磁致伸缩冻雨传感器系统研究与实验分析(2)

2)激励、检测线圈的制作:线圈的作用是把输入的电能转化为磁场能,向探头提供稳定的直流和交流磁场。并拾取探头材料发生磁致伸缩逆效应产生的磁场,并把该部分磁场转换为感应电动势[8]。

2 冻雨传感器实验系统

磁致伸缩冻雨传感器实验系统是通过DDS输出固定频率的正弦波,经过放大电路后,和直流偏置经过匹配电路直接输入到激励线圈中,产生的偏置磁场和交流激励磁场共同作用于探头,信号检测线圈拾取探头磁致伸缩逆效应从而产生感应电动势[9],信号检测线圈检测到该感应电动势后,经过信号处理电路进行信号处理后,将数据传递给上位机软件,在上位机上,可以轻易的显示出谐振点的幅值,并显示出对应的波形,图2为冻雨传感器实验系统框图。

图2冻雨传感器实验系统框图

当输入频率为探头振动谐振频率f0时,输出电压幅值将会显著增大,这是探头达到谐振的一个宏观表现。探头上有物体时其谐振频率点将会发生偏移,到达新的谐振频率点,此时感应电压幅值比f0对应的感应电压幅值稍小,但也明显高于非谐振点对应电压幅值。因此,通过采集电压幅值的频率的变化,即可确定谐振频率的大小。

利用该实验系统对冻雨传感器各相关参数之间关系进行测试和分析。首先,施加不同的直流偏置,确定输出感应电动势的幅值,选择合适的偏置电流并进行输入电压与输出电压关系的测试;然后在高低温试验箱中,进行高低温实验,测试探头材料在高低温下特性的变化,并进行传感器可靠性实验,最后进行冻雨传感器的灵敏度测试实验。实验中所涉及的输出电压u0均为信号检测线圈输出电压波形的峰值。

3 偏置电流对实验系统的影响

为了防止倍频效应的发生,该实验通过直流电源向探头施加直流偏置磁场[10]。采用单路输出30 V/3 A高精度、高稳定度线性可调直流稳压电源EM1703进行直流供电,输出的偏置直流范围从0 mA增长到330 mA大小,步长为10 mA,系统此时的激励电压的幅值为12 V,表1为偏置电流I0为0～330 mA范围内的输出感应电压值对应的模值,表中清晰显示不同偏置电流情况下所对应的输出感应电压。

表1 不同偏置电流情况下所对应的输出感应电压 mA偏置电流07080模值18偏置电流90模值偏置电流180模值390偏置电流模值

可以计算出感应输出电压的大小

感应输出电压的大小可以由上式公式得出。通过实验系统的显示软件可以清晰的看出随的感应电压幅值的变化、偏置电流的变化。

通过实验可以得出:在I0=120～150 mA时,V0=0.6～0.8 V;当I0增大到150～200 mA时,V0为1.0 V～1.1 V;当I0继续增大到210～250 mA时,变化较为缓慢,V0幅值维持在1.1～1.2 V;继续增大在I0,感应电压V0变小。实验说明,在I0为200～250 mA时,探头材料的磁场已经达到饱和。本实验所选择的偏置电流大小为0.25 A,因为在该偏置电流下,实验现象已经较为明显。由于传感器常年野外使用,所以在使传感器能够正常工作的前提下选择适当的偏置电流。

4 传感器灵敏度实验

在之前实验数据的基础上,设置输入电压频率宽度为38.50～39.70 kHz,幅值为12 V的正弦交流电压,偏置电流为250 mA,且进行实验。由于冻雨传感器是探测冻雨发生的器件,而在实验室现有条件下难以模拟冻雨环境,所以其灵敏度测试是通过滴蜡实验代替完成。因为蜡烛滴在探头表面时能够迅速凝结并且附着在探头表面,该特性和冻雨十分相似,所以使用蜡烛滴替代冻雨具有一定的参考价值,但是在滴蜡的过程中每滴蜡烛的量较难控制,所以进行多组实验,经测量蜡滴的平均重量为10 mg,记录每增加一滴蜡烛时探头谐振频率值,并求平均值[11]。

将上位机得到的数值求平均值,得出蜡滴数N分别为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9时，对应频率f分别为39.54，39.34，39.14，38.95，38.76，38.46，38.23，38.12，37.92，37.69kHz。

经分析蜡滴滴数和传感器探头谐振频率变化基本呈线性变化关系,其数学模型可以近似表示为

Δf=0.2N

以上获得频率的单位为kHz,结果能够清晰地反映蜡滴数和谐振频率变化关系,在一定范围内随着蜡滴数的增多,冻雨传感器固有谐振频率线性变小。实验现象明显,实验通过谐振频率的偏移量来判断冻雨的发生情况,同时也可在一定程度上确定冻雨雨量的大小,证明此冻雨传感器可以满足业务要求。

5 探头材料温度特性实验

冻雨传感器的工作环境一般比较恶劣,考虑到室外环境温度的变化会对磁致伸缩材料产生一定的影响,不同温度中的材料的固有频率会随着温度的变化[12]。

文章来源：《测试技术学报》 网址: http://www.csjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0629/1120.html