大位移磁致伸缩传感器的弹性波建模与分析

磁致伸缩位移传感器是一种测量精度高,测量位移大的新型位移传感器.传感器设计涉及多学科交叉,难以建立统一数学模型.以FeGa材料作为磁致伸缩位移传感器的核心波导丝,建立了波导丝材料磁致伸缩弹性波振动模型,波导丝磁机耦合模型和信号检测模型;同时分析了弹性波信号的受限因素,信号衰减特性.在数学模型基础上,搭建磁致伸缩位移传感器系统,设计了扭转波信号检测电路.实验结果表明信号的输出随着传感距离的增加而减小,该模型对大位移磁致伸缩传感器研究有积极意义.     

用于板结构损伤检测的磁致伸缩传感器

基于铁磁性材料的磁致伸缩特性,提出一种用于非铁磁性板结构损伤检测的磁致伸缩传感器。该传感器分为激励和接收两部分,由8字型线圈、镍带以及偏置永磁铁组成。根据磁致伸缩效应,激励部分在板中激励导波,波在板中传播,遇缺陷及边缘反射,通过磁致伸缩逆效应,由接收部分接收其反射信号。根据反射信号的到达时间和波在板中传播的速度,可判断出板中缺陷所在位置。改变恒定偏置磁场与时变磁场的方向可以在板中激励不同波型的导波。实验结果证明:该传感器设计是可行的,且具有价格便宜、灵敏度高、可与被测结构分离等优点。     

表面缺陷对波导丝中的扭转波传播影响研究

波导丝是磁致伸缩位移传感器的核心元件,其表面质量直接影响传感器的测量精度。为研究波导丝表面质量对检测信号的影响规律,通过建立扭转波在波导丝中传播的力学模型,得到扭转波的波动方程。在此基础上,对2种不同表面状况下波导丝中扭转波的传播开展数值模拟和实验验证。研究结果对今后高精度大量程磁致伸缩位移传感器的研制具有一定参考作用。     

基于磁致伸缩位移传感器原理测量波导丝泊松比与线膨胀系数

波导丝是磁致伸缩位移传感器的核心元件,为快速测量波导丝泊松比与线膨胀系数,基于磁致伸缩位移传感器原理,提出了波导丝线膨胀系数与泊松比的测量方法。根据应力波传播特性以及应力波波速受温度影响的特性,构建了波导丝线膨胀系数、泊松比与波速的数学模型;利用传统的磁致伸缩位移传感器结构,测量了波导丝在25℃、50℃时的扭转波波速;设计了波导丝纵波激励结构,测量了波导丝中扭转波、纵波在传播距离相同时的传播时间;计算了波导丝线膨胀系数与泊松比。实验结果表明:实验中Fe-Ga波导丝的泊松比约为0.302,线膨胀系数约为18.70×10^-6/K。本文旨在深入探索波导丝弹性参数的新型快速测量方法,为传感器中波导丝的选型提供新思路。     

磁致伸缩液位传感器检测信号影响因素分析及实验研究

磁致伸缩液位传感器作为液位测量装置,其检测信号对磁致伸缩液位传感器性能产生直接的影响,因此检测信号影响因素分析对优化传感器的性能至关重要。本文从检测线圈结构和脉冲电流参数对检测信号的影响进行讨论,建立了基于检测线圈的等效电路模型,使得在确立线圈结构参数时有了理论依据;观察检测信号波形变化趋势,得到感应信号随影响因素的变化曲线,从而得出液位传感器最优参数。优化后的液位传感器,提高了检测信号的抗干扰能力及其稳定性。该研究结果为磁致伸缩液位传感器的优化设计提供理论基础与指导。     

一种铁镍合金磁致伸缩位移传感器设计

阐述了基于铁镍合金材料的磁致伸缩效应的位移传感器的工作原理,通过在磁伸材料两端施加电流脉冲信号,产生的纵向环形磁场与永磁产生的恒磁耦合产生磁弹性波,激励电流与反射弹性波在检测线圈中产生两脉冲信号,其时差与永磁位移呈线性关系.设计了脉冲激励电流发生和检测线圈感应信号处理电路,将反映位移的两脉冲信号时差转换成脉宽调制(PWM)信号,从而实现了用时差和模拟电压反映位移量的两种输出形式.通过对量程84 cm的铁镍合金材料实验,结果表明:当激励脉冲信号脉宽为10μs,功放幅值为10.3V,检测线圈匝数为600匝时,时差和模拟电压测量位移量的线性度分别为0.165％ FS和0.175％ FS.     

