長線磁致伸縮位移傳感器的磁極化強度模型

       長線磁致伸縮位移傳感器是一種絕對式位移傳感器 ,主要用于距離測量 ,如液位測量、水位監測等領域 , 尤 其 是 易 燃易爆、易揮發、有腐蝕的環境中 。

       在該種傳感器中 ,彈性波信號品質的優劣直接決定著傳感器的檢測精度 ,而彈性波產生機理的研究對于獲得品質良好的信號具有積極的意義 。磁致伸縮傳感器中的能量轉換進行了初步的討論 ,建立了磁致線截面上扭轉變形的一般模型 ,但沒有能夠給出磁致線軸向連續介質上的激勵源特性。本文構建了彈性波激勵源的磁極化強度模型 ,討論了激勵磁場在磁致伸縮線體內產生的應力分布特性 ,以及應力分布與彈性波的關系。

1、基本原理

       長線磁致伸縮位移傳感器基本工作原理是當給磁致伸縮線加以脈沖電流 Ip 時 ,線體內外便會產生周向磁場 Фi ,并與永久磁鐵引發的軸向磁場合成一個瞬間扭轉磁場 。由于磁致伸縮效應 ,導致合成磁場處的磁致伸縮線發生瞬間形變 ,進而產生一定形式的彈性波 , 并沿軸向以一定的速度 v向線的兩端傳播。當彈性波到達檢測線圈時 ,由于逆磁致伸縮效應 ,檢測線圈處的磁疇發生改變 ,進而引起檢測線圈軸向的磁感應強度發生變化 , 線圈兩端便產生了隨時間變化的感應電動勢 。

2、磁極化強度模型

       磁極化強度矢量是用來描述磁介質的磁化狀態的物理量。磁致伸縮線體內各磁疇端面的應力大小。線體內的各截面磁場大小不同 , 則應力分布不同 ,表征了不同截面上的應力分布 ,即線體在軸向上受到的應力分布情況。

3、有限元仿真及實驗分析

       本文通過建立二維有限元簡化模型 ,進行 AN2SYS仿真模擬 ,獲得實驗手段難以測定的磁致伸縮線材內部的磁場特性  ,包括永久磁鐵作用下線材內部的耦合磁場和脈沖電流作用下線材內部磁場的數值解。

       設定單元類型為 plane53, 進行三角形網格劃分 ,永久磁鐵磁場邊界呈貝賽爾曲線。磁致伸縮線材直徑為 1 mm ,材料的磁滯回線特性曲線如圖 2所示 ,矯頑力為 303 A /m。通過 ANS YS磁場仿真 ,求解得到永久磁鐵的磁場 Ф 在傳感器磁致伸縮線體軸線位置上磁場的分布如圖 3所示 ,圖中 x為磁致伸縮線體軸線上的不同的位置 ,并以對應永久磁鐵中心位置為 x的坐標原點位置。

       設定激勵脈沖電流 Ip 的峰值電流為 1 A ,材料參數同上 ,通過仿真模擬 ,可得脈沖電流產生的周向磁場。

       顯然 ,磁極化強度模型對仿真結果數據計算得到的 5tm ax /5x數據結果能夠較好地反映彈性波的分布特性。當然 ,檢測線圈處磁致伸縮線體內磁場的初始分布等其它因素也會對所采集的彈性波信號產生影響 ,應在進一步的研究中予以考慮。

4、結論

       本文以電磁學和鐵磁學相關理論為基礎 ,構建了產生彈性波的磁極化強度模型 ,討論了長線磁致伸縮位移傳感器中激勵磁場及線體內應力的分布特性 ,結合 ANS YS 仿真結果和實驗檢測數據 ,得出如下結論 :

(1) 磁致伸縮線體所受激勵磁場在永久磁鐵附

近發生的急劇變化 ,它是產生彈性波的主要因素 ;

(2) 磁致伸縮線體中產生的彈性波波形分布特征與剪應力變化率 5tm ax /5x的分布特性有著一定的相關性。