偏置磁場對磁致伸縮液位傳感器檢測電壓的影響

孫 英， 邊天元， 王 碩， 翁 玲， 張露予

(河北工業(yè)大學(xué) 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室， 天津 300130)

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偏置磁場對磁致伸縮液位傳感器檢測電壓的影響

孫 英*， 邊天元， 王 碩， 翁 玲， 張露予

(河北工業(yè)大學(xué) 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室， 天津 300130)

為了提高磁致伸縮液位傳感器的檢測精度，研究了磁致伸縮液位傳感器中產(chǎn)生偏置磁場的浮子磁鐵的放置方式及其對檢測電壓的影響。利用ANSYS軟件對浮子磁鐵不同放置方式下形成的偏置磁場進行了有限元分析，分析顯示：采用3塊磁鐵互成120°N極N極S極(NNS)放置或者采用圓環(huán)磁鐵作為偏置磁場時檢測效果比較理想。實驗研究了磁致伸縮液位傳感器的偏置磁場對檢測電壓的影響，并在浮子磁鐵不同放置方式下進行多次實驗。結(jié)果表明：偏置磁鐵為3塊磁鐵互成120°NNS放置時或者為圓環(huán)磁鐵時，檢測電壓的幅值達到50 mV，比其它放置方式提高了近30 mV。研究表明：磁致伸縮液位傳感器應(yīng)選擇3塊磁鐵NNS放置或者選擇圓環(huán)磁鐵作為偏置磁場。

偏置磁場；磁致伸縮液位傳感器；檢測電壓；有限元法

1 引 言

隨著工業(yè)化進程的不斷提高，液位測量的精度和對測量環(huán)境的工業(yè)性要求也越來越高，傳統(tǒng)的液位傳感器已不能滿足工業(yè)要求。磁致伸縮液位傳感器作為一種新型的傳感器，具有測量精度高、測量位移大、測量非接觸等優(yōu)點，適用于惡劣環(huán)境中對液體位置的測量[1-8]。張露予等[9]構(gòu)建了磁致伸縮位移傳感器檢測電壓輸出模型，搭建了實驗平臺；孫英等[10]研究了磁致伸縮液位傳感器檢測信號的影響因素，分析了激勵電流和檢測線圈對檢測電壓的影響；余超等[11]對磁致伸縮位移傳感器的磁場進行了研究，分析了位移傳感器的磁場分布；竺冉等[12]研究了磁致伸縮縱向?qū)Р▊鞲衅髦衅么艌龅膬?yōu)化與設(shè)計。然而，對于磁致伸縮液位傳感器中產(chǎn)生偏置磁場的浮子磁鐵放置方式及其對檢測電壓的影響研究較少。而不同的磁鐵放置方式導(dǎo)致產(chǎn)生的偏置磁場不同，進而影響檢測電壓。為此，本文從理論和實驗兩方面，對不同的磁鐵放置方式，及其對檢測電壓的影響做了較詳細地分析。

2 磁致伸縮液位傳感器實驗平臺

實驗測試平臺如圖1所示[9-10]。磁致伸縮液位傳感器由傳感器頭部、檢測線圈、波導(dǎo)絲、浮子等組成。將直徑為0.5 mm，長度為1 m的磁致伸縮波導(dǎo)絲固定在內(nèi)徑為6 mm，外徑為8 mm的鐵氟龍塑料管內(nèi)，底端穿過橡膠棒緊固，再套入內(nèi)徑為9 mm，外徑為14 mm，壁厚為2.5 mm的316L不銹鋼探桿內(nèi)。檢測線圈穿過波導(dǎo)絲，用于信號拾取，采用DPO3014示波器顯示檢測電壓信號。檢測線圈截面直徑為1 mm，長度為8 mm，線圈匝數(shù)為800，使用的漆包線線徑為0.06 mm[10，13]。其中傳感器頭部產(chǎn)生脈沖電流信號并處理后續(xù)檢測電壓信號；浮子中的磁鐵為波導(dǎo)絲的磁致伸縮效應(yīng)提供偏置磁場。在室溫條件下，進行實驗測試。

