基于PCB的平面型空心线圈电流互感器性能分析及设计

通过电磁理论分析,提出了一种基于印刷电路板(PCB)的平面型空心线圈电流互感器.该新结构的空心线圈由多个平面螺旋线圈串接构成,一次导体紧绕半数不相邻的螺旋线圈绕制,二次输出一个正比于被测电流变化率的电压信号,再经过积分器还原成电流信号.推导出了线圈互感系数的计算公式,并分析了其抗外磁场干扰的机理,设计了实验模型.测试结果显示:测量精度达到了0.2级,具有较强的抗电磁干扰能力.这对于开发新型的电子式电流互感器具有积极的意义.     

一种新型EMAT圆柱探头的三维有限元分析

提出了一种空心圆柱结构的电磁超声换能器(EMAT,Electromagnetic Acoustic Transducer)线圈探头,为获得空心圆柱探头的设计参数,以有限元仿真软件ANSYS为工具,对所设计的电磁超声探头进行了三维有限元建模和仿真,分析了空心圆柱型换能器所激发超声波的幅值和频率;研究了线圈的各几何参数及换能器电气特性变化对所激发感生涡流幅值的影响规律;确立了电磁超声圆柱探头的基本设计准则。仿真结论证明:空心圆柱线圈适合作为EMAT探头进行缺陷检测,为此类线圈的设计提供的理论指导。     

PCB型Rogowski线圈的设计与特性分析

设计了一种新型的电流传感头-PCB型Rogowski线圈,介绍了其工作原理及增大互感的方法.基于MATLAB软件,对影响线圈动态性能的参数进行了数学分析,得出了线圈优化设计的规律.在此基础上,优选线圈参数,设计了由PCB型Rogowski线圈和积分器组成的测量系统,并对其灵敏度和频率特性进行了分析计算.结果表明,该系统具有较高的灵敏度和良好的频率特性,能满足电力系统中对大电流的测量要求.     

三轴正交组合线圈结构参数优化设计

为克服现有电磁驱动球型关节各自由度间电磁耦合和力学耦合关系复杂及建模困难等难题，提出一种新型电磁变刚度球型手腕，通过万向节输出端所构成随动机构内置的径向磁化永磁体，在三轴正交组合线圈生成的空间万向旋转磁场同轴随动磁矩直接驱动下可实现侧摆、俯仰二自由度转动。针对电磁变刚度球型手腕对高集成度和高能量输出密度的实际需求，采用2组鞍形线圈和1组亥姆霍兹线圈的正交组合线圈驱动方案，建立线圈内部的磁场模型和球型手腕输出力矩模型，通过遗传算法对三轴正交组合线圈进行结构设计和参数优化。仿真结果表明，对比三轴亥姆霍兹线圈，优化后三轴正交组合线圈磁场均匀度更高，具有更高能量输出密度，结构紧凑，更满足球型手腕的需求。     

电涡流传感器探头线圈的参数化设计与制造

探头线圈是电涡流传感器的最核心的部件,其设计参数对电涡流传感器的性能有直接影响。建立电涡流传感器探头线圈的等效模型,根据理论推导和ANSYS参数化建模仿真,分析探头线圈的设计参数对电涡流传感器线性度、灵敏度和测量范围的影响。根据所确定的设计参数,利用印刷电路板制造工艺,制作PCB板探头线圈,并测试了基于PCB板探头线圈的电涡流传感器的静态和动态性能。结果表明,PCB板探头线圈制造工艺成熟稳定,一致性很高,质量容易保证,基于PCB板探头线圈的电涡流传感器可以满足实际应用的需要。     

PCB型罗氏线圈电流传感器的设计与试验研究

介绍了罗氏线圈的工作机理,根据高精度罗氏线圈设计原则,优选参数,设计了一种基于PCB骨架的罗氏线圈。制作并调试好符合要求的信号检测电路,其按顺序依次为放大、积分、滤波环节。当被测电流大小在0~600A范围内变化时,对PCB型罗氏线圈电流传感器进行了试验验证。结果表明:该传感器线性度好,灵敏度高,能达到2.2353m V/A,输入、输出信号准确,可满足测量要求。     

