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磁致伸縮位計移傳感器在液位測量中原理

時間 :2020-11-27

磁致伸縮位計移傳感器在液位測量中原理
針對扭轉力作用下波導絲發生磁化狀態的改變進而影響傳感器的輸出特性這一問題 ,基於材料力學求解扭轉應力 ,並從磁疇角度分析扭轉力對魏德曼效應的影響 ,結合Fe-Ga合金的非線性本構模型和磁致伸縮逆效應等建立磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型 ,計算不同螺旋磁場和扭轉力下的輸出電壓 。搭建預加扭轉應力下輸出電壓的測試平台 ,從理論和實驗上確定輸出電壓隨扭轉應力的增大呈非線性減小的變化規律 。
磁致伸縮位移(液位)傳感器 ,通過內部非接觸式的測控技術精確地檢測活動磁環的絕對位置來測量被檢測產品的實際位移值的 ;該傳感器的高精度和高可靠性已被廣泛應用於成千上萬的實際案例中 。
研究還表明 :在同一磁場下 ,正向扭轉應力導致的電壓降小於反向扭轉應力導致的電壓降 ,提高偏置磁場或激勵磁場可以從一定程度上抵消扭轉應力對電壓的影響 。研究可為設計大量程高精度的位移傳感器提供理論依據與指導 。
傳感器的核心包括一條鐵磁材料的測量感應元件 ,一般被稱為 "波導管" ,一個可以移動的永磁鐵 ,  磁鐵與波導管會產生一個縱向向的磁場 。每當電流脈衝(即 "詢問信號")由傳感器電子頭送出並通過波導管時 ,第二個磁場便由波導管的徑向方麵製造出來 。
當這兩個磁場在波導管相交的瞬間 ,波導管產生 "磁致伸縮" 現像 ,一個應變脈衝即時產生 。這個被稱為 "返回信號" 的脈衝以超聲的速度從產生點(即位置測量點)運行回傳感器電子頭並被檢測器檢出來 。準確的磁鐵位置測量是由傳感器電路的一個高速計時器對詢問信號發出到返回信號到達的時間周期探測而計算出來 ,這個過程極為快速與精確無誤 。
磁致伸縮位移傳感器以線圈為檢測裝置 ,其輸出量為電壓信號 ,對電壓信號進行分析處理從而獲得應力波的傳播時間 ,由於應力波的傳播速度一定 ,檢測位移通過應力波的波速乘以應力波的傳播時間即可求得 。
亞遊公司儀表對磁致伸縮位移傳感器的精度進行了分析 ,發現輸出電壓的峰值越大 ,根據閾值法或峰值法確定的應力波傳播時間越精確 ,傳感器的測量精度越高 。為研製更符合測量需求的磁致伸縮位移傳感器 ,有必要對磁致伸縮位移傳感器的輸出特性進行深入的研究 。
亞遊公司儀表在實踐對磁致伸縮位移傳感器的輸出特性進行研究 ,技術人員采用波導絲所受的扭矩描述波導絲的角應變 ,根據磁機械耦合原理得到磁感應強度的表達式 ,進而建立起激勵磁場 、偏置磁場和材料特性與輸出電壓的關係 。
技術人員發現波導絲的磁致伸縮是影響魏德曼效應的重要因素 。技術人員基於魏德曼效應得到了含有磁致伸縮係數的輸出電壓模型 ,建立起磁致伸縮與輸出電壓的函數關係 。技術人員者提出磁致伸縮導波位置傳感器的電磁感應信號來源於磁疇的自由旋轉和應力波的偏心運動 。
隨後 ,技術人員對應力波在波導絲中的衰減特性進行了研究 ,提出衰減係數測試方法 ,並討論了波導絲的線徑 、應力波的頻率等對衰減係數的影響 。有學者考慮應力波衰減特性 ,建立了傳感器輸出電壓隨應力波傳播距離變化的數學模型 ,並通過實驗驗證了該模型 ,結果表明輸出電壓隨傳播距離的增大呈指數衰減 。
以上研究均未涉及外加應力對傳感器輸出特性的影響 ,實際上 ,應力可以使磁性材料產生應變 ,從而改變傳感器的輸出特性 。有學者根據位移傳感器的輸出電壓與螺旋磁場的函數關係 ,進一步通過分析有效場 、應力場和磁化強度的關係 ,得到應力和磁場共同作用下的輸出電壓模型 。但該模型隻適用於分析軸向應力對輸出電壓的影響 ,對於在波導絲安裝過程中極容易受到的扭轉力問題並不適用 ,扭轉應力對輸出電壓的影響尚未可知 。
 

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