磁致伸缩冻雨传感器系统研究与实验分析

0 引 言

冻雨是冬季具有高影响、大范围成灾的灾害性天气。冻雨传感器是通过机械谐振原理进行探测,探测冻雨的发生是采用冻雨传感器机械谐振原理。冻雨传感探头具有磁致伸缩效应,探头处于磁场驱动下产生轴向振动,当有冰凝结在探头表面时,探头的固有频率发生偏移,频率偏移量可以判断冻雨是否发生[1]。本文通过模拟实验证明了冻雨传感器的可行性。

1 冻雨传感器原理与结构分析

1.1 冻雨传感器原理分析

传感器通过激励线圈把信号驱动的电能转换为探头轴向振动的机械能,探头由于磁致伸缩逆效应把探头振动的机械能转换为电磁能,经由信号检测线圈拾取产生感应电动势[2]。从机械振动的角度分析,由于施加了频率可变的交变磁场,则探头在其轴向发生机械振动并且频率与交变磁场保持一致,此时探头谐振频率为定值f0,当有物体(冰)附着在探头表面上时,此时的谐振频率为f0,通过信号检测线圈产生的感应电动势,确定变化后的谐振频率点,可求出谐振频率偏移量Δf,以确定是否有冻雨发生。其表达式为

Δf=f0-f′0

式中f0为探头轴向固有频率,kHz；f′0为探头结冰后轴向固有频率,kHz。

1.2 传感器驱动检测模块模型的建立

1.2.1 数学模型的建立

当给传感器激励线圈施加交流激励时,将在振管中产生交变磁场,可得到该体积元的运动方程[3，4]为

式中u为振管位移;σ为作用在体积元上的总应力

式中c=(E/ρ)1/2，为探头材料中体单元的位移或应力的速度；λ为磁致伸缩系数;μr为可逆磁导率。

忽略探头振动时的谐波影响,可得

由感应探头逆磁致伸缩效应所产生磁感应强度的微分表达式[5]。设信号检测线圈的横截面积为s,单位长度线圈匝数为n,在理想状态下,忽略激励线圈和信号检测线圈之间的边缘效应,即轴向弹性导波离开激励线圈并且没有衰减地进入信号检测线圈。根据磁致伸缩正逆效应,由探头应变产生的磁感应强度全部被信号检测线圈拾取。实际中,由于线圈为固定装置,磁场分布状态较为单一,所以该因子可近似的认为是一个固定值。对信号检测线圈长度进行积分,则通过信号检测线圈的有效磁通量为

根据法拉第电磁感应定律可知,信号检测线圈两端的感应电动势整理后可表示为

f(ξ)ejξdξ

上式为传感器检测线圈两端所产生感应电动势的表达式,当式中的各个参数及激励线圈磁场分布函数给定,就可计算出该时刻下信号检测线圈两端感应电动势，可以看到输出感应电动势与以下三个因素所决定:1)探头材料特性参数,如密度ρ，弹性模量E，相对磁导率μr，磁致伸缩系数λ等;2)线圈参数,如单位长度匝数n，横截面积s，长度l，效率转换影响因子θ，磁场影响因子η等;3)磁场分布函数f(x)。根据分析过程可以看到,当频率到达探头谐振频率时,探头应变将发生突变,由式(5)可知此时引起磁通量的突变,导致信号检测线圈两端的感应电动势也将会发生突变,通过电动势发生突变点确定探头系统谐振频率点。

1.2.2 传感器模块参数的设计

通过传感器探头的模型,可建立传感器探头振动特性方程,经过整理得到振管轴向振动的固有频率为

先前的研究已经对传感器的结构做了优化设计,将线圈匝数N为520、材料弹性模量E为1.80×1011N/m2，材料密度ρ为8 000 kg/m3，探头长度h为57.925 mm相关参数代入式(7)中,令i=1,则振管轴向振动基频为f1=40.944 kHz。

1.2.3 电路模型的建立

磁致伸缩材料的应变频率是交流驱动磁场频率的2倍,这种现象称为磁致伸缩材料的倍频现象[6,7],如图1(a)所示。这种现象使铁磁性材料工作在非线性区域,此时可以对材料施加一个恒定磁场,以实现磁-机能量在相同频率下相互转换,提高材料能量转换效率,使铁磁材料工作在线性区域,从而消除倍频效应。

在本文中,驱动线圈的激励信号均由电路提供,一方面,向线圈中加载给定频率的正弦信号,使探管周围产生交变磁场;另一方面,加载额定电流的直流电流,提供消除倍频效应的直流电流,模型如图1(b)所示。

图1 电路模型建立

如图2所示,加入简单的隔直隔交器件,将幅值整体提高的正弦信号作为激励信号提供给驱动线圈,保证探管的轴向振动。

1.3 传感器样机

1)传感器探管的制作:该部分是整个探头系统的主体,是整个传感器能量交换的核心[8]。探头由磁致伸缩材料直接加工而成。

文章来源：《测试技术学报》 网址: http://www.csjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0629/1120.html