磁致伸缩冻雨传感器系统研究与实验分析(3)

为了更好地验证温度的变化对冻雨传感器探头材料的影响,将传感器放置高低温试验箱中,对其工作环境进行多次仿真模拟[10]。

硬件电路许多芯片的特性会在不同的温度环境中发生一定的变化,为了独立验证探头材料的温度特性,将硬件电路放在高低温试验箱之外。调节试验箱内部温度由50 ℃下降至-40 ℃,在上升至40 ℃,来模拟室外环境温度的变化。实验中其他实验参数不变,上位机接收下位机采集到的实验数据,根据结果拟合出探头材料温度—频率曲线如图3所示。

图3 探头材料温度特性曲线

从温度特性曲线可以看出,温度的不断上升,材料的固有频率会随之减小,其中:在t为-40 ℃,得到探头固有频率的最大值为40 188 Hz;在t为50 ℃,得到探头固有频率的最小值为40 119 Hz。通过实验,可以得出,随着温度的变化,传感器探头材料的温度特性会发生一定的变化,当温度从-40 ℃上升至50 ℃,传感器探头的固有频率产生了一定的偏移即Δf=69 Hz。而传感器工作的扫描频率为511×2=1 022 Hz,计算出频率的相对偏移量为6.7 %,该偏移对实验的传感器工作几乎不产生影响。实验说明,选用材质作为探头的材料是十分合理的。

6 结束语

搭建了磁致伸缩冻雨传感器的实验系统,通过该实验平台,分别进行了偏置电流与输出感应电压关系的测试、探头材料温度特性测试、传感器灵敏度测试、传感器加热除冰模块的测试。实验结果与理论分析相一致,很好地证明冻雨传感器设计的可行性。根据实验结果可以确定冻雨传感器在设计的硬件电路基础上,偏置电流为250 mA,在给定的参数内扫频,当有物体(冰)凝结在探头上时,探头谐振频率将迅速发生偏移,发出冻雨发生信号。在该条件下,冻雨传感器样机达到预期的工作效果。

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张东明(1990-),硕士,工程师,从事信号探测,大气探测方面的研究工作,E—mail:。

0 引 言冻雨是冬季具有高影响、大范围成灾的灾害性天气。冻雨传感器是通过机械谐振原理进行探测,探测冻雨的发生是采用冻雨传感器机械谐振原理。冻雨传感探头具有磁致伸缩效应,探头处于磁场驱动下产生轴向振动,当有冰凝结在探头表面时,探头的固有频率发生偏移,频率偏移量可以判断冻雨是否发生[1]。本文通过模拟实验证明了冻雨传感器的可行性。1 冻雨传感器原理与结构分析1.1 冻雨传感器原理分析传感器通过激励线圈把信号驱动的电能转换为探头轴向振动的机械能,探头由于磁致伸缩逆效应把探头振动的机械能转换为电磁能,经由信号检测线圈拾取产生感应电动势[2]。从机械振动的角度分析,由于施加了频率可变的交变磁场,则探头在其轴向发生机械振动并且频率与交变磁场保持一致,此时探头谐振频率为定值f0,当有物体(冰)附着在探头表面上时,此时的谐振频率为f0,通过信号检测线圈产生的感应电动势,确定变化后的谐振频率点,可求出谐振频率偏移量Δf,以确定是否有冻雨发生。其表达式为Δf=f0-f′0(1)式中f0为探头轴向固有频率,kHz；f′0为探头结冰后轴向固有频率, 传感器驱动检测模块模型的建立1.2.1 数学模型的建立当给传感器激励线圈施加交流激励时,将在振管中产生交变磁场,可得到该体积元的运动方程[3，4]为(2)式中u为振管位移;σ为作用在体积元上的总应力(3)式中c=(E/ρ)1/2，为探头材料中体单元的位移或应力的速度；λ为磁致伸缩系数;μr为可逆磁导率。忽略探头振动时的谐波影响,可得(4)由感应探头逆磁致伸缩效应所产生磁感应强度的微分表达式[5]。设信号检测线圈的横截面积为s,单位长度线圈匝数为n,在理想状态下,忽略激励线圈和信号检测线圈之间的边缘效应,即轴向弹性导波离开激励线圈并且没有衰减地进入信号检测线圈。根据磁致伸缩正逆效应,由探头应变产生的磁感应强度全部被信号检测线圈拾取。实际中,由于线圈为固定装置,磁场分布状态较为单一,所以该因子可近似的认为是一个固定值。对信号检测线圈长度进行积分,则通过信号检测线圈的有效磁通量为(5)根据法拉第电磁感应定律可知,信号检测线圈两端的感应电动势整理后可表示为f(ξ)ejξdξ(6)上式为传感器检测线圈两端所产生感应