磁弹耦合扭转波位移传感器输出电压理论研究

磁弹耦合位移传感器感应线圈电压是由应力波引起的磁化强度变化决定的,而应力与偏置磁铁处的材料磁导率密切相关,因此磁导率与磁化强度变化率的确定是建立输出电压模型的关键.根据铁磁材料的弹性力学理论和磁机耦合模型,确定了扭转波运动方程;建立材料等效场分布模型,并结合麦克斯韦方程和磁化强度进动方程,确定波导丝磁导率;根据磁机效应的Jiles-Atherton理论,建立了波导丝弹性形变感应磁化强度模型.根据磁导率及磁化强度模型,并借助电磁感应定律构建了感应线圈的输出电压模型.利用实验平台验证了接收线圈匝数和激励脉冲的脉宽、频率对输出电压的影响,为磁弹耦合位移传感器的研究提供了理论依据.     

长线磁致伸缩位移传感器的磁极化强度模型

长线磁致伸缩位移传感器是一种利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应及其逆效应实现位移测量的传感器.运用电磁学和铁磁学相关理论,构建了磁极化强度模型,讨论了该种传感器中扭转式弹性波的产生机理.通过建立有限元模型,使用ANSYS仿真平台进行了激励磁场的仿真模拟.理论模型对仿真结果数据的进一步计算获得了磁致伸缩线体内应力的分布特性.计算结果与实验数据的比较,证明了磁极化强度模型相关理论的合理性.为构建有效的弹性波信号,提高该种传感器检测精度提供了理论依据和实验数据.     

磁致伸缩液位传感器机理研究

详细介绍磁致伸缩原理,深入分析磁致伸缩原理在位移和液位检测中的具体应用,重点讨论磁致伸缩液位传感器的总体结构、波导管的结构、材料的选择以及回波接收的原理并给出了接收装置的方案,分析时间检测原理和方法,提出实现高精度测量传感器的温度补偿和抗干扰措施。通过以上机理分析对传感器的设计和应用提供理论指导。     

发明与专利

一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器 【摘要】本实用新型是一种采用多层绕线线圈的高性能磁致伸缩传感器,属于声学传感器技术领域。本实用新型使用永磁铁在传感器附近产生偏置磁场,当漆包线两端加上交变电压时,会在钢绞线上产生交变磁场,由于铁磁材料存在磁致伸缩效应,在钢绞线中会产生局部的机械振动,这种振动会从激励源向两个方向同时传播,根据磁致伸缩逆效应而被接收传感器捕获到。     

低压低功耗CMOS微电容式传感器数字型接口电路研究

针对便携、无线设备的低电压、低功耗需求,基于TSMC 0.18μm CMOS工艺设计提出一种面向CMOS微电容式传感器的接口转换电路。将敏感电容、参考电容与接口电路集成于同一芯片,可以将对湿度敏感的电容变化量线性转换为方波脉冲信号的宽度,并直接输出数字信号。实验仿真结果显示在1.5 V电源供压下电路消耗的功耗仅为1.95 mW,转换分辨率达到4.38μs/pF,与同类接口电路相比具有线性度好、有效减少电容间失配和对温度与工艺角变化不敏感等优点。     