基于有限元仿真的EMAT结构优化研究

电磁超声检测作为一种新兴的无损检测手段,在高温在线检测中优势明显,然而换能效率偏低限制了其进一步发展和应用。为提高电磁超声换能器的换能效率,通过原理分析,基于有限元仿真对换能器的磁铁和线圈进行分析。选取磁铁的长、宽、高、间距,蛇形线圈和回形线圈的线粗、长度、导线间距及周期数等参数,分别以磁感应强度和涡流密度为目标进行优化。优化结果有助于在试验研究中节约时间和成本,具有一定的指导意义。     

电磁力互动柱塞泵电磁铁轴向位置优化研究

在电磁力互动柱塞泵的电磁力输出特性曲线中,有效输出的电磁力只占电磁力曲线中最小的一段,电磁力利用率低.针对这一问题,进行电磁铁线圈在轴向配置空间内的电磁特性仿真,得到仿真结果.建立优化模型,优化后的结果,将电磁铁线圈的轴向位置重新配置,使得电磁力有效输出提高.在电磁泵输出功率不变的前提下,提高了电磁铁的有效输出,使通电...     

地空频率域电磁系统空心线圈传感器优化设计

针对地空频率域电磁法(GAFEM)的大范围、快速探测需求,研制了一种适用于GAFEM的高灵敏度、低噪声、低质量的空心线圈传感器(ACS)。首先,根据一维正演计算了收发距10 km处的等效面积归一化响应电压,进而确定传感器灵敏度和噪声水平的指标需求;然后,建立ACS的电路等效模型,并对电路噪声进行分析计算,引进拉格朗日乘子法来优化ACS的设计参数以达到灵敏度、噪声和质量指标要求;最后,根据优化参数设计空心线圈传感器,在电磁屏蔽室对其进行测试,结果显示在噪声参考频率(100 Hz)处,优化传感器噪声为0.09 pT/Hz~(1/2),灵敏度为14.7 mV/nT,总质量为1.25 kg。野外实验表明,地面同一测点处,本文优化ACS测量的磁场幅度与AMTC-30磁棒的测量值一致;且在空中飞行中,该ACS能获得有效磁场信号。     

交流电磁机构三维动态特性有限元仿真分析

电磁机构的动态特性分析对于其优化设计至关重要,为了提高电磁机构设计时的整体性能指标,文章利用COMSOL Multiphysics 5.0软件,提出一种交流电磁机构的三维动态过程有限元仿真模型,不仅可以在三维视图下直观观察衔铁运动的整个过程,而且可以获得任意时刻的线圈电流、磁场分布、电磁吸力、衔铁位移与速度等参数。模型针对不同的线圈电压初相角与线圈匝数进行了动态过程仿真,结果显示,线圈匝数决定激磁电流大小,电压初相角对衔铁闭合时刻的运动速度及触头弹跳有较大影响。     

多参数协同调制的高分辨力直线时栅位移传感器

为了解决高精度的直线时栅位移传感器依赖空间超精密刻线和刻线不均匀等问题,提出一种采用多参数协同调制的新型直线时栅位移传感器.该传感器通过在PCB基板上布置阵列的激励线圈和特定形状的感应线圈,通过调制感应的面积和线圈的参数,感应出电行波信号,经过整形后用高频时钟脉冲插补得到位移量.通过仿真分析设计与样机实验,得出实验结果...     

基于平面线圈的高分辨力时栅角位移传感器

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈,形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元;当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后,通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束,使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号;最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物,开展了验证实验,并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿,最终获得了整周范围内误差在-2.82″~2.02″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明,该传感器不仅能实现精密角位移测量,还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下,将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍,且结构简单稳定、极易实现,特别适用于环境恶劣的工业现场。     

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%。     

Mathematical model of a double-coil inductive transducer for measuring electrical conductivity

A technique for the contactless measurement of the electrical conductivity of conducting materials using a double-coil inductive transducer is presented. A mathematical model of the transducer has been created and it consists of two cylindrical coils and a tested sample in the form of a cylinder coaxial with the coils. A processing function of the transducer is defined as the ratio of voltages between terminals of the measurement coil with and without the test sample. This processing function depends on the conductivity of the test sample, the dimensions of the sample and of both coils of the transducer (the measurement coil and the excitation coil), and the frequency of the current supplied to the excitation coil. An analytical formula for the processing function is derived; analysis of graphs of this function in different formats enables us to evaluate the influence of all the essential parameters of the transducer. This is a necessary step for both transducer optimization and carrying out of the conductivity measurement of the investigated materials. In order to verify the theoretical predictions, experimental investigations have been performed using a computerized data acquisition system. First, an experimental validation of the obtained analytical formula has been completed using an aluminum sample of known conductivity. Then, the conductivity measurements of a sample made of brass have been carried out. The obtained experimental results confirm the high accuracy of the theoretical analysis.     

