μm 为磁致伸缩材料轴向相对磁导率 , 磁致伸缩材料的 Hm 与磁场强度间具有非线性关系如; Hm 是轴向上的磁场 ,可由测量或仿真得到。
       传感器以方波脉冲为驱动波形。本文中命名方波脉宽为激励脉宽 T1 ;方波发生的周期为触发周期T2 . 方波脉冲将在磁致伸缩线体内外周期性地产生周向磁场 Фi 。Фi 的大小不仅与脉冲电流峰值有关 ,而且与线体直径、材料电阻率、激励频率等多种因素有实验中测量得到的某磁致伸缩线材内的激励电流波形可知 ,激励脉冲电流 I 与理论激励波形基本一致 ,是随时间阶跃变化的物理量 , 所以 , 磁场Фi 也是随时间阶跃变化的磁场。分别对 T1 和 T2期间的磁场进行讨论 , 笔者主要讨论 T1 期间磁场的变化。由于软磁材料在材料外部漏磁较少 , 线材内外的 Фi 差异较大。线体内周向磁场大小应与半径 r 呈反比关系 ,如式 (4) 所示 :B i ( r) = ki (μ, r) BM . (4)式中 :B i ( r) 为沿半径方向上周向磁场的磁感应强度; BM 为线体中周向磁场的最大值; ki (μ, r) 为比例系数 ,是与磁致伸缩材料相对磁导率μ以及位置 r相关的量 ,对于磁致伸缩材料μ是非线性的 , 所以 , ki (μ, r) 也应该是非线性的 ,但通常可在局部范围内以线性关系近似分析。在Фm 和 Фi 的耦合作用下 ,合成磁场Ф使磁致伸缩线体上不同位置产生不同的偏转。
       由于磁致伸缩线体发生的是弹性形变 ,磁畴应仅发生了可逆位移 ,这里主要是磁畴旋转 ,未发生磁畴壁移 。合成磁场 Ф的大小及转角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是磁致伸缩线体上受到的扭转磁场的磁感应强度;μ,μm 和μM 是磁致伸缩线体上不同方向上的材料的相对磁导率 ,其中 ,μ是扭转磁场方向的相对磁导率 ,μm 是沿轴向方向的相对磁导率 ,μM 是线体周向方向上的相对磁导率; Bi 是脉冲电流作用下的周向磁场的大小; BM 是周向磁场 B i 中的最大磁感应强度值 ; Bm 是永久磁铁在磁致伸缩轴线位置上磁感应强度的大小。
       在脉冲电流作用下 ,磁致伸缩线体材料上的磁畴受偏转激励磁场作用 , 沿偏转激励磁场方向磁化旋转 ,扭转角用θ来表示。在永久磁铁附近 ,合成磁场 Ф的大小及方向差异较大 ,这种差异导致脉冲电流发生时 ,磁致伸缩线体内各部分应力的非均匀分布 , 发生局部扭转强于其它大部扭转 ,从而产生有益的弹性波信号 ,弹性波的峰值点与永久磁铁磁感应强度的峰值点一致。另外 ,传感器线体各部分在合成磁场 Ф的作用下发生了大小不同的扭转 , 但在线体两端的固定端保持不动 ,这将导致线体在反作用力冲击载荷的作用下 ,在固定端面上产生扭转式弹性波 , 即固支波 ,并沿线体向远端进行传播。固支波是由于磁致伸缩线在偏转磁场的作用下发生扭转时 , 固支端产生的扭转式冲击波。
3、有限元仿真及实验分析
       笔者研究的传感器系统中永久磁铁为圆柱体铁磁材料。设定单元类型为 plane53 ,进行三角形网格划分 ,永久磁铁磁场边界呈贝赛尔曲线。磁致伸缩线材直径 1 mm ,相对磁导率满足图 2 所示的关系 ,矫顽力 303 A/ m。通过 ANSYS 磁场仿真 ,求解得到永久磁铁作用下的磁致伸缩线材内外磁场。永久磁铁的磁场 Фm 在传感器磁致伸缩线体轴线位置上磁场的分布中 x 为磁致伸缩线体轴线上的不同的位置。
       通过 ANSYS 仿真模拟 ,可得脉冲电流产生的周向磁场 Фi ,即在传感器磁致伸缩线体截面上线体内、外磁场的分布。 r 是磁致伸缩线体圆形截面的半径尺度 ,这里使用的磁致伸缩线体半径为 0. 5 mm。合成磁场 Ф在不同位置的扭转角不同 ,扭转角θ可由仿真结果数据代入式(5) ,(6) 进行计算。其中 ,各点最大扭转角计算结果可知合成磁场 Ф的大小及方向在永久磁铁附近差异较大 ,在磁致伸缩效应的作用下 ,将在永久磁铁位置处产生较大的应力 ,产生扭转式弹性波信号 ;当弹性波传播至检测线圈时 ,在逆磁致伸缩效应的作用下 ,将产生变化的磁场 ,并且 ,单位时间内磁感应强度的变化越大 ,即公式 (1) 中的dB/ dt 越大 ,所得到的感应电动势 e 越大。所以 ,磁致伸缩线体内在永久磁铁磁场作用下的磁感应强度的大小与弹性波信号强度之间具有正比关系 ,磁感应强度越大 ,弹性波信号越强 ,反之亦然。实验检测到的信号波形 ,显然 ,弹性波信号主波形与磁致伸缩线体内主轴线上磁感应强度分布的相位是一致的。
       对于长线磁致伸缩位移传感器 ,研究者更关心脉冲电流峰值发生时 ,磁致伸缩线体上发生的最大扭转角的位置和大小 ,通过仿真模拟可知 ,最大扭转角发生在永久磁铁中心位置所对应的线体位置 。在磁致伸缩线体末端 ,磁致伸缩线主要受到 146. 19 m T 的周向磁场Bi的作用 ,θ为90°,即磁畴将沿周向方向磁化偏转 ,又由于固支端的固定作用 ,一致的偏转将在末端产生剪切应力 ,导致扭转式固支波的产生。实验结果可知 ,固支波信号较弱 ,仅在接近检测线圈一端的固支波可以被检测到。
4 、结论
       笔者讨论了长线磁致伸缩位移传感器中激励波磁场的分布特性 , 建立了相关的理论模型 , 结合ANSYS 仿真结果和实验检测数据 ,得出如下结论 :
1) 求解永久磁铁磁场和脉冲电流磁场耦合产生的激励扭转磁场是强非线性耦合问题 ,可通过有限元分析取得极值参量 ;
2) 弹性波信号主波形与磁致伸缩线体内主轴线上磁感应强度分布的相位是一致的 ;
3) 固支波是由于磁致伸缩线在偏转磁场的作用下发生扭转时 ,固支端产生的扭转式冲击波 ,在传感器系统中可以检测到有效的固支波信号。


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