基于DSP的Fe83 Ga17合金磁致伸缩传感器信号处理系统设计

为了突破传统Fe-Ni磁致伸缩材料测量量程的限制,采用了一种新型的Fe83 Ga17材料。讨论了传统硬件比较电路方法,为了解决硬件比较电路存在的问题,设计了基于数字信号处理器（ DSP）的磁致伸缩位移传感器信号处理系统,包括A/D采样模块、FIR滤波模块和位移测量模块。考虑到环境因素带来的误差,进行温度补偿设计,修正了测量结果。实验结果显示：基于DSP的信号系统能够达到较高的测量精度,对磁致伸缩位移传感器的实际应用有积极的意义。     

A new mathematical tool to investigate the influence of cable characteristics and IGBT fast switching on voltage transients and differential mode currents for PWM drives

The authors propose a new mathematical tool to investigate the influence of cable characteristics upon pulse voltage transients and their associated differential mode (DM) currents in PWM long cable drives. Even if reflected wave transient voltages have received considerable investigation for IGBT voltage source inverters, the modeling and simulation of these voltage transients still require precise modeling. Moreover, another consequence of the IGBT fast rise time, which is the resulting high frequency DM current, has not been previously examined in detail for these systems.This paper presents fully developed mathematical formulas for both pulse voltages and their resulting DM currents at any point along the inverter-to-motor cable. Using the developed formulas, an appropriate tool has been built, using SimPowerSystems (SPS) and Simulink of Matlab software, to predict the high frequency over-voltages and their associated DM currents all along the feeding cable. This tool has then been applied to an industrial 5 kV A PWM drive prototype using a 4-wire shielded long cable. Some simulation results and experimental validations are included.     

LVDT位移传感器电压电流转换电路的设计

为使传感器输出信号能够远距离传输,设计了一种0～5 V到4～20 mA的电压电流转换电路。在Howland电流泵电路的基础上,增加电压跟随器和偏置直流放大器,实现电压电流的精确转换。仿真分析和实验测试结果表明:电路能够满足传感器电流输出的要求,并已成功应用于LVDT位移传感器调理电路。     

Simultaneous On-Chip Sensing and Actuation Using the Thermomechanical In-Plane Microactuator

Many applications in microelectromechanical systems require physical actuation for implementation or operation. On-chip sensors would allow control of these actuators. This paper presents experimental evidence showing that a certain class of thermal actuators can be used simultaneously as an actuator and a sensor to control the actuator's force or displacement output. By measuring the current and voltage supplied to the actuator, a one-to-one correspondence is found between a given voltage and current and a measured displacement or force. This integrated sensor/actuator combination will lead to efficient on-chip control of motion for applications including microsurgery, biological cell handling, and optic positioning.     

光纤传感技术在煤矿电参数测量中的应用

介绍了光纤电压、电流传感器在煤矿中的应用，在工频电压４～６ｋＶ和工频电流１００～１０００Ａ条件下验证了该光纤电参数传感器电压误差小于１％、电流误差小于３％。指出了提高电流检测精度是提高光功率、降低前放噪声及有效收集磁场的有力措施     

CMOS脉搏血氧采集传感器信号处理电路设计

针对脉搏波信号幅度小噪声大等问题,提出并设计了一款基于CMOS的脉搏血氧采集传感器信号处理电路.采用UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工艺进行设计,提出一种能有效放大微弱信号、减小噪声且滤除高频信号的信号处理电路,从而使信号达到模数转换的输入范围.芯片测试结果表明:该芯片在1.8V单电源的供电下,输出动态范围为0.7V~1.4V,芯片的可变增益范围为30 dB~54 dB,共模抑制比和电源抑制比均大于88 dB,芯片的总体功耗为360 μW,达到了预期的效果.     

一种涡流传感器恒流驱动电路设计

针对现有涡流传感器采用开环恒压驱动方式驱动,存在驱动电流受电路温漂和负载变化影响的问题,设计了一种应用线性控制理论的涡流传感器恒流驱动电路。详细介绍了该电路的各模块及多输入单输出反馈控制系统应用电路的设计。仿真和电路试验结果表明,相比于传统的涡流传感器开环恒压驱动电路,该电路不仅能提供恒定驱动电流,还具有较小的温漂及较强的负载变化能力。