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    基于壓電陶瓷的磁致伸縮位移傳感器建模分析

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-04-19 11:03

      

           今年來,磁致伸縮位移傳感器的研究是位移傳感器領域較為新穎的研究方向,而隨著新型磁致伸縮材料的研制和回波信號拾取技術的改進使得磁致伸縮位移傳感器的應用場合越來越廣,尤其是在有腐蝕、高溫、易燃易爆等惡劣環境中。
            磁致伸縮位移傳感器是對磁致伸縮材料在磁場中的魏德曼效應的應用。其中,扭轉彈性波的品質和拾取方式是影響傳感器性能的兩個重要因素。由于該傳感器是一個多學科、復雜的測距系統,目前仍無以壓電陶瓷作拾音器是一個多學科、復雜的測距系統,目前仍無以壓電陶瓷拾音器的磁致伸縮位移傳感器系統進行建模與分析。根據磁場分布以及磁致伸縮效應分析了彈性波機理。同時根據材料力學和磁機耦合方程給出了彈性波的振動方程和信號傳遞模型。最終通過簡化壓電方程獲得系統的電壓輸出模型。
    1、磁致伸縮位移傳感器原理
           磁致伸縮位移傳感器主要由脈沖發生電路、探測桿、拾音器、信號處理電路等幾部分組成,脈沖發生電路產生脈沖激勵信號沿波導絲以光速傳播,并在波導絲線體內外產生環向磁場,同時在永久磁鐵附件存在著沿波導絲軸向的穩恒磁場。在兩個相互垂直的磁場作用下,根據磁致伸縮效應,波導絲在正交處發生瞬間扭轉形變,該扭轉變動會以彈性扭轉波的形式沿著波導絲向兩端傳播。這種扭轉波本質上是一種超聲波,根據波導絲材料的不同,速度大約在2800-3300m/s之間。當彈性扭轉波被拾音器捕獲后,經過信號處理對比可以獲得扭轉波傳播時間,因此永久磁鐵到拾音器的距離可由式算得。
           彈性扭轉波信號的接收方式有很多,常用的是基于微辣利效應的感應線圈法。本實驗中,傳感器系統采用基于壓電效應的信號拾取方法,將彈性扭轉波轉換成電壓脈沖信號。壓電轉換模塊使用杠桿結構,兩片壓電陶瓷放置時需保證極性方向相同,構成差分輸出模式。該模塊將波導絲扭轉形變轉換成壓電陶瓷形變,根據壓電效應,完成機電信號轉換。
    磁致伸縮位移傳感器
    2、彈性波激勵分析
            由于波導絲為磁致伸縮材料,在永久磁鐵的磁場影響下,波導絲內部將產生感應磁場,同時改變永久磁鐵分布。在該系統中,波導絲的長度遠遠大于其直徑,并具有幾何個向異性,即波導絲軸向上的磁感應強度遠遠大于其它方向。因此,徑向和周向的磁場分布在討論永久磁鐵磁場對彈性波影響的時候可以忽略。
            試驗中,選用兩片相同的壓電陶瓷頭程壓電轉換模塊。其中,壓電陶瓷片與微質量杠桿片以及傳感器支架等均為粘貼式結構,并作如下假設:
    (1)壓電轉換模塊各部分粘貼均視為零厚度的完美粘貼,不存在粘貼材料引起的“放電”。同時微質量杠桿片采用極小密度材料,在討論力距時忽略其質量影響;
    (2)構成差分電壓輸出的兩片壓電陶瓷具有相同參數;
    (3)試驗中使用的壓電陶瓷片為薄片結構,外界對其軸向作用遠大于徑向,因此,壓電陶瓷片可看作單軸受力。將壓電陶瓷片視為理想彈性體,在軸向作用力下厚度方向發生極小伸縮形變。
           由電壓輸出式可知,系統輸出主要磁場分布、檢測距離、波導絲和壓電陶瓷材料特性等影響。其中,磁場分布影響因素主要為永久磁鐵和脈沖電流。
    5、實驗結果與分析
            以波導絲、壓電陶瓷拾音器、電路單元為核心搭建了量程2m、精度20μm的磁致伸縮位移傳感器實驗平臺。試驗中使用頻率為250kHz、寬度為28μs的脈沖激勵電流。傳感器系統結果輸出與波導絲的魏德曼效應密不可分,而FeGa和FeNi均是良好的磁致伸縮材料。其中FeGa材料的磁致伸縮系統約為100ppm,FeNi材料約為30ppm。由上述實驗結果可知,該傳感器系統能良好的實現信號檢測。實驗結果顯示,系統輸出主要與磁場分布、檢測距離、材料參數等相關。其中,磁場分布受永久磁鐵和脈沖電流影響,輸出結果隨著距離增加存在二次函數衰減。實驗結果和預期具有一致性,證明該系統模型的可行性。
    6、結束語
           壓電陶瓷拾音器是磁致伸縮位移傳感器中回波信號接收的一種新方法,可以有效替換傳統的感應線圈法。該系統設計材料、力學、電磁學等多學科,難以建立數學模型。本文根據彈性波的振動方程、磁機耦合關系、壓電方程等推導出基于壓電陶瓷拾音器的磁致伸縮位移傳感器的系統模型。系統信號輸出是關于位移的變量,受磁場強度、脈沖電流、材料特性等影響。通過搭建的傳感器系統,驗證了模型與實驗結果具有一致性,對該系統的研究有積極意義。但是模型建立是在理想情況,忽略了阻尼效應、磁滯特性、溫度特性、壓電陶瓷的遲滯特性等,因此該模型有待進一步優化。


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