管道超声导波检测用磁致伸缩涂层传感器研究

为克服磁致伸缩带材导波检测技术对耦合剂的依赖,又能满足对异形部件的检测需求,本文提出了一种磁致伸缩涂层导波检测的新方法。结合Fe-Ga磁致伸缩合金具有高的磁机械耦合系数,通过热喷涂技术制备Fe-Ga合金涂层,磁致伸缩为32 ppm。在1m长预置人工缺陷的316L不锈钢管道一端喷涂Fe-Ga涂层,设计磁致伸缩涂层传感器的结构和参数,得到产生偏置磁场与通入直流电的关系为17.05I Oe。通过频散曲线确定管道纵向导波的激励频率为180kHz,当偏置磁场为273 Oe时,得到缺陷处L(0, 1)、L(0, 2)和端面处L(0, 2)的回波信号幅值分别为0.24 V、0.20 V和1.44 V,说明磁致伸缩涂层传感器不仅能检测出缺陷,还能有效克服带材传感器需要耦合剂和适用对象有限的问题,可应用于管道在线监测,具有重要应用前景。     

磁致伸缩力传感器输出特性及其影响因素分析

为揭示磁致伸缩力传感器的物理机制,研究了磁致伸缩传感器输出电压与核心元件磁特性的关系。基于磁致伸缩材料的逆磁致伸缩效应,使用片状Fe-Ga和Fe-Co合金设计一种新型的力传感器,根据霍尔效应原理和Jiles-Atherton模型推导了力传感器输出电压模型,通过传感器输出特性测试平台对传感器输出特性进行测试,实验结果表明在偏置磁场6kA/ｍ、 外力2N时,Fe-Ga合金力传感器的最大输出电压为112mV,Fe-Co合金力传感器最大输出电压为58mV,与输出电压模型具有较好的一致性,从物理机制层面上分析磁致伸缩力传感器输出电压的影响因素,确定力传感器的输出电压主要由偏置磁场、外力、以及传感器核心元件磁致伸缩(λ/ λｓ)和Ms/ λｓ1/ 2决定,并且传感器的输出电压与(λ/ λｓ2)１/2成正比,与(Ms/ λｓ１/2)成反比,揭示了磁致伸缩力传感器输出特性的物理机制。     

微弱应变测量传感器设计及应用

通过对现有磁致伸缩系数测量方法的分析,提出了一种非平衡电桥法测定磁致伸缩系数的新方法,并设计制作了微弱应变测量传感器,获得了温度在295 K时铁—镓(Fe-Ga)合金材料在0~60 mT磁场中的关系曲线,并建立了磁致伸缩系数与磁场的关系公式.实验结果表明:传感器能够稳定和精确地获取磁致伸缩系数,为精确测量磁致伸缩材料在磁场中的变化特性开辟了新途径,在一定程度上,解决了当前实验仪器研究中存在的超微弱信号极难测量和稳定性的问题,为以后相关仪器的研究提供了范例,可作进一步推广.     

开放磁路式磁致伸缩导波传感器原理的实验研究

磁致伸缩导波技术具有单点激励即可实现长距离检测的优点,但在检测非铁磁性构件或端部外露构件时面临难题.在分析已有磁致伸缩导波传感器检测原理的基础上,提出首先利用磁致伸缩效应在铁磁性波导管中产生导波;然后通过端部将其传入构件实现检测的原理,构建了开放磁路式磁致伸缩导波传感器原理的研究实验平台.采用270 kHz的纵向模态导波,在长2800 mm,壁厚2.5mm的Φ25 mm低碳钢钢管上可检测出0.5mm深刻槽和Φ5 mm的通孔缺陷,且在长2800 mm,壁厚2.5mm的Φ25mm不锈钢钢管上可得到明显的端部回波信号,从而为该传感器进一步应用于非铁磁性或端部外露构件检测提供了依据.     

非线性自适应滤波在磁致伸缩导波传感器信号处理中的应用

针对传统滤波算法对磁致伸缩导波传感器信号滤波,存在降噪效果不理想、滤波后信号失真等问题,提出一种基于小波分解的非线性自适应滤波算法。在利用小波分解提取参考噪声的基础上,将神经网络和粒子群优化算法引入传统自适应滤波中,实现了对信号的非线性自适应滤波。以纵向导波磁致伸缩传感器对钢杆的检测信号为例,应用该算法进行滤波处理,结果表明:这种算法能够有效滤除检测信号中的噪声,具有滤波后信号信噪比高、信号不失真、容易实现实时处理等优点,可以实际应用在磁致伸缩导波传感器信号处理中。     

