基于磁导率检测技术的传感器设计研究

磁导率检测技术是一种依据磁导率的变化检测铁磁试件应力集中状态和疲劳损伤程度的无损检测方法,可实现对构件残余寿命的有效评价。依据磁导率检测原理,针对棒状待检构件设计研制一高灵敏检测传感器,考察检测线圈绕线直径、绕线线圈匝数、激励电压对最佳检测频率和检测分辨率的影响。研究发现,最佳激励频率随线径的增加而减少,信号分辨率随线径的增加而增加;绕线匝数与激励最佳频率无关,但与信号分辨率有关;激励电压对最佳频率的范围无影响,但对信号分辨力有影响。该研究结论对研制高灵敏度的磁导率检测仪具有重要意义。     

磁导率检测技术对430不锈钢构件检测的最优激励频率设计研究

磁导率检测技术是一种可高精度评价铁磁构件整体或部分区域应力集中、疲劳损伤状况的无损检测方法。依据磁导率检测原理,以430铁素体不锈钢试件为研究对象,研究激励电压幅值、激励线圈匝数、检测线圈匝数及外加拉应力对检测传感器最优激励频率的影响。研究发现,最优检测频率随激励线圈匝数的增加而减小;最优检测频率与外加拉应力有关,当外加拉应力超出试件的弹性变形阶段时,最优频率随拉应力的增大而增大;最优检测频率不随激励电压幅值、检测线圈匝数的变化而变化,但随着激励电压幅值、检测线圈匝数的增加,检测灵敏度升高。该研究结论可为灵敏传感器的设计提供参考。     

超磁致伸缩棒磁场强度建模及线圈优化分析

超磁致伸缩棒上的磁场强度对超磁致伸缩致动器(GMA)至关重要,因其幅值和上升、下降时间直接影响致动器的输出力和响应时间.建立电压到磁场强度的模型,并提出较合理的线圈优化方案.将线圈充、放电过程简化为一阶RL线性电路的暂态过程,计算得到线圈电流,并根据线圈电流建立超磁致伸缩棒上的磁场强度模型.由模型可知,致动器尺寸有限制时,棒上磁场强度的优化应主要考虑线圈匝数;通过分析线圈匝数对磁场强度稳态值、上升时间和下降时间的影响确定匝数的取值范围.向线圈施加不同频率和幅值的方波电压信号,得到的模型曲线与测得的实验结果相吻合,从而验证了模型的正确性.     

基于磁导率无损检测传感器的试验设计研究

为研究关键检测参数与检测灵敏度的关系,以45号钢板为试验对象,采用磁导率检测技术建立激励频率、激励电压幅值、激励线圈匝数、检测线圈匝数及线圈绕线截面积与检测灵敏度的关系模型,并对设计传感器的检测灵敏度进行试验验证。研究结果表明:检测灵敏度随正弦交流激励电压及检测线圈匝数的增加而升高,均呈线性关系,并且最佳频率保持不变;在一定激励线圈匝数范围内,检测灵敏度随激励线圈匝数的增加先升高后下降;检测灵敏度随激励线圈绕线截面积的增加而升高,而不随检测线圈绕线截面积的变化而变化。该研究成果可为灵敏传感器的设计提供借鉴。     

水下磁通信系统路径损耗方程研究

基于磁耦合原理的通信是一种新型通信方式,主要用于水下通信中.路径损耗作为衡量由通信环境引起信号衰减的一个重要物理量,是研究通信系统在不同环境中进行通信的必要环节.本文从双线圈耦合的通信模型进行分析,得到了海水中和淡水中不同的表达式,同时在此基础之上也进行了数值分析,对实际情况的水下磁耦合通信具有重要的借鉴意义.     

