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    磁致伸縮位移傳感器Fe57Ni43波導絲的磁電特性研究

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2020-09-30 10:10

      

           軟磁材料進行磁化后,其形狀或大小發生變化的現象,即磁致伸縮效應,這是磁致伸縮位移傳感器彈性波產生的基礎。因此,與其他基于機電或壓電原理的傳感器不同,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于航天、石油、化工等工業領域。 過去,對磁致伸縮位移傳感器的研究主要集中在波導絲中彈性波的檢測,以及變形振動的分析方面。近年開始有學者對磁致伸縮傳感器的動態模型和有限元模型進行研究。然而,磁致伸縮波導絲的磁電特性研究目前卻鮮有報道,因此,本文采用自制的Fe57Ni43波導絲,綜合材料學、電磁學以及電子學對其進行研究。波導絲的磁滯效應對磁致伸縮傳感器具有很大影響。這是由于剩磁會使波導絲被磁化處同樣存在磁致伸縮現象,矯頑力與波導絲的滯后現象密切相關,飽和磁化強度影響著波導絲在磁場下的應變。因此,剩磁、矯頑力、飽和磁化強度等磁滯特性對傳感器的精確性具有重要影響。這就要求波導絲必須具有良好的磁滯特性。Wiedemann效應是磁致伸縮位移傳感器的核心。而波導絲的磁場特性直接決定著Wiedemann效應的效果。由于波導絲的電磁特性很難通過實驗精確測出,因此,本文采用有限元仿真軟件ANSYS仿真模擬出材料的磁場特性,在電磁學上為其應用于磁致伸縮位移傳感器提供理論參考。為了驗證波導絲應用于磁致伸縮位移傳感器的可行性和效果,本文通過構建基于DSP的電子系統檢測回波信號,從電子學上為其提供了實驗依據。
    1  MDS原理 
            波導絲在激勵電流作用下產生的環形磁場Фi和永磁鐵產生的穩恒磁場Фm相交時,便會瞬間合成一個螺旋形的扭轉磁場Ф,根據磁致伸縮材料的Wiedemann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超聲波。當接收線圈檢測到超聲波時,其磁通量強度B會因為逆磁致伸縮效應而發生相應變化。根據Villari效應,在檢測線圈上能夠檢測到感應電壓:e=-NSdB/dt式中,e是感應電壓;N為線圈匝數;S是線圈的截面面積;B為磁感強度。 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為: L=vt從而實現位移的測量。
    2  波導絲材料特性 
           室溫下,Fe57Ni43波導絲的磁致伸縮性能曲線可以看出,Fe57Ni43合金的飽和磁致伸縮系數為28 ppm,滿足了磁致伸縮傳感器對波導絲的磁致伸縮特性要求。由于波導絲是鐵磁性材料,因此其存在磁滯非線性特性。目前用于分析磁致伸縮器件磁滯現象的模型主要有Preisach磁滯模型、Jiles-Atherton磁滯模型、自由能磁滯模型和神經網絡磁滯模型,但是沒有一種理想的模型可以準確地描述波導絲材料的磁滯非線性特性。因此,為了準確測試波導絲的磁滯特性,本文采用VSM測試波導絲的磁滯特性。 
           Fe57Ni43波導絲的磁滯回線相關磁性能參數可以看出,Fe57Ni43的磁滯特性具有磁導率大、矯頑力小,容易磁化,也容易退磁,磁滯損耗小的特點,這起到抑制信號衰減的作用。此外,Fe57Ni43約1.26 T的超大飽和磁化強度也使其在較低磁場下具有較大應變。
    磁致伸縮位移傳感器
    3  ANSYS磁場特性分析 
    3.1  有限元模型 
           ANSYS對波導絲磁場特性進行數值分析的方法很多,其中有限元法相關數學模型最為成熟,應用也最為廣泛。其基本思想是根據變分原理,將波導絲離散為有限數目簡單單元的組合體,實際結構的磁場性能可以通過對離散單元進行分析,用符合傳感器工程精度的近似結果替代對實際波導絲的結構分析。 
    3.2  ANSYS分析 
           激勵電流是波導絲產生環形磁場的基礎。大量的實驗表明,激勵信號為脈沖電流時Wiedemann效應最佳。由于激勵過程中上升沿和下降沿的存在,所以,為了實現ANSYS對波導絲磁場特性的仿真,需要采用三維瞬態分析。為此,將整個激勵過程設置為0~2 ?s、2~78 ?s和78~ 80 ?s共3個載荷步,每個載荷步設置20個子步。 波導絲的B-H和ur-H曲線如圖5所示。它們直接影響著環形磁場的強弱和Wiedemann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,因此,直接決定了ANSYS仿真的成敗。
            波導絲的磁場特性可以分某時刻的磁場特性和磁場特性隨時間的變化兩方面來描述。由于電流的傳播速度約為光速,所以,波導絲各截面因同時受到激勵而具有相同的磁場特性。因此,本文選取z=0處的截面為參考面,t=40 ?s為參考時刻,(0.225 05 mm, 0.446 49 mm)為參考點。 波導絲參考面在參考時刻的相關磁場特性可知,波導絲在激勵脈沖電流信號的作用下,產生環形磁場,其磁場強度沿著半徑方向逐步增大。根據磁致伸縮位移傳感器原理,波導絲表面由于磁場相交產生的微小形變是彈性波產生的基礎,因此,磁場線在波導絲表面處最為密集有利于產生和加強Wiedemann效應。 參考面上參考點的磁場特性隨時間變化曲線圖可以看出,磁場特性隨激勵電流的變化而變化,最終伴隨著激勵電流的消失而消失,這有利于DSP等微處理器計算彈性波的傳輸時間,進而精確實現測量。
    4  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可知,電子系統主要由DSP微處理器、激勵電流電路、波導絲單元、信號放大電路、A/D采樣電路以及通信電路等部分組成。測試系統工作時,DSP微處理器產生一系列周期脈沖信號作用于脈沖電流電路,該脈沖電流電路此時便會產生激勵信號作用于波導絲;由于原始回波信號太過微弱,不能直接被DSP所處理,因而,先利用放大電路對其處理放大,然后DSP微處理器對A/D采樣后的信號進行FIR數字低通濾波處理,最終將處理后的數據經D/A處理放大后得到回波信號。測試3 m長的波導絲前、中、末端時,回波信號可以看出,回波信號強,長距離傳輸衰減小。這一方面從電子學上論證了Fe57Ni43波導絲的材料特性;另一方面也驗證了波導絲Wiedemann效應的效果。此外,整個波形中,雜波信號相當微弱,表明了FIR數字濾波處理方案的可行性和有效性。
    5  結  論
    1) Fe57Ni43波導絲磁導率大、矯頑力小,容易磁化,磁滯損耗小的磁滯特性,為減弱回波信號在長距離傳輸中的衰減創造了條件。
    2) 通過對Fe57Ni43波導絲磁場特性的分析,結果表明,靠近表面處的磁場最強,這有利于通過加強Wiedemann效應的效果來達到增強回波信號的 目的。
    3) 利用DSP對回波信號進行FIR處理,簡化了硬件電路,抑制了雜波信號,減小了外界溫漂等因素對信號的干擾。
    因此,對Fe57Ni43波導絲材料特性和磁場特性的研究為其應用于磁致伸縮傳感器,進一步提高國產MDS量程提供了理論依據;而基于DSP的電子設計方案則為提高國產MDS的精度和穩定性提供了新 思路。
     


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