电感位移传感器结构特性研究

在电感位移传感器设计中,电感传感器内线圈与磁芯的结构特性是影响传感器性能的关键因素。为提高传感器检测性能,根据毕奥-沙伐尔定律建立了传感器内线圈与磁芯模型,利用有限元分析软件建立了相应结构模型。通过分析线圈与磁芯各项参数变化以及线圈与磁芯存在安装与加工误差的情况,得到了各参数变化以及安装与加工误差对传感器测量性能的影响,以此对线圈和磁芯进行了优化。研究结果表明,当线圈长度与磁芯长度的比值在1.45~1.6之间时,传感器能获得较大的电感相对变化量;线圈长度、磁芯长度与磁芯半径的变化对线性度的影响不明显,线性度在0.5%附近,磁芯安装偏心与倾斜对传感器性能影响较小,可忽略不计;电感相对变化量会随着磁芯锥度的增大而减小。     

外加磁场对磁流体润滑油膜轴承的影响

为了研究磁流体润滑油膜轴承内磁场的分布情况,分别通过永磁铁、螺线管及亥姆赫兹线圈对其施加3种不同形式的外磁场。通过磁场二维实体有限元模型的数值仿真,分析在3种模型下磁流体润滑油膜轴承的磁场分布特性,并比较磁场在油膜区的分布情况。结果表明,永磁铁模型的磁场主要分布在永磁铁、油膜、轴承座以及靠近磁铁的轧辊部分,螺线管模型的磁场主要分布在油膜、轴承座以及靠近磁铁的轧辊部分,亥姆霍兹线圈模型的磁场主要分布在线圈以及油膜的端部;3种模型在油膜区磁场分布沿轴向均呈现中间小、两端大的不均匀现象,且具有端部效应;永磁铁模型和螺线管模型在油膜区磁场沿径向分布均匀,亥姆霍兹线圈模型沿径向分布不均匀。     

一种基于微流体制备的电阻电感式磨粒传感器

为了实现油液金属磨粒的高精度测量,基于微流体制备了一种可检测电阻电感参数的磨粒传感器。通过仿真获得了金属颗粒在时谐磁场中的磁化和涡流效应特征,并通过实验研究了电阻电感检测的电压特性和频率特性。高频激励可以增强金属颗粒内部的涡流效应,而激励电压对传感器检测结果的影响不大。研究表明电感参数对铁磁性金属的检测能力强,电阻参数对非铁磁性金属的检测能力强。采用2.0 V、2.0 MHz的激励,通过比较分析电阻和电感检测结果,该传感器可有效识别直径60 μm的铜颗粒和直径16 μm的铁颗粒。这种基于线圈电阻参数检测非铁磁性金属磨粒的方法为增强磨粒传感器的综合测量性能提供了新思路。     

对置螺线管线圈的多功能检测模型及灵敏度研究

为丰富螺线管型传感器对液压油污染物的检测内容,提出并制作一种基于微流体芯片的对置螺线管型多功能检测传感器。理论推导了对置螺线管线圈的金属颗粒电感检测模型和非金属颗粒电容检测模型。为进一步提高检测灵敏度,试验对比分析了硅钢片对对置螺线管线圈的电感检测和电容检测的灵敏度。试验结果表明,硅钢片能够显著提升对置螺线管线圈的金属颗粒检测灵敏度,60～70μm铁颗粒和160～170μm铜颗粒的检测信噪比分别提升127.44%、222.07%,也能提高对置螺线管线圈的非金属颗粒检测灵敏度,但不显著,140～150μm水滴和240～250μm气泡的检测信噪比分别提升21.92%、7.95%。该研究对提高螺线管型传感器的液压油污染物检测能力提供了技术支撑,对液压系统健康状态监测以及故障诊断具有重要意义。     