圖1 搭建實驗測試平臺

3 磁致伸縮液位傳感器信號產(chǎn)生原理

磁致伸縮液位傳感器信號的產(chǎn)生源于磁致伸縮材料的魏德曼效應(yīng)，信號產(chǎn)生過程如圖2所示。

圖2 信號產(chǎn)生流程圖

在魏德曼效應(yīng)的作用下，波導(dǎo)絲中的磁疇被軸向偏置磁場磁化，傳感器頭部的主控制器芯片發(fā)射起始脈沖信號，計時電路開始計時。脈沖沿著波導(dǎo)絲傳播，并產(chǎn)生環(huán)繞波導(dǎo)絲的周向磁場，當波導(dǎo)絲中被偏置磁場磁化的磁疇受到周向磁場的作用時，磁疇發(fā)生局部偏轉(zhuǎn)，質(zhì)點偏離其平衡位置運動，由于質(zhì)點間的相互作用，質(zhì)點的振動由近及遠地傳播形成了彈性波[14-15]。當彈性波到達檢測線圈時，在逆磁致伸縮效應(yīng)的作用下，機械應(yīng)力的改變導(dǎo)致波導(dǎo)絲中磁感應(yīng)強度發(fā)生變化，因此在檢測線圈兩端便產(chǎn)生感應(yīng)電壓，即檢測電壓信號。檢測電壓信號經(jīng)過比較、放大電路后作為計時電路的終止信號。

由電磁學(xué)理論可知，脈沖電流所產(chǎn)生的周向磁場是對稱的同心圓，由于電流的集膚效應(yīng)，磁感應(yīng)強度隨著波導(dǎo)絲半徑的增大而增大，并在波導(dǎo)絲的最大半徑處達到最大值。由于波導(dǎo)絲的磁導(dǎo)率比空氣大得多，因此，脈沖電流所產(chǎn)生的周向磁場主要集中在波導(dǎo)絲內(nèi)。軸向磁場是表征浮子中磁鐵位移的量[9]，與波導(dǎo)絲上電流形成的周向磁場相遇后，矢量疊加形成螺旋磁場。為了檢測電壓幅值更大，要求螺旋磁場的磁場強度必須足夠大，集中性好并且具有較好的峰值[16]。

其中，檢測電壓信號作為比較放大電路的輸入，其波形決定著磁致伸縮液位傳感器的檢測精度。對于檢測電壓信號波形有兩點要求。首先，在后續(xù)電路的處理過程中，需要在檢測波形產(chǎn)生的時刻就終止計時，但是由于剩磁、回波等影響，使得檢測電壓信號波形在信號產(chǎn)生之前就存在起伏波動，所以后續(xù)電路必須設(shè)置閾值電壓，避免計時電路誤動作。為了減小磁致伸縮液位傳感器的誤差，要求檢測電壓波形，從信號產(chǎn)生到達到閾值電壓的過程非常短，所以電壓上升和電壓下降的速度要求足夠快。其次，為了方便，后續(xù)電路對檢測電壓信號進行半波整形，只保留正向電壓。如果檢測電壓波形是中心對稱圖形，這樣就存在先出現(xiàn)波峰時刻或是先出現(xiàn)波谷時刻兩種情況。如果先出現(xiàn)波谷，由于進行了半波整形操作，使得計時延后半個信號寬度，反映在位移上，誤差約為5.5 cm。在沒有示波器的情況下無法判斷先出現(xiàn)波峰或者波谷，為穩(wěn)妥起見，波形盡量為軸對稱圖形。

由此可知，檢測電壓的波形不僅受材料特性的影響，同時還受激勵磁場和偏置磁場的影響。浮子中磁鐵的尺寸、放置方式等的不同，導(dǎo)致偏置磁場對磁致伸縮液位傳感器檢測信號影響的討論比較困難。目前市場上流行的磁致伸縮液位傳感器，浮子中磁鐵的放置方式大體可以分為4類：第一類是單塊磁鐵，第二類是2塊磁鐵平行放置，第三類是3塊磁鐵互成120°，第四類是圓環(huán)磁鐵。

4 磁致伸縮液位傳感器偏置磁場理

論分析

ANSYS對磁場特性進行數(shù)值分析的方法有很多，其中有限元相關(guān)模型最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛。首先對單塊磁鐵形成的偏置磁場進行分析，相關(guān)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實驗及仿真參數(shù)

4.1 單塊磁鐵放置方式

波導(dǎo)絲與永久磁鐵放置方式如圖3所示，永久磁鐵中心距波導(dǎo)絲5 mm。

圖3 單塊磁鐵放置方式

對磁鐵模型進行有限元建模、仿真，波導(dǎo)絲內(nèi)的磁場強度H的分布如圖4所示。仿真時，波導(dǎo)絲內(nèi)通入的電流大小為2 A，磁鐵的矯頑力設(shè)置為1 000 kA/m。

