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新型 F es3G a11波導絲在磁致伸縮位移傳感器中的應用

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-06-10 11:07

  

       軟磁材料進行磁化后,其形狀或大小發生變化的現象,即為磁致伸縮效應或威德曼效應。這是磁致伸縮位移傳感器彈性波的產生的基礎。因此,與基千其他原理的傳感器不同,只有磁致伸縮位移傳感器才能實現非接觸測量,這種明顯優勢使其被廣泛應用千航天、石油、化工等工業領域] 。目前公開報道的磁致伸縮位移傳感器(MDS)的波導絲大多由飽和磁致伸縮系數(沁)不足3X 10-5的Fe-Ni合金制成,此類MDS的位移檢測量不超過5m。雖然有些超磁致伸縮材料的 從 超過1 X 10氣 ,但它們基本上都是燒結類材料,不能制備為波導絲,因此尤法應用于MDscsJ 。
       21世紀以來,Clark提出Fes3Ga11材料在特殊的制備工藝條件下,其心可以達到4Xl0氣雖然比燒結類材料的心小得多,但比現有Fe-Ni材料磁致伸縮性能優越,而且再加工性能良好。近期,李紀恒對Fes3Ga17波導絲的威德曼效應進行了研究,得到高達245 s/cm 的扭轉角,在材料學上說明了其優越性 。
       為此,在對比前期研究的基礎上,提出將Fes3 Ga11材料應用千大位移磁致伸縮位移傳感器。由千MDS波導絲的效果不僅取決千它的沁和威德曼扭轉角,還與其磁場特性密切相關。因此,筆者在掌握MDS原理,建立F es3G a11波導絲磁 場模 型 的基礎上,利用MATLAB對其磁場特性進行了分析,并最終結合檢測到的信號特性證明了 F es3Ga11 材 料應用于大位移MDS的可行性。
1、MDS原理
       磁致伸縮位移傳感器波導絲在激勵電流作用下產生的環形磁場中和永磁鐵產生的穩恒磁場中m 相交時 ,便會瞬間合成一 個螺旋形 的扭轉磁場中,根據磁致伸縮材料的威德曼效應,波導絲將會產生瞬間形變,由此形成 一 個向兩端傳播的扭轉彈 性波。
       當接收線圈檢測到扭轉彈性波時,其磁通量強度 B 會發生相應變化 。假設從永磁鐵到線圈的傳輸時間為t. 超聲波的傳輸速度為v, 線圈和磁鐵之間的距離L就可以用式(2)計算得到,從而實現位移的測量。
2 相關參數
       在建立磁場模型分析之前,需要確定激勵信號和波導絲的參數以及波導絲的B-H特性。大量實驗表明,激勵信號為脈沖電流時威德曼效應最佳,作者在先前的工作中已經進行了大扯研究。
       波導絲的B-H特性曲線如圖2所示。它直接影響著磁場特性的強弱和威德曼效應的效果,并對磁致伸縮位移傳感器量程的改善起著決定性作用。
磁致伸縮位移傳感器
3 磁場模型
      在 一 般 的磁場 模 型分 析 中 ,可 以直 接 利 用 安 培環路定理來得出相關模型的磁場特性分布。但是,由千作用于波導絲的激勵源并不是穩恒電流,而是脈沖電流,因此,并不能利用安培環路定理來對其進行分析。為了對波導絲在激勵電流作用下產生的磁場特性進行數學分析,筆者首先利用信號與系統的傅里葉級數理論,將周期脈沖電流信號轉換成 一 系列電磁學分析中常見的正弦電流信號,然后利用疊加原理將正弦電流信號產生時諧場進行疊加,從而得到所需要的磁場模型。
3.1 信號轉換
       設激勵電流I<t)的脈寬為''幅度為A, 周期為T。為了方便分析,選取電流信號中任意脈沖的中點時刻為參考零時刻。激勵電流可以分解為一個直流信號和一系列不同頻率的正弦信號。
3.2 分析直流分量磁場特性