高精度双线圈式磨粒传感器的设计及研究

提出了一种可检测电感和电阻参数的高精度双线圈式磨粒传感器,其可对液压油污染物的检测提供技术支持.激励硅钢片和内置硅钢片通过磁化作用以及对磁场的聚集作用在检测区域中生成了高强度磁场,从而提升了传感器的检测精度.正方形检测通道的设计充分利用了两电感线圈之间的区域,提高了传感器的检测通量.试验表明,内置硅钢片不会改变磨粒传感器的信号噪声,有助于获取更优的信噪比.并且激励硅钢片和内置硅钢片对置区域的磁场强度最强,金属颗粒通过该区域时就会产生电感和电阻变化的脉冲峰值.在搭建的测量系统对油液中的金属磨粒进行检测试验,结果表明电感参数能够检测到25 μm铁颗粒和100 μm铜颗粒,电阻参数方式可检测35 μm铁颗粒和85 μm铜颗粒.通过结合电感参数检测结果和电阻参数检测结果,磨粒传感器可实现对25 μm铁颗粒和85 μm铜颗粒的区分检测.     

含铁氧体磁芯的电涡流传感器线圈阻抗理论模型和数值计算

针对铁氧体磁芯对电涡流传感器线圈阻抗的影响问题,建立了含铁氧体磁芯的线圈阻抗理论模型,推导了单匝线圈阻抗的级数和矩阵形式,并通过积分获得圆柱线圈的阻抗表达式。因表达式参数多且计算复杂,用有限元法对含Ni-Zn铁氧体磁芯的线圈阻抗进行数值计算,并分析了铁氧体磁芯及其几何参数对传感器性能的影响。研究表明：通过理论模型和有限元法都可获得线圈阻抗值,但后者求解更加简便;铁氧体磁芯可将磁场限定在一定范围之内,提高了传感器的灵敏度;磁芯参数对传感器性能的影响因被测体材料而异。本文的研究可为传感器探头结构优化和性能改善提供理论依据。     

基于PCB线圈吸附式铁磁传感器的研究

运用PCB线圈作为感应元件的铁磁传感器越来越成熟,但PCB线圈由于其结构限制,使得铁磁颗粒不能通过其检测区域,另也没有相关研究证实PCB线圈对于铁磁颗粒测量的精确性。为此提出一种基于磁塞与电感检测原理的新型铁磁传感器。使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立传感器的仿真模型,对PCB线圈的磁场分布进行仿真分析。结果表明：PCB线圈表面磁场强度具有良好的均匀性,适当减小PCB线圈的内径,有利于提高PCB线圈的磁场均匀性。基于仿真分析结果,设计5种不同尺寸规格的PCB线圈,并设计实验验证该传感器的检测精度。实验结果表明：该传感器具有良好的灵敏度,能有效检测出粒径100μm以下的铁磁颗粒。     

基于遗传算法的触针扫描传感器测杆机构动态特性的优化

杠杆触针扫描位移传感器是触针轮廓仪的关键装置,其测杆机构动态特性是保证触针轮廓仪测量精度和测量速度的基础。本文提出一种传感器测杆机构优化设计的方法:建立测杆机构动力学模型,基于有限元分析方法和触针式轮廓仪校准规范建立传感器测杆机构动态特性优化目标函数;基于神经网络算法建立测杆机构结构参数与目标函数的映射关系,利用遗传算法对目标函数进行求解,获取结构参数设计最优解;对优化后的测杆机构进行仿真,通过优化设计前后对比试验验证该优化方法的有效性。该方法对改善传感器动态响应特性、抑制测杆机构针尖飞行现象、提高轮廓仪传感器测量精度和测量效率具有重大意义。     

双螺线圈式液压油微污染物检测传感器

设计了一种多参数的油液污染物检测传感器,该传感器在单螺线圈电感式传感器的基础上,增加了一个螺线管线圈,可以进行电感检测和电容检测。电感检测可以区分油液中的铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒;电容检测可以区分油液中水和空气。相对于传统单线圈式传感器,本次设计不仅实现了油液污染物的多参数检测,同时采用线径更小、匝数更多的螺线圈,增加了传感器的检测灵敏度。利用该传感器搭建的实验平台进行检测实验:电感检测时可以检测直径大于20μm的铁颗粒和直径大于80μm的铜颗粒;电容检测时可以检测直径大于90～100μm水滴和直径大于160～170μm气泡。该设计研究为油液污染物快速检测提供了一种新的方法,对于机械设备故障诊断与寿命预测等领域具有一定的意义。     