圖4 波導(dǎo)絲內(nèi)部磁場強度分布圖

由圖4可以看出，波導(dǎo)絲內(nèi)部磁場強度在磁鐵處達到最大值。研究磁鐵到波導(dǎo)絲的距離從1～30 mm，利用有限元軟件的循環(huán)命令對波導(dǎo)絲的磁場強度進行分析，得到磁場強度隨距離的變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5 磁場強度隨距離的變化

由圖5可以看出，磁鐵距離波導(dǎo)絲較近時，波導(dǎo)絲內(nèi)部磁場強度較大，當磁鐵與波導(dǎo)絲的距離達到20 mm以上時，磁鐵對波導(dǎo)絲幾乎沒有影響。當磁鐵距離波導(dǎo)絲較近時，在波導(dǎo)絲內(nèi)部形成的磁場出現(xiàn)2個峰值，反映在檢測電壓波形上會出現(xiàn)雙波峰，這不利于波導(dǎo)絲內(nèi)彈性波的產(chǎn)生，并且會對磁致伸縮液位傳感器的精度產(chǎn)生影響，因此單塊磁鐵放置方式存在缺陷。

4.2 2塊磁鐵平行放置方式

波導(dǎo)絲與2塊磁鐵的放置方式如圖6所示，靠近波導(dǎo)絲的磁極為NN極。2塊磁鐵平行放置，波導(dǎo)絲垂直穿過2塊磁鐵中心的連線。靠近波導(dǎo)絲的磁極為NN極。每塊永久磁鐵中心距離波導(dǎo)絲5 mm，利用有限元軟件的循環(huán)命令，改變磁鐵與波導(dǎo)絲的距離，研究波導(dǎo)絲內(nèi)部的磁場強度，結(jié)果如圖7所示。磁鐵與波導(dǎo)絲距離較近時，波導(dǎo)絲內(nèi)部形成的磁場較大；磁鐵與波導(dǎo)絲距離較遠，超過20 mm時，波導(dǎo)絲內(nèi)部的磁場幾乎不受偏置磁場的影響。當二者距離較近時，在波導(dǎo)絲內(nèi)部形成的磁場存在2個波峰，同樣不利于彈性波的產(chǎn)生，影響磁致伸縮液位傳感器的精度。

圖6 2塊磁鐵平行放置方式

圖7 磁場強度隨距離的變化

4.3 3塊磁鐵互成120°的放置方式

互成120°的3塊磁鐵放置方式如圖8所示，靠近波導(dǎo)絲的磁極為NNN極。

圖8 3塊磁鐵互成120°放置方式

在相同參數(shù)下，研究磁鐵到波導(dǎo)絲的距離從1～30 mm，利用有限元軟件的循環(huán)命令對波導(dǎo)絲內(nèi)部磁場進行分析，磁場強度隨距離的變化結(jié)果如圖9所示。

圖9 磁場強度隨距離的變化

同理，改變靠近波導(dǎo)絲的磁極為NNS，在相同的參數(shù)下，研究磁鐵到波導(dǎo)絲的距離從1～30 mm，利用有限元軟件的循環(huán)命令對波導(dǎo)絲內(nèi)部磁場進行分析，磁場強度隨距離的變化結(jié)果如圖10所示。

圖10 磁場強度隨距離的變化

4.4 圓環(huán)磁鐵放置方式

用同樣的方法對圓環(huán)磁鐵進行分析，其放置方式如圖11所示。

圖11 圓環(huán)磁鐵放置方式

在相同的參數(shù)下，研究磁鐵到波導(dǎo)絲的距離從1～30 mm，利用有限元軟件的循環(huán)命令對波導(dǎo)絲的磁場強度進行分析，磁場強度隨距離的變化結(jié)果如圖12所示。