Terfenol-D/SAW谐振器/Terfenol-D复合磁传感器

设计了一种由超磁致伸缩材料Terfenol-D和SAW谐振器构成的复合磁传感器,在磁场作用下,Terfenol-D沿长度方向伸缩,并将应力应变传递至SAW谐振器,使其产生应变,造成谐振频率改变,通过测量SAW谐振器谐振频率的变化来测量磁场强度.分析了该磁传感器的传感原理,建立了该复合磁传感器的静态模型,对弹性敏感元件进行了受力分析,根据压磁方程和受力平衡得到该磁传感器的静态特性.实验结果表明:该复合磁传感器灵敏度可达341.6Hz/Oe,较Terfenol-D/SAW谐振器结构灵敏度提高了3倍;测量谐振频率的分辨率为1Hz,SAW谐振器频率稳定度为0.1×10-6时,该磁传感器对磁场的分辨率为10-6T.     

Fe-Ga合金换能器动态输出特性分析

Fe-Ga合金具有应变大、响应时间短、能量密度高、磁机耦合系数高、驱动方式简单等优点.Fe-Ga合金换能器在高频驱动电流下会产生涡流损耗.驱动电流频率越大,集肤效应越明显,涡流损耗越大,磁场分布越不均匀,从而影响换能器的输出位移和输出功率.首先基于麦克斯韦方程组分析了不同频率下Fe-Ga棒内的磁场分布,结合结构动力学模块分析了Fe-Ga合金换能器棒内的磁场分布,进而得到Fe-Ga合金换能器的输出位移和频率的关系.结果表明,所使用的Fe-Ga合金换能器共振频率为700 Hz,最大输出位移为6μm.     

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。     

纵向导波磁致伸缩传感器信号检测的实验研究

阐述了纵向导波磁致伸缩传感器应用于钢管无损检测中的基本原理.对纵向导波磁致伸缩传感器激励导波和导波的信号检测进行了实验分析,利用磁致伸缩导波无损检测系统在管径为Φ38 mm的完整钢管激励不同频率导波,选择频散特性不明显的激励频率应用于缺陷管道检测,检测信号较好的反应出不同尺寸缺陷.该实验结论和数值计算结果相吻合.     

磁致伸缩非晶合金双层结构传感器研究进展

介绍了磁性非晶合金材料及其在传感器中的应用现状。通过分析基于磁致伸缩非晶合金的双层结构及其制作工艺与传感原理,重点介绍了接触型和非接触型传感结构在加速度、位移、位置、曲率和温度传感方面的应用成果和最新进展,讨论了目前研究中存在的一些问题和未来磁性非晶合金和磁致伸缩非晶合金双层结构传感器的发展趋势。     

自带偏置磁路的磁致伸缩合金/石英谐振器复合谐振式磁传感器

将磁致伸缩材料与石英音叉谐振器复合设计了一种超低功谐振式磁传感器,磁场作用下产生的磁致伸缩力传递至音叉谐振器纵向,引起其频率变化,即磁-力-频率转换实现磁测量。针对所用FeGa合金磁致伸缩效应的非线性特性,采用永磁体设计了一种紧凑结构的小体积偏置磁路,为其提供了合适偏置磁场。通过集总参数方法对偏置磁路进行了建模,并使用有限元软件对沿铁镓合金长度方向的磁感应强度分布进行了仿真。为了减小参数误差对预测的影响,对FeGa处于均匀的磁场中和处于偏置磁路中的2种不同情况,进行了仿真和对比分析。制备器件测试表明:(1)偏置磁路能为传感器提供合适的偏置磁场,与理论结果较吻合;(2)带偏置磁路的谐振式磁传感器在±50 Oe范围内具有较好的线性,非线性误差为3 Hz(1.15%FS),灵敏度为2.6 Hz/Oe,滞后误差为2.6 Hz(1.00%FS),分辨率6 mOe以下。     

磁致伸缩位移传感器双磁环间测量盲区的影响分析

为减小双磁环磁致伸缩位移传感器磁环间的测量盲区,对传感器在测量盲区内的输出信号进行了分析。从双磁环偏置磁场与磁环间距的关系进行研究,建立了双磁环磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算了不同偏置磁场强度的双磁环在不同间距与放置方向时传感器的输出电压,并通过实验进行了验证。结果表明,磁环规格相同时,测量盲区的大小与磁环放置方向无关,磁环偏置磁场强度越小,磁环间的测量盲区越小,磁场叠加影响的电压幅值变化量也越小。且在传感器的测量盲区内,电压输出信号将会受到偏置磁场与电压输出波形叠加的影响,这两种因素都会导致传感器检测失效。该研究结果为多磁环位移传感器磁环的选型及减小传感器磁环间的测量盲区提供理论基础。     

