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    大位移磁致伸縮傳感器的彈性波建模與分析

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2020-10-26 10:10

      

           位置測量方式很多,隨著測量精度和測量環境的工業性要求,傳統位置傳感器不能滿足要求。磁致伸縮位移傳感器是一種新型的位移傳感器,其有測量精度高,測量位移大,測量非接觸,適用于惡劣環境中對位置的測量。廣泛應用于石油,航空,水利,數控,自動化等工業環境中。
    目前,國內正處于對該傳感器的自主研究和設計階段,該傳感器測量位移不是很大,大位移傳感器主要靠進口。研究主要集中在傳感器材料和傳感器系統集成方面,該傳感器測量位移不大,在 5 m 以內。由于該傳感器涉及材料,力學,電磁學和信號處理交叉學科,難以對傳感器建立一個系統的數學模型。本文主要對基于 FeGa 材料為波導絲的彈性波進行建模和分析。根據波導材料的動力學原理,建立了 FeGa 磁致伸縮波導絲的彈性波振動方程。同時根據磁致伸縮材料的魏德曼效應( WiedmanEffect) 和 Jile-Atherton 磁點耦合模型給出磁致伸縮位移傳感器彈性波信號的模型以了解彈性波的傳遞
    特性。
    1、磁致伸縮位移傳感器原理
           磁致伸縮位移傳感器系統主要由脈沖發生電路,波導絲和彈性波信號接收電路 3 部分組成。發射端脈沖發生電路向磁致伸縮波導管施加一個電流脈沖 Ip,該電流脈沖沿磁致伸縮波導管向另一端傳播。此周期電流脈沖將產生一個環繞磁致伸縮波導管的環向磁場 Φc,同時在波導管外部環形永久磁鐵產生一個沿波導絲軸向的穩恒磁場 Φr。當環向磁場 Φc 遇到軸向穩恒磁場 Φr 時,產生疊加并形成一個螺旋形的合成磁場 Φ。根據磁致伸縮材料的磁致伸縮效應,在合成磁場 Φ 的作用下,將使磁致伸縮波導管產生瞬時局部扭轉變形,從而形成扭轉超聲波。該超聲波以恒定的速度v 向兩邊傳播。同時,在信號檢測線圈端,由于魏德曼效應可以檢測出彈性波信號。
    磁致伸縮位移傳感器
    2、彈性波的振動模型
           圓柱型 FeGa 材料的波導絲具有連續性,均勻性,各向同性,小變形等特性。以永久性磁鐵的位置為中心原點建立坐標,分析和建立波導絲振動力學方程??芍?,磁致伸縮彈性波是一種振動超聲波。
    3、磁機耦合方程
           因為磁致伸縮材料伸縮一般很小,同時接收線圈長度也很小,磁致伸縮過程主要與磁場和材料的機械性能相關,其中線性主要有兩個線性磁機耦合方程。假設方程中所涉及磁致伸縮,逆磁致伸縮,彈性波和磁化等有關變量都是線性相關的,因此要求在接收線圈處的磁致伸縮區域力學特性是線性的。同時由于電流的趨膚效應忽略渦流和磁致伸縮材料的磁滯效應。
    4、實驗結果與分析
           數學模型是建立在理想條件下的,其彈性波的動力學模型是自由振蕩模型,實際試驗中不可能是這樣。實驗中,激勵電流脈沖頻率為250 kHz,脈沖寬度為 28 μs。波導絲用FeGa材料,長度為2m左右,波導絲直徑約為 5 mm。信號檢測線圈匝數約為 300 匝,經過信號放大,信號濾波后,不同位置的信號幅度波形檢測,在理論模型基礎上,以 FeGa 材料為核心搭建的實驗系統很好實現了對信號的檢測。實驗中,以 2 m 為測量量程,測量了 4 個位置點原始輸出信號,實驗測量時檢測信號幅度小,在 mV 級,同時隨著距離增加輸出信號存在二次函數衰減。位置不變情況下,不同輸入電流對輸出信號幅度影響,脈沖電流越大輸出信號幅度越大,成正比例關系。該傳感器有較好的線性測量特性; 試驗中通過光柵尺對傳感器進行標記,該傳感器精度能達到 20μm。
           實驗結果顯示,輸出信號幅度與輸入電流成正比、與測量位置成反比。由于系統誤差和人工誤差和忽略了環境干擾對測量信號的影響,通過多次重復測量減少誤差,使得實驗結果和預期的結果基本吻合,說明了該彈性波模型的可行性。
    5、‘結論
           FeGa 是一種磁致伸縮系數較大的材料,以其作為波導絲能很好實現磁致伸縮位移傳感器功能。磁致伸縮位移傳感器系統是多學科交叉,建立統一模型比較復雜,很難對該系統進行定量分析。本文通過對波導絲的振動方程和材料力學方程和磁機耦合方程 3 個方面考慮,推導出了信號輸出模型是距離的變化,并假設信號的衰減。通過實驗獲得信號輸出,驗證信號輸出與模型的一致性。建模過程中,由于模型的復雜性,如溫度特性、磁滯特性、剩磁特性等被忽略了,系統模型需要進一步提高,但該模型對磁致伸縮位移傳感器的理論研究有積極意義。


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