圖12 磁場強度隨距離的變化

綜合比較圖5、圖7、圖9、圖10與圖12可知，單塊磁鐵、2塊磁鐵與3塊磁鐵NNN放置在波導(dǎo)絲處均有2處峰值，而3塊磁鐵NNS放置與圓環(huán)磁鐵在波導(dǎo)絲上的磁場只有1個峰值，除此之外，3塊磁鐵NNS放置與圓環(huán)磁鐵在波導(dǎo)絲內(nèi)部形成的磁場更為集中，同時單塊磁鐵、2塊磁鐵與3塊磁鐵NNN放置在波導(dǎo)絲內(nèi)形成的磁場的磁場強度均未超過2 500 A·m-1，而3塊磁鐵NNS放置與圓環(huán)磁鐵所形成磁場的磁場強度均超過10 000 A·m-1。綜上所述，選擇3塊磁鐵NNS放置或圓環(huán)磁鐵作為磁致伸縮液位傳感器的偏置磁場較為適宜。

5 磁致伸縮液位傳感器實驗結(jié)果與分析

4種磁鐵的放置方式及規(guī)格如表2所示。實驗中磁致伸縮液位傳感器的其它參數(shù)如表1所示。

表2 磁鐵放置方式及參數(shù)

5.1 單塊磁鐵的影響

浮子中的磁鐵為單塊磁鐵時磁致伸縮液位傳感器的檢測電壓如圖12所示。為了后續(xù)電路檢測的準確性，提高磁致伸縮液位傳感器的精度，要求磁致伸縮液位傳感器的檢測信號波形呈軸對稱圖形，并且峰值單一，電壓上升和下降的速度要足夠快。由圖12可知，此時磁致伸縮液位傳感器的檢測信號并非軸對稱圖形，且峰值的坡度不大。如果把此波形作為比較放大電路的輸入波形，這在很大程度上影響了磁致伸縮液位傳感器的精度。

圖12 單塊磁鐵時的檢測電壓信號

5.2 2塊磁鐵的影響

在波導(dǎo)絲上下兩端平行的2塊磁鐵，其放置方式不同，一種是靠近波導(dǎo)絲的磁極為NN，稱為NN放置；另一種是靠近波導(dǎo)絲的磁極為NS，稱為NS放置。

根據(jù)電磁學(xué)理論，當波導(dǎo)絲兩端的磁鐵NS放置時，形成的磁場在很大程度上與單塊磁鐵放置是一致的，所以其形成的檢測電壓波形大體形狀相同。圖13所示為2塊磁鐵NS相對平行放置時檢測電壓信號。由圖13可知，此時檢測電壓的波形為中心對稱圖形，與圖12所示單塊磁鐵放置時的檢測電壓波形大體相同。由于2塊磁鐵的存在，其磁場強度較單塊磁鐵的磁場強度大，所以其檢測電壓的幅值也較單塊磁鐵檢測電壓的幅值大。

圖13 兩塊磁鐵NS放置時的檢測電壓信號

Fig.13 Detection voltage signal with two pieces of parallel magnets under NS placement

圖14所示為2塊磁鐵NN相對平行放置時，磁致伸縮液位傳感器的檢測電壓信號。由圖14可以看出，此時的檢測電壓存在2個波峰，并且檢測電壓幅值僅為16 mV，大大影響磁致伸縮液位傳感器的精度，理論上應(yīng)該舍棄這種設(shè)計方法。

圖14 兩塊磁鐵NN放置時的檢測電壓信號

Fig.14 Detection voltage signal with two pieces of parallel magnets under NN placement

5.3 3塊磁鐵互成120°的影響

3塊磁鐵互成120°時有2種放置方式，一種是靠近波導(dǎo)絲的磁極為NNN，稱為NNN放置方式；一種是靠近波導(dǎo)絲的磁極為NNS，稱為NNS放置方式。

在放置磁鐵時，3塊磁鐵的重心所在的平面需與波導(dǎo)絲橫截面平行，且兩兩重心所形成的夾角為120°。圖15所示為NNN方式時，磁致伸縮液位傳感器的檢測電壓信號。此時檢測電壓的波形為雙波峰，確定其中心位置時存在難度，影響檢測精度，理論上應(yīng)予以舍棄。

圖15 3塊磁鐵NNN放置時的檢測電壓信號

Fig.15 Detection voltage signal with three pieces of magnets under NNN placement

圖16所示為NNS放置時的檢測電壓信號。由圖16可知，此時的波形基本呈軸對稱分布，且波峰波谷的坡度較好，可以作為比較放大電路的輸入。

圖16 三塊NNS放置時的檢測電壓信號

Fig.16 Detection voltage signal with three pieces of magnets under NNS placement

5.4 圓環(huán)磁鐵的影響

放置圓環(huán)磁鐵時盡量使得波導(dǎo)絲垂直穿過圓環(huán)磁鐵，并處于圓環(huán)磁鐵的中心。圖17所示為圓環(huán)磁鐵對磁致伸縮液位傳感器檢測電壓信號。由圖17可知，此時波形呈標準的軸對稱圖形，且波峰具有非常好的坡度，波谷幅值是波峰幅值的1/3。