基于线圈磁耦合模型的无线充电仿真研究

飞行器电气系统"无缆化"是目前研究的热点关键技术之一.本文基于无线传感器网络系统,建立了磁耦合无线能量传输模型和简化电路图,并结合实际工程需要,利用有限元法和控制变量法对磁耦合模型进行仿真分析,详细探讨了磁耦合无线电能传输中的各模型参数对传输功率的影响.最后,在需求传输功率的要求下,对耦合无线能量传输模型中的传输距离、谐振频率和不同激励幅值等参数进行了对比分析和参数优选.本工作针对磁耦合模型的应用研究展开了深入分析,能够为后续工程应用中设计满足需求的磁耦合无线电能传输系统提供一定的借鉴意义.     

超低频窄带感应式磁传感器设计

针对透地通信(10 Hz~10 k Hz)受限于发射天线效率低且受大气噪声和本底噪声的影响,导致接收端信噪比极低的问题。该文提出一种窄带、高灵敏度超低频感应式磁场传感器,通过并联匹配电容,将磁传感器的谐振频率调谐至载波频率,以降低线圈带宽,从而充分压制带外干扰,同时提高带内灵敏度。在给定线圈磁芯参数和约束带宽的条件下,利用整体优化的思路,通过优化线径和线圈匝数使等效磁噪声(eguivalent magnetic noise,EIMN)达到最小。仿真结果表明:采用长350mm、宽50 mm、高50 mm的立方体硅钢磁芯,取约束带宽为4 Hz时,线圈最优线径和最优匝数分别为1.11×10-3m和900匝,传感器的EIMN最小低至0.081 pT/Hz~(1/2)、体积为9.05×10-4m3,表明该线圈可以满足大深度透地通信的需求。     

非接触式供电列车松耦合变压器的仿真研究

针对非接触式供电列车松耦合变压器原副边耦合系数低的问题,研究不同的线圈类型、导磁材料等对其自身电感、互感、耦合系数等参数的影响。采用有限元仿真工具分析非接触供电系统松耦合变压器参数,分别搭建副边线圈矩形结构和8字形结构的模型、副边线圈位置有横向和纵向偏移的模型、不同磁导率的模型以及具有屏蔽层的模型,通过仿真计算得到松耦合变压器的具体参数。仿真结果表明:8字形的线圈耦合系数更高;收发线圈相对位置越偏离中心,其负载功率与耦合系数越低;收发线圈的间隙和偏移量对系统性能的影响近乎线性叠加;导磁材料磁导率的提升对系统的能量传输效率有一定程度的提升,但是并不能无限制提升;屏蔽层的引入会降低耦合性能。     

新型双向流量计磁导率和几何参数对流量输出电压信号的影响

新型双向流量计外部磁线圈输出电压信号波形不平滑、杂波扰动明显的问题与部件磁导率、几何参数等密切相关,为了改善外部磁线圈输出电压信号质量及优化设计参数,首先对流量传感器的结构进行理论分析,得到了外部磁线圈输出电压信号的解析式,然后建立了二维Ansoft Maxwell仿真模型,对导磁体小球、永磁体、磁线圈、测量管、中轴等部件的磁导率和几何参数对线圈输出感应信号的影响进行仿真.结果表明,永磁体体积越大、导磁体小球的半径和磁导率越大、中轴的半径和磁导率越大,外部磁线圈输出感生电压信号幅值越大;测量管壁厚度和磁导率越大、永磁体与导磁性小球距离越大,外部磁线圈输出感生电压信号幅值越小.增加测量管壁的厚度对抑制基波扰动信号幅值、平滑输出波形具有较明显的作用.     

新型双稳态压电振动俘能系统的理论建模与实验研究

针对线性压电俘能系统的共振频带窄、俘能方向单一、发电效率低等问题,设计了一种双稳态磁力耦合多悬臂梁俘能结构。利用广义Hamilton变分原理建立了系统分布式力-电-磁耦合模型,结合数值计算和实验验证方法揭示了磁铁间距、外界振动激励条件对压电俘能系统响应特性的影响规律。研究结果表明:在合适的磁距和外界振动激励条件下,系统的输出电压可达18V,是线性压电振动俘能系统的3.5倍,有效工作频带是线性压电振动俘能系统的3.1倍,说明双稳态压电振动俘能系统具有明显拓宽有效工作频带和提升发电效率的能力,为压电俘能系统工程化应用提供了理论依据。     