基于微螺线管电感式传感器的金属颗粒形态对输出特性影响的研究

基于电感测量技术与微流体技术的油液检测芯片, 不仅可以区分出铁磁性和非铁磁性金属颗粒, 还可以对油液中的颗粒进行计数统计和颗粒大小测量,从而判断金属颗粒污染物的来源及设备的磨损状态。通过理论分析、数值模拟及实验验证, 分析不同形态铁磁颗粒退磁场, 研究铁磁颗粒形态对电感式传感器的输出影响。建立理论模型描述不同形状颗粒的退磁因子、磁化场, 以及磁化的金属颗粒产生磁场从而导致线圈电感发生变化。基于模型计算并验证同体积下球形、不同轴长比的圆柱、椭球颗粒的磁场和电感输出, 分析结果显示颗粒越细长、退磁因子越小则越容易磁化, 因此细长颗粒引起传感器的电感变化更大, 另外圆柱形颗粒的电感变化大于旋转椭球型颗粒。     

正方形亥姆霍兹线圈的磁场均匀性

利用三个正方形亥姆霍兹线圈构建三维匀强磁场,并分析其匀强磁场区域特性。将正方形亥姆霍兹线圈视为四段载流导线,采取分段计算然后矢量叠加的方法,分析正方形亥姆霍兹线圈轴线上和空间磁场强度及其均匀性,及其仿真数据结果。最后得到正方形亥姆霍兹线圈三维匀强磁场的结构模型及相关数据分析,证明了三维亥姆霍兹线圈产生的磁场满足匀强磁场要求。     

电感式磨粒传感器中铁磁质磨粒特性仿真研究

针对机械装置的在线监测传感器,模拟了铁磁质磨粒通过传感器过程中传感器线圈的磁场和感应线圈的感应电压瞬态变化特性.考虑了线圈与铁磨粒的材料、线圈匝数和激励线圈的输入电压等因素,应用Jmag Designer I0.4软件建立了传感器的二维有限元模型.仿真结果揭示了磨粒运动过程中线圈磁场与感应线圈中感应电压的变化规律,获得了感应电压与球形磨粒的直径大小的立方成正比,与磨粒运行速度成正比.研究结果对于电感式磨粒传感器的开发具有重要的指导价值.     

Manufacturing of a superconducting magnet system for 28 GHz electron cyclotron resonance ion source at KBSI

A magnet system for a 28 GHz electron cyclotron resonance ion source is being developed by the Korea Basic Science Institute. The configuration of the magnet system consists of 3 solenoid coils for a mirror magnetic field and 6 racetrack coils for a hexapole magnetic field. They can generate axial magnetic fields of 3.6 T at the beam injection part and 2.2 T at the extraction part. A radial magnetic field of 2.1 T is achievable at the plasma chamber wall. A step type winding process was employed in fabricating the hexapole coil. The winding technique was confirmed through repeated cooling tests. Superconducting magnets and a cryostat system are currently being manufactured.     

Self-powered wireless thermoelectric sensors

Sensors capable of measuring various performance parameters of an operational power generation unit could help improve system performance and overall efficiencies. For example, measurement of temperatures, temperature differences, or exhaust gas concentrations could provide both a quick quantitative and qualitative assessment of system health and allow for operation of power units with smaller safety margins and therefore higher efficiencies. For this study a technique is presented that can transmit data about an operational system wirelessly in real-time to an external location. For these experiments thermoelectric element leads were connected to a solenoid coil. When the thermoelectric was exposed to a temperature difference a current was generated in the thermoelectric and solenoid coil resulting in a magnetic field. A receiver was then used to measure the changes in magnetic field of the system. Two primary configurations were developed to test this wireless sensor configuration: dynamic and static. For dynamic measurements a pendulum and pneumatic air cylinder were used to simulate a moving component that may pass the external Hall sensor such as a fan or turbine blade. For dynamic measurements it was determined that for accurate results it is very important to maintain the distance constant between the Hall sensor and solenoid coil. For stationary measurements the temperature difference across the thermoelectric was related to output measurements from the Hall sensor. Overall, results show that data can be wirelessly transmitted to an external location using this method.     