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

为减小双磁环磁致伸缩位移传感器磁环间的测量盲区,对传感器在测量盲区内的输出信号进行了分析,从双磁环偏置磁场与磁环间距的关系进行研究,建立了双磁环磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算了不同偏置磁场强度的双磁环在不同间距与放置方向时传感器的输出电压,并通过实验进行了验证。结果表明,磁环规格相同时,测量盲区的大小与磁环放置方向无关,磁环偏置磁场强度越小,磁环间的测量盲区越小,磁场叠加影响的电压幅值变化量也越小。且在传感器的测量盲区内,电压输出信号将会受到偏置磁场与电压输出波形叠加的影响。这两种因素都会导致传感器检测失效。该研究结果为多磁环位移传感器磁环的选型及减小传感器磁环间的测量盲区提供理论基础。     

磁吸式传感器永磁体的仿真设计

文章设计了一种磁吸式传感器永磁体,并且运用COMSOL软件仿真分析了磁吸式传感器永磁体的磁场分布情况。利用几何的对称性和磁场的反对称性,建立了四分之一钕铁硼圆柱永磁体磁场模型,得出了圆柱型永磁体磁通密度模的空间分布图、吸附钢板的磁力值,分析了永磁体磁场强度和吸附钢板厚度对磁力的影响关系,确定了磁吸式传感器永磁体的大小和数目。实验证明,永磁体提供的磁力满足吸附安装的设计要求。磁场的仿真分析避免了理论公式计算的繁杂,为磁吸式传感器永磁体的设计提供参考。     

新型提离自校正位移传感器的建模及特性分析

提出一种新型提离自校正非接触位移传感器,该传感器采用一对正交的霍尔元件来检测移动永磁体激励磁场的X和Y向分量,其中BX反映永磁体提离信息,BY反映永磁体位移信息。然后基于等效面电流方法,建立起位移传感器的数学模型。最后运用有限元方法对位移传感器的特性进行了分析,得到传感器提离时BX和BY的变化规律,为自校正位移传感器的实现提供依据。研究结果表明:BY正负峰值间曲线近似为线性,与永磁体位移存在对应关系;随着永磁体提离高度的增加,BX谷值大小和BY正负峰值间曲线斜率均相应改变;通过检测BX谷值的大小辨识出传感器提离高度,然后对BY曲线进行相应的修正,可抑制提离对传感器精准度的影响。     

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。     

磁致伸缩液位传感器的电路设计及性能分析

介绍了磁致伸缩液位传感器的结构、工作机理以及电路模块化的实现方法,研究实现了脉冲电流发射、回波接收、差模电压放大、脉宽调制、电压调整电路的模块化设计。分析了影响传感器精度和稳定性的可能因素,给出了液位传感器的实验数据,测试结果表明,这种模块化的液位传感器,可灵活地调整电路参数和实现同时多点测量,具有很好的动静态特性,提高了传感器的整体性能,使传感器更加智能化。     

一种超磁致伸缩材料和声表面波谐振器构成的复合磁传感器

设计了一种新的超磁致伸缩材料和声表面波谐振器构成的复合磁传感器.该传感器将超磁致伸缩材料在磁场中产生的应力应变传递到声表面波谐振器上,改变其谐振频率,通过对谐振频率的检测进行磁场测量.该传感器可以用于静态和动态磁场测量,并且可用作无源、无线磁传感器.主要分析了该结构用于静态磁场测量的原理,给出了实验结果.传感器谐振频率的变化对于静态磁场变化的灵敏度可达132 Hz/Oe,谐振频率测量分辨率在1 Hz时,磁场测量分辨率可达10-7T数量级.     

磁致伸缩纵向导波传感器中偏置磁场的优化设计

偏置磁场大小是磁致伸缩纵向导波传感器设计的关键参数之一,最佳偏置磁场的选择受到材料和激励条件的影响,故要求导波检测系统中偏置磁场可调节性好.目前使用的偏置磁场有两种,其中螺线管线圈产生的磁场信号干扰大,信噪比低,永磁体提供的磁场可调节性不佳.为此,提出一种偏置磁场可以调节的结构方案,并通过该方案研制了一种可以调节的偏置...     

基于非晶态合金的压磁式力传感器

为提高测力传感器的测量精度和灵敏度,研制了一种以非晶态合金材料为压磁元件的测力传感器。首先,对硅钢片、坡莫合金以及铁基非晶态合金的软磁特性进行了比较,选择了国产Fe80B20辊剪薄带作为传感器铁芯冲片。其次,通过对传感器的磁路分析,推导出了它的感应输出方程。然后,根据铁磁学和现有参考资料,确定了传感器的各项技术参数。最后,对传感器的静态特性以及励磁电流强度、励磁频率的影响进行了试验研究。试验结果显示,非晶态合金压磁测力传感器比硅钢片、坡莫合金等晶态合金压磁传感器有更高的精度和灵敏度以及更宽的频率响应范围。