中子管射频离子源放电特性仿真研究北大核心CSCD

国外射频离子源中子管的中子产额已经达到10^14n/s,明显优于潘宁源中子管。为了深入了解用于中子管射频离子源的放电特性,从射频感应耦合等离子体的放电原理入手,建立用于氢气放电模拟研究的理论模型。设计中子管射频离子源几何结构,运用麦克斯韦方程组在理论上推导了等离子体放电过程中影响粒子密度的因素。结合Comsol软件中的二维轴对称的电感耦合等离子体模型,采用单一变量法,通过仿真实验得到了线圈匝间距、线圈匝数、线圈直径、线圈功率和放电气压等参数对H^+密度分布和大小的影响。总结出H+在不同参数下的变化规律,得到了一些有价值的结论,为优化中子管射频离子源的实验参数和结构设计提供重要依据。     

中子管射频离子源放电特性仿真研究

国外射频离子源中子管的中子产额已经达到10~(14) n/s,明显优于潘宁源中子管。为了深入了解用于中子管射频离子源的放电特性,从射频感应耦合等离子体的放电原理入手,建立用于氢气放电模拟研究的理论模型。设计中子管射频离子源几何结构,运用麦克斯韦方程组在理论上推导了等离子体放电过程中影响粒子密度的因素。结合Comsol软件中的二维轴对称的电感耦合等离子体模型,采用单一变量法,通过仿真实验得到了线圈匝间距、线圈匝数、线圈直径、线圈功率和放电气压等参数对H~+密度分布和大小的影响。总结出H~+在不同参数下的变化规律,得到了一些有价值的结论,为优化中子管射频离子源的实验参数和结构设计提供重要依据。     

基于逆磁致伸缩的索力传感器原理与影响因素研究

基于逆磁致伸缩效应,建立钢缆索索力传感器理论模型,分析了施加在缆索材料上的力信号(外力和应变)与磁信号(磁感应强度、磁场强度)之间的耦合关系.针对一种环式结构的索力传感器,对索力测量原理做了详细推导,可通过检测感应线圈的感应电压反映材料所受外力.传感器输出感应电压与空气间隙尺寸、外部激励磁场下的材料磁导率、激励磁场变化、加载外力变化等因素有关,重点分析了激励磁场变化和外力变化对传感器输出的影响.当外力是缓变力,可通过检测感应积分电压求得外力;当外力是交变力,直接通过感应电压求得外力;最后通过对磁场变化和外力变化影响分别进行了仿真,结果与理论分析基本一致,表明所建立的索力传感器理论模型可行.     

用于心磁传感器测试系统的三轴向亥姆赫兹线圈的设计与仿真

心磁检测对于心脏相关疾病的诊断具有独特优势，在用于测量心脏磁场的传感器(下称心磁传感器）的研制过程中，需要在模拟心磁的磁场环境下进行测试工作。基于此，设计了一个用于心磁传感器测试系统的亥姆赫兹线圈，它可以产生磁感应强度为pT级的动态磁场，模拟心磁环境，以满足心磁传感器测试的需求。根据亥姆赫兹线圈的磁场产生原理，使用磁屏蔽筒对环境磁场进行屏蔽，通过计算确定了线圈尺寸、线圈匝数、导线长度及导线横截面直径等参数。使用COMSOL Multiphysics仿真软件对亥姆赫兹线圈产生的静态磁场的分布均匀性以及通入线圈电流变化时磁场的动态特性进行仿真分析。仿真结果表明，所设计的亥姆赫兹线圈满足设计要求，能够产生磁场强度为100 pT左右、均匀度小于5%、波形实时性好的类心脏磁场波形，为心磁传感器的测试提供了良好的测试环境。所设计的亥姆赫兹线圈能够用于心磁传感器的测试工作，为心磁传感器的实际应用奠定了基础。     