       在對磁致伸縮波導絲的幾何結構進行分析時,可將其看成半徑為r的長直圓柱,分析穩恒電流信號對波導絲的作用,可將其看成圓柱體內通過電流為I'的直流信號,為了便千分析,選取圓柱坐標系0必》z為參考系,電流密度與c同向。
3.3 導絲磁場特性
       利用疊加原理分別將直流分量和正弦分量通過波導絲產生的磁場進行疊加便可求得波導絲的環形磁場H。
4 MATLAB分析
       利用數學軟件MATLAB對磁場模型進行分析,不僅能夠驗證模型的正確性,還能直觀反映Fea3 Ga17 波導絲的磁場特性。在MATLAB設計處理中,為了全面反映磁場特性,筆者采用了基于磁場強度H、時間t以及距離軸線的半徑r的三維立體分析方案,最終得到的環形磁場H。
       由圖可知,磁場強度H與時間t以及距離軸線半徑r的關系比較復雜,并不是簡單的線性關系,總的來說可以得到兩點: 一 是磁場在波導絲上維系的時間很短;二是磁場強度在波導絲表面處聚集。為了更進一步對磁場的Ht關系進行分析,任意選取波導絲上不同位置的兒個參考點。
       在脈沖周期內激勵電流剛作用千波導絲時,波導絲的磁場強度最大,并會因為激勵脈寬的緣故維系一定時間,然后隨著時間的增加逐步削弱直至消失,整個過程時間很短,在宏觀上可以理解為瞬時。此外,波導絲外表面的磁場強度不僅最大,而且消失的最快,這種磁場特性有利于單一彈性波的產生,避免了信號間的干擾。這就為MDS測量的準確性奠定了基礎。
        同樣,為了更進一步對環形磁場的H-r關系進行分析,任選了兒個參考時刻。波導絲上的磁場強度隨著離軸線的距離長度的增加而增強,并且增長幅度呈現先小后大的變化趨勢,這主要是因為激勵電流作用千波導絲產生了趨膚效應的緣故,這使得磁場線在波導絲表面處聚集。根據磁致伸縮位移傳感器原理,波導絲表面處因威德曼效應而產生的微小形變是彈性波產生的基礎。因此,磁場強度在波導絲表面處最強有利于加強威德曼效應的效果,進而起到增強彈性波,增大MDS量程的作用。此外可以看出,波導絲外表處的磁場強度不僅增加得快而且消失得也快,這有利千磁致伸縮的產生和消失,對后續回波信號的測試大有裨益。
5 信號特性測試
       信號特性測試是波導絲能否應用于磁致伸縮位移傳感器最為關鍵的一步實驗論證,其主要包括電子系統方案和信號測試結果兩部分。磁致伸縮位移傳感器信號測試系統主要由DSP微處理器,激勵電流電路,波導絲單元,信號放大電路,AD采樣電路以及通信電路等部分組成。
       測試長5m的波導絲前、中、末端時,示波器得到的回波信號如圖8所示。由圖可知,MDS采用Fes3Ga17波導絲后,不僅回波信號效果很好,而且波導絲對回波信號長距離傳輸過程中造成的衰減也很小。這不僅說明了Fes3Ga17波導絲具有良好的電磁特性,而且從電子學的角度對Clark的磁致伸縮特性研究和李紀恒的威德曼效應研究進行了論證。
6結語
      針對國產MDS因Fe-沁波導絲飽和磁致伸縮系數過小而導致的量程過短的問題,在Clark研究的基礎上,提出了將Fes3Ga17波導絲應用千MDS的新方案,并從傅里葉分析和電磁學理論的角度建立了Fes3Ga17波導絲新的磁場模型。MATLAB對磁場模型的分析表明,Fes3Ga11波導絲的電磁特性有利于增強MDS的威德曼效應,這就為新方案提供了理論基礎;測試系統對信號特性的測試結果表明,基于Fes3Ga,1波導絲的MDS具有回波信號強,長距離傳輸衰減小的特征,從而有助千增加MDS的最程,這在電子學上證明了方案的可行性。
 


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