线性测微电感的精化

为提高测微电感传感器的测量精度,提出了基于赫姆霍兹线圈理论设计螺线管线圈的方法,改善了螺线管线圈内轴向上磁场的分布均匀性。首先,分析了螺线管线圈模型,建立了螺线管线圈参数与轴向磁场强度分布相互关系的广义函数模型。然后,通过线圈与磁芯的尺寸确定了系统轴向磁场强度分布函数模型,结合磁芯移动区间范围设置磁场均匀度最小误差目标函数,通过对目标函数寻优得到各螺线管线圈的各项参数。最后,搭建了测微电感传感器的测试系统,测试了传感器性能。实验结果表明:与传统线圈相比,改进型螺线管线圈在100μm测量范围内的线性度由0.46%提高到0.30%。实验显示通过对不同规格的螺线管线圈进行组合,可使得螺线管内轴向上磁场强度分布均匀,从而提高了测量精度。     

微机械电磁阻尼结构分析

提出采用电磁阻尼结构来提高微机械角度调节装置的响应速度.通过建立结构模型和分析结构参数对阻尼效果的影响,给出具体设计实例以及制作工艺,证实该阻尼结构的有效性和可行性.     

永磁伺服电机嵌入式位置检测理论及误差分析

针对现有的永磁伺服电机位置传感器存在成本高、体积大的缺点和新兴的无传感器技术计算复杂及依赖电机参数的不可靠性问题,提出了绕制时栅线圈检测电机转动位置的方法,但由于绕制时栅线圈检测的方法存在获取信号复杂、测量稳定性差以及线圈绕制不均匀增加误差的缺点,在此基础上,提出了一种基于隧道磁阻效应(TMR)和时栅技术的永磁伺服电机嵌入式位置检测新方法。在原理分析的基础上,根据行波表达式的理论推导,分析了单路和双路驻波幅值不相等所导致的误差规律,为检测结构的优化和进一步提高测量精度奠定基础。最后通过实验,验证了嵌入式位置检测理论分析的正确性以及检测方案的优越性,所提出方法的检测精度较绕制时栅线圈的检测方法提高了3倍,稳定性提高了5倍。     

面向机电耦合振动抑制的电主轴系统匹配特性研究

电主轴系统存在复杂的机电耦合作用,若系统机电参数匹配不当,将引起机电耦合振动,导致系统稳定性下降,工件加工表面质量降低。利用将电动机与主轴系统机械特性分离的动力学分析方法难以对系统的机电耦合振动进行有效的分析评价,也难以实现系统机电特性的优化匹配。提出基于机电耦合动力学模型的电主轴系统匹配特性分析方法,利用所提出的方法研究磨削电主轴系统逆变器工作参数、电主轴电动机电磁设计参数和砂轮机械参数对脉动转矩及定子电流频谱特性的影响,并在凸轮轴磨床上进行试验。揭示系统机电耦合振动的物理机制,提出通过优化逆变器工作参数、电主轴电动机电磁设计参数和砂轮参数抑制机电耦合振动的方法。经理论与试验分析证实,通过优化逆变器工作参数可有效抑制机电耦合振动,提高系统匹配特性和磨削质量,从而证实所提出的基于机电耦合动力学模型的电主轴系统匹配特性分析方法是有效可行的。     

电感式位移传感器输出特性仿真分析

电感式位移传感器因其结构及电磁感应特点,不可避免地出现输出非线性与温度漂移的问题,影响其测试精度。针对这一问题,在分析电感式位移传感器结构特性与工作原理的基础上,建立了其输入/输出关系数学模型,并运用Matlab软件进行了仿真分析;探讨了输入/输出参数之间的变化规律。研究结果表明:电感式位移传感器存在一个近似线性工作区域±δmax,其线性度误差受线圈匝数与半径的影响;在其他参数一定的情况下,线圈半径与线圈匝数分别为定值、依次改变线圈匝数与线圈半径时,存在铁芯位移x,且当x≤│δmax│时,传感器输出特性近似成线性关系,线性度好;当x≥│δmax│时,传感器输出特性为非线性关系,线性度差。