电机定子硅钢片磁致伸缩效应引起的振动

为了研究磁致伸缩效应对电机定子硅钢片的影响,建立磁-机械耦合数值模型,研究了在磁致伸缩作用下电机定子的振动情况,得到电机定子硅钢片的振动主要为供电频率的一倍频与二倍频。设计了一种仿真实验模型,模拟电机中的磁场走向,线圈与无取向硅钢片不接触,这样无取向硅钢片上只存在由变化磁场导致的磁致伸缩力;通过改变硅钢片的位置,分析磁场不同走向下磁致伸缩效应对无取向硅钢片应力特性的影响,得到无取向硅钢片主要振动频率为供电频率的一倍频和二倍频,且硅钢片处于不同位置时影响其振动的主要频率不同;在磁路发生偏转时造成无取向硅钢片在供电频率一倍频处振动明显。同时设计了实验,测量变化磁场下无取向硅钢片上的振动信号,对仿真结果进行验证,与仿真结果相符合。     

基于SQUID的磁纳米粒子磁特性测量研究

基于超导量子干涉器件(SQUID)的高灵敏磁通电压转换特性,将探测磁纳米粒子磁特性的线圈的微弱磁信号转换成电压信号输出。设计了包含激励源模块,信号测量模块,人机交互模块的测量系统,并采用标定线圈完成了测量系统的标定,实测数据表明,该系统可用于对磁纳米粒子磁特性的测量,为后续研究适用于生物体内温度测量的方法提供了支持。     

OFDM技术在认知水声通信系统中的应用

随着对水下通信速率要求的提高和水下通信用户的增加,实现高速水声通信和对水下频谱资源的有效共享成为了水声通信的研究热点.认知水声通信系统为解决频谱资源共享提出了新的思路,而OFDM技术又具有频谱利用率高、通信速率快、频率选择灵活等优越性能.在阐述两种技术各自优势的基础上,指出了OFDM技术应用于认知水声通信系统的可行性,提出了一种基于OFDM技术的认知水声通信系统的设计方案,并给出了系统框图及仿真结果,验证了基于OFDM技术的认知水声通信系统的可行性和有效性.     

圆筒状超磁致伸缩致动器磁场研究与仿真

为设计圆筒状超磁致伸缩致动器(GMA),采用基于磁路的方法对圆筒状超磁致伸缩材料(GMM)内的磁场强度进行计算,基于Maxwell软件建立了圆筒状GMA的3D模型并对磁路结构中各部件尺寸及GMA筒内构件的磁导率对磁场的影响进行了仿真研究。结果表明:在闭合的磁路结构中,对于给定的线圈匝数和激励电流,GMM筒中磁场强度大小受GMM筒轴向长度影响较大且为负相关。磁场均匀性方面,影响较大的是穿过圆筒状GMA构件的磁导率和导磁环轴向长度,二者均与磁场不均匀度正相关。     

脉冲漏磁无损检测影响因素分析

脉冲漏磁无损检测系统可以用来检测带保温层管道的腐蚀缺陷,其主要参数的设计对提高系统的检测性能具有重要意义。分析了检测线圈尺寸、激励脉冲信号的频率、电压、占空比以及边缘效应等因素对检测结果的影响,给出了检测结果随这些因素的变化规律,为系统参数的优化设计提供了依据。     

随机激励下双稳态压电振动发电机的振动特性

基于双稳态压电振动发电机系统参数的非线性,建立了随机激励环境下压电振动发电机的动力学模型。研究了振源频率改变、振源个数选取和振幅变化对系统输出响应的影响,分析了磁间距变化对系统双稳态特性和输出电压的影响。结果表明:当振源频率或振幅改变时,系统响应表现为小幅周期运动、大幅混沌运动和小幅周期运动。当多个振源激励时,压电振动发电机具有更大的谐振带宽和更高的能量转换效率。当磁间距为3.9 mmd6.6 mm时,系统具有双稳态特性,系统响应表现为大幅周期运动,此时压电振动发电机输出电压值最大。