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磁致伸缩位计移传感器在液位测量中原理_

2020-11-26    

磁致伸缩位计移传感器在液位测量中原理
针对扭转力作用下波导丝发生磁化状态的改变进而影响传感器的输出特性这一问题,基于材料力学求解扭转应力,并从磁畴角度分析扭转力对魏德曼效应的影响,结合Fe-Ga合金的非线性本构模型和磁致伸缩逆效应等建立磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算不同螺旋磁场和扭转力下的输出电压。搭建预加扭转应力下输出电压的测试平台,从理论和实验上确定输出电压随扭转应力的增大呈非线性减小的变化规律。
磁致伸缩位移(液位)传感器,通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的;该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。
研究还表明:在同一磁场下,正向扭转应力导致的电压降小于反向扭转应力导致的电压降,提高偏置磁场或激励磁场可以从一定程度上抵消扭转应力对电压的影响。研究可为设计大量程高精度的位移传感器提供理论依据与指导。
传感器的核心包括一条铁磁材料的测量感应元件,一般被称为 "波导管",一个可以移动的永磁铁,  磁铁与波导管会产生一个纵向向的磁场。每当电流脉冲(即 "询问信号")由传感器电子头送出并通过波导管时,第二个磁场便由波导管的径向方面制造出来。
当这两个磁场在波导管相交的瞬间,波导管产生 "磁致伸缩" 现像,一个应变脉冲即时产生。这个被称为 "返回信号" 的脉冲以超声的速度从产生点(即位置测量点)运行回传感器电子头并被检测器检出来。准确的磁铁位置测量是由传感器电路的一个高速计时器对询问信号发出到返回信号到达的时间周期探测而计算出来,这个过程极为快速与精确无误。
磁致伸缩位移传感器以线圈为检测装置,其输出量为电压信号,对电压信号进行分析处理从而获得应力波的传播时间,由于应力波的传播速度一定,检测位移通过应力波的波速乘以应力波的传播时间即可求得。
红旗仪表对磁致伸缩位移传感器的精度进行了分析,发现输出电压的峰值越大,根据阈值法或峰值法确定的应力波传播时间越精确,传感器的测量精度越高。为研制更符合测量需求的磁致伸缩位移传感器,有必要对磁致伸缩位移传感器的输出特性进行深入的研究。
红旗仪表在实践对磁致伸缩位移传感器的输出特性进行研究,技术人员采用波导丝所受的扭矩描述波导丝的角应变,根据磁机械耦合原理得到磁感应强度的表达式,进而建立起激励磁场、偏置磁场和材料特性与输出电压的关系。
技术人员发现波导丝的磁致伸缩是影响魏德曼效应的重要因素。技术人员基于魏德曼效应得到了含有磁致伸缩系数的输出电压模型,建立起磁致伸缩与输出电压的函数关系。技术人员者提出磁致伸缩导波位置传感器的电磁感应信号来源于磁畴的自由旋转和应力波的偏心运动。
随后,技术人员对应力波在波导丝中的衰减特性进行了研究,提出衰减系数测试方法,并讨论了波导丝的线径、应力波的频率等对衰减系数的影响。有学者考虑应力波衰减特性,建立了传感器输出电压随应力波传播距离变化的数学模型,并通过实验验证了该模型,结果表明输出电压随传播距离的增大呈指数衰减。
以上研究均未涉及外加应力对传感器输出特性的影响,实际上,应力可以使磁性材料产生应变,从而改变传感器的输出特性。有学者根据位移传感器的输出电压与螺旋磁场的函数关系,进一步通过分析有效场、应力场和磁化强度的关系,得到应力和磁场共同作用下的输出电压模型。但该模型只适用于分析轴向应力对输出电压的影响,对于在波导丝安装过程中极容易受到的扭转力问题并不适用,扭转应力对输出电压的影响尚未可知。
 

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