磁致位移傳感器檢測(cè)線圈與信號(hào)振蕩關(guān)系研究

以上實(shí)驗(yàn)表明：不同磁致伸縮線體在同匝檢測(cè)線圈方案下進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，材料的變化未引起感應(yīng)波主頻率的較大變化。

表1 同匝異線感應(yīng)波頻率分析結(jié)果(kHz)

4、信號(hào)振蕩與線圈匝數(shù)關(guān)系的分析

由于影響線圈信號(hào)的因素較多，本文對(duì)感應(yīng)波信號(hào)振蕩的主要影響因素進(jìn)行了分析。

首先，所檢測(cè)到的感應(yīng)波的振蕩不應(yīng)是磁疇偏轉(zhuǎn)振蕩的直接反映。由式(1)可知：當(dāng)電流呈方波波形時(shí)，周向磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化亦呈方波波形。如圖7所示[4]，如果周向磁場(chǎng)引起的是可逆磁疇變化，磁通量應(yīng)為O狀態(tài)對(duì)應(yīng)的磁疇磁通量或A狀態(tài)對(duì)應(yīng)的磁疇磁通量;如果周向磁場(chǎng)引起的是不可逆磁疇變化，磁通量應(yīng)為B狀態(tài)對(duì)應(yīng)的磁疇磁通量或C狀態(tài)對(duì)應(yīng)的磁疇磁通量。而在定磁場(chǎng)作用下，磁疇將保持一種固定的狀態(tài)，或在該狀態(tài)附近。另外，在驅(qū)動(dòng)脈沖電路一定的情況下，驅(qū)動(dòng)脈沖的前沿振蕩和后沿振蕩是一定的，磁疇即使隨驅(qū)動(dòng)脈沖的前沿振蕩和后沿振蕩波動(dòng)，其主頻值也不會(huì)因檢測(cè)線圈匝數(shù)的變化而變化[5-6]。所以，通過(guò)線圈檢測(cè)到的振蕩不應(yīng)該是磁疇偏轉(zhuǎn)振蕩的直接反映。

圖7 磁化和反磁化過(guò)程的各個(gè)階段

其次，所檢測(cè)到的感應(yīng)波的振蕩不應(yīng)是由磁致伸縮線體的振蕩變化引起的。分析如下：若振蕩是由磁致伸縮直線扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的逆磁致伸縮效應(yīng)引起的磁通量的變化，則：對(duì)于相同的磁致伸縮線體，當(dāng)采用不同的線圈匝數(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，感應(yīng)波振蕩頻率不應(yīng)有較大的變化;對(duì)于不同的磁致伸縮線體，采用相同的線圈匝數(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，感應(yīng)波振蕩頻率應(yīng)有較大的差異。而這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。

反之，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，感應(yīng)波振蕩的原因應(yīng)主要是檢測(cè)線圈電路的電信號(hào)振蕩。作者對(duì)感應(yīng)波振蕩頻率與檢測(cè)線圈匝數(shù)的關(guān)系進(jìn)行理論分析。

理論上，自感系數(shù)的計(jì)算方法一般比較復(fù)雜，實(shí)際中常常采用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定，簡(jiǎn)單的情形可以根據(jù)畢奧-薩伐爾定律和式(4)進(jìn)行計(jì)算：

Ψ=LI 　　(4)

其中Ψ是磁通匝鏈數(shù)，L是自感系統(tǒng)，I是電流。

對(duì)于單匝密繞螺線管有：

L=μ0n2V=μ0N2S/l (5)

其中μ0是真空磁導(dǎo)率，n是單位長(zhǎng)度內(nèi)的匝數(shù)，V是螺線管的體積，N是總匝數(shù)，S是螺線管的截面積，l是螺線管的長(zhǎng)度。

由RLC電路暫態(tài)過(guò)程相關(guān)理論，針對(duì)如圖8所示的理想電路，對(duì)于電路中的振蕩信號(hào)討論如下。

圖8 LCR電路

電路中的阻尼度為：

(6)

如果電路中的電阻不太大使得λ1，便可視為阻尼振蕩，其振蕩頻率f和周期T在L>>R時(shí)有：

(7)

(8)

由公式(5)、(7)、(8)可得：

(9)

(10)

對(duì)于本文所討論的線圈，在匝數(shù)N變化時(shí)，截面積S和分布電容C也會(huì)發(fā)生變化。由前述實(shí)驗(yàn)可知，引起感應(yīng)波信號(hào)振蕩的主要因素應(yīng)為檢測(cè)線圈本身，當(dāng)截面積S和分布電容C隨線圈匝數(shù)變化較小時(shí)可近似為常量，此時(shí)即有：感應(yīng)波信號(hào)振蕩頻率與線圈匝數(shù)成反比關(guān)系，感應(yīng)波信號(hào)振蕩周期與線圈匝數(shù)成正比關(guān)系。

5、結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了在通過(guò)檢測(cè)線圈檢測(cè)磁致伸縮直線位移傳感器的信號(hào)波形時(shí)，所得到的波形主要是感應(yīng)波形和彈性波形，其中引起感應(yīng)波的主要是磁致伸縮效應(yīng)下磁疇的偏轉(zhuǎn)和磁疇壁的位移，但感應(yīng)波信號(hào)的前沿振蕩和后沿振蕩并不是磁疇變化的直接反映，而是與檢測(cè)線圈匝數(shù)有關(guān)的量。分析可知，感應(yīng)波信號(hào)振蕩頻率與線圈匝數(shù)成反比關(guān)系。該結(jié)論為進(jìn)一步提高傳感器系統(tǒng)的檢測(cè)精度和檢測(cè)范圍，規(guī)避檢測(cè)線圈對(duì)檢測(cè)信號(hào)的負(fù)面影響，提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

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