長線磁致伸縮位移傳感器是一種式位移傳感器 ,主要用于距離測量 ,如液位測量、水位監(jiān)測等領(lǐng)域 , 尤 其 是 易 燃易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的環(huán)境中 。
在該種傳感器中 ,彈性波信號品質(zhì)的優(yōu)劣直接決定著傳感器的檢測精度 ,而彈性波產(chǎn)生機(jī)理的研究對于獲得品質(zhì)良好的信號具有積極的意義 。磁致伸縮傳感器中的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行了初步的討論 ,建立了磁致線截面上扭轉(zhuǎn)變形的一般模型 ,但沒有能夠給出磁致線軸向連續(xù)介質(zhì)上的激勵(lì)源特性。本文構(gòu)建了彈性波激勵(lì)源的磁極化強(qiáng)度模型 ,討論了激勵(lì)磁場在磁致伸縮線體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力分布特性 ,以及應(yīng)力分布與彈性波的關(guān)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(dāng)給磁致伸縮線加以脈沖電流 Ip 時(shí) ,線體內(nèi)外便會(huì)產(chǎn)生周向磁場 Фi ,并與磁鐵引發(fā)的軸向磁場合成一個(gè)瞬間扭轉(zhuǎn)磁場 。由于磁致伸縮效應(yīng) ,導(dǎo)致合成磁場處的磁致伸縮線發(fā)生瞬間形變 ,進(jìn)而產(chǎn)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(dāng)彈性波到達(dá)檢測線圈時(shí) ,由于逆磁致伸縮效應(yīng) ,檢測線圈處的磁疇發(fā)生改變 ,進(jìn)而引起檢測線圈軸向的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化 , 線圈兩端便產(chǎn)生了隨時(shí)間變化的感應(yīng)電動(dòng)勢 。
2、磁極化強(qiáng)度模型
磁極化強(qiáng)度矢量是用來描述磁介質(zhì)的磁化狀態(tài)的物理量。磁致伸縮線體內(nèi)各磁疇端面的應(yīng)力大小。線體內(nèi)的各截面磁場大小不同 , 則應(yīng)力分布不同 ,表征了不同截面上的應(yīng)力分布 ,即線體在軸向上受到的應(yīng)力分布情況。
3、有限元仿真及實(shí)驗(yàn)分析
本文通過建立二維有限元簡化模型 ,進(jìn)行 AN2SYS仿真模擬 ,獲得實(shí)驗(yàn)手段難以測定的磁致伸縮線材內(nèi)部的磁場特性 ,包括磁鐵作用下線材內(nèi)部的耦合磁場和脈沖電流作用下線材內(nèi)部磁場的數(shù)值解。
設(shè)定單元類型為 plane53, 進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分 ,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(yīng)磁鐵中心位置為 x的坐標(biāo)原點(diǎn)位置。
設(shè)定激勵(lì)脈沖電流 Ip 的峰值電流為 1 A ,材料參數(shù)同上 ,通過仿真模擬 ,可得脈沖電流產(chǎn)生的周向磁場。
顯然 ,磁極化強(qiáng)度模型對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)計(jì)算得到的 5tm ax /5x數(shù)據(jù)結(jié)果能夠較好地反映彈性波的分布特性。當(dāng)然 ,檢測線圈處磁致伸縮線體內(nèi)磁場的初始分布等其它因素也會(huì)對所采集的彈性波信號產(chǎn)生影響 ,應(yīng)在進(jìn)一步的研究中予以考慮。
4、結(jié)論
本文以電磁學(xué)和鐵磁學(xué)相關(guān)理論為基礎(chǔ) ,構(gòu)建了產(chǎn)生彈性波的磁極化強(qiáng)度模型 ,討論了長線磁致伸縮位移傳感器中激勵(lì)磁場及線體內(nèi)應(yīng)力的分布特性 ,結(jié)合 ANS YS 仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù) ,得出如下結(jié)論 :
(1) 磁致伸縮線體所受激勵(lì)磁場在磁鐵附
近發(fā)生的急劇變化 ,它是產(chǎn)生彈性波的主要因素 ;
(2) 磁致伸縮線體中產(chǎn)生的彈性波波形分布特征與剪應(yīng)力變化率 5tm ax /5x的分布特性有著一定的相關(guān)性。
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