圖17 圓環(huán)磁鐵時的檢測電壓信號

綜合比較圖12～17，單塊磁鐵放置與2塊磁鐵NS放置時，其波形大體一致，均為中心對稱圖形。兩塊磁鐵NN放置與3塊磁鐵NNN放置時，其波形大體相同，都同時存在2個波峰和1個波谷，而且這兩種放置方式下，檢測電壓的幅值非常低，僅為16 mV和13 mV，大大影響了磁致伸縮液位傳感器的精度；3塊磁鐵NNS放置與圓環(huán)磁鐵放置時，檢測電壓波形為中心對稱圖形，而且幅值也非常理想，是同種測試條件下NN放置與NNN放置的3～4倍，為了使檢測電壓波形更為標準，檢測精度更高，后續(xù)電路的處理更為便捷，可以選擇3塊磁鐵NNS放置或者圓環(huán)磁鐵作為偏置磁場。

6 結(jié) 論

單塊磁鐵和兩塊磁鐵NS平行放置對檢測信號的影響大體相同，由于檢測信號呈中心對稱，應(yīng)該予以舍棄。2塊磁鐵NN放置和3塊磁鐵NNN放置對檢測信號的影響大體相同，此時存在2個波峰和1個波谷，無法確定中心位置，應(yīng)該予以舍棄。3塊磁鐵NNS放置和圓環(huán)磁鐵對檢測信號的影響大體相同，波形都呈軸對稱分布，并且都有很好的坡度。此時的檢測電壓幅值為50 mV，遠遠超過其它幾種放置方式，可以選擇3塊磁鐵NNS放置或者圓環(huán)磁鐵作為偏置磁場。利用ANSYS軟件對浮子中磁鐵不同放置方式下形成的偏置磁場進行了有限元分析，并且實驗測試分析了該偏置磁場對檢測電壓的影響，研究結(jié)果為磁致伸縮液位傳感器的設(shè)計提供了依據(jù)。

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孫 英(1970-)，女，河北唐山人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，1994年、2001年、2008年于河北工學(xué)院分別獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位，主要從事磁器件設(shè)計、建模及控制等研究。E-mail：sunying@hebut.edu.cn

邊天元(1990-)，男，河北唐山人，碩士研究生，2014年于太原科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事磁器件設(shè)計及其檢測技術(shù)等研究。E-mail：1125339175@qq.com

(版權(quán)所有 未經(jīng)許可 不得轉(zhuǎn)載)

Influence of bias magnetic field on detection voltage of magnetostrictive liquid level sensor

SUN Ying*， BIAN Tian-yuan， WANG Shuo， WENG Ling， ZHANG Lu-yu

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and ElectricalApparatusReliability，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300130，China)

To improve the detection accuracy of a magnetostrictive liquid level sensor， different placements of float magnets in the bias magnetic fields of the sensor and its impact on the detection voltage were researched. The bias magnetic fields generated by float magnets in different placements were analyzed by the finite element analysis of ANSYS software. It was found that when three pieces of magnets under NNS placement or one single ring magnet are chosen as bias magnetic field， the detection voltage waveform is in line with expectations. Besides， the effects of bias magnetic field of magnetostrictive liquid level sensor were done on detection voltage were experimentally studied and the experiments were done more times for the float magnets at different placements. The experiment results verify that when the bias magnetic field is generated by three pieces of magnets under NNS placement or one single ring magnet， the amplitude of detection voltage reaches 50 mV， which has improved almost 30 mV as compared with that of other ways. It suggests that three pieces of magnets under NNS placement or one single ring magnet can be applied as the bias magnetic field of magnetostrictive liquid level sensors.

bias magnetic field； magnetostrictive liquid level sensor； detection voltage； finite element method

2016-05-20；

2016-07-10.

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.51201055);河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究重點資助項目(No.ZD2015085);天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金資助項目(No.20140421)；河北省引進留學(xué)人員資助項目(No.CG2013003001)

1004-924X(2016)11-2783-09

TP212.12

A

10.3788/OPE.20162411.2783

*Correspondingauthor，E-mail：sunying@hebut.edu.cn