车轮踏面动态感应热成像缺陷检测方法研究

涡流脉冲热成像是一种新型的无损检测技术,具有检测速度快,灵敏度高,探测范围大的特点。为适应车轮踏面缺陷的动态检测,本文提出了一种适应车轮踏面廓形的矩形磁轭电磁感应激励传感结构。通过传感器结构的磁路模型推导,从理论上证明了传感结构的可行性。通过数值模拟计算分析了踏面表面检测区域的磁场与涡流场分布,并对比了矩形磁轭与直导线的检测结果。在此基础上,本文搭建了一套车轮自动探伤检测系统,能够实现65 mm/s速度下的缺陷动态测量。结果表明,设计的矩形磁轭传感结构可优化感应加热的均匀性,对车轮踏面浅表层疲劳裂纹(轴向表面开口)具有更好的检测结果。     

Detecting the position of the moving-iron solenoid by non-displacement sensor based on parameter identification of flux linkage characteristics

Currently, most researches use signals, such as the coil current or voltage of solenoid, to identify parameters; typically, parameter identification method based on variation rate of coil current is applied for position estimation. The problem exists in these researches that the detected signals are prone to interference and difficult to obtain. This paper proposes a new method for detecting the core position by using flux characteristic quantity, which adds a new group of secondary winding to the coil of the ordinary switching electromagnet. On the basis of electromagnetic coupling theory analysis and simulation research of the magnetic field regarding the primary and secondary winding coils, and in accordance with the fact that under PWM control mode varying core position and operating current of windings produce different characteristic of flux increment of the secondary winding. The flux increment of the electromagnet winding can be obtained by conducting time domain integration for the induced voltage signal of the extracted secondary winding, and the core position from the two-dimensional fitting curve of the operating winding current and flux-linkage characteristic quantity of solenoid are calculated. The detecting and testing system of solenoid core position is developed based on the theoretical research. The testing results show that the flux characteristic quantity of switching electromagnet magnetic circuit is able to effectively show the core position and thus to accomplish the non-displacement transducer detection of the said core position of the switching electromagnet. This paper proposes a new method for detecting the core position by using flux characteristic quantity, which provides a new theory and method for switch solenoid to control the proportional valve.     

时栅位移传感器在构造场中的耦合特性研究

为了进一步溯源时栅位移传感器磁场耦合过程引起的误差,对时栅位移传感器在构造场中的耦合特性进行研究,并研制了一种基于指数形平面线圈结构的新型直线时栅位移传感器。建立传感器工程构造磁场的数学模型,分析传感器耦合间隙对线圈耦合平面磁场分布的影响,研究不同形状平面线圈的耦合特性;根据传感器的耦合特性,构建了一种新型直线时栅位移传感器测量模型,对该模型进行了电磁场有限元仿真和仿真误差分析,得出该结构最佳感应间隙为0.4 mm;对传感器的结构误差进行了溯源分析,进一步优化传感器的结构;搭建实验平台,利用双层PCB绕线工艺加工传感器定尺和动尺,对优化前后的传感器样机开展对比实验。实验结果表明,设计的基于指数形平面线圈结构的新型直线时栅位移传感器可以有效抑制传感器的四次误差,新研制的传感器样机的原始测量精度在原有的基础上提高了45.8%。     

新型磁性液体微压差传感器的设计及耐压分析

传感器是磁性液体的重要应用领域之一。为弥补现有磁性液体微压差传感器的不足,设计了一种新型的磁性液体微压差传感器,该传感器的复合磁芯由磁导率高的1Cr13和永久磁铁构成,磁性液体被吸附在永久磁铁的端部形成环状起到润滑和密封的作用,敏感元件采用1Cr13,转换元件采用对称线圈。当磁芯进入线圈后,使得线圈电感发生变化,电桥电路输出明显的电压信号。在此基础上,提出了回复力的线性程度和磁性液体环的耐压能力决定了磁性液体微压差传感器的量程范围,并通过理论推导、仿真分析和实验研究的手段证明了磁性液体环的密封耐压能力能够满足磁性液体微压差传感器的测量要求。该传感器体积小、成本低、便于安装,具有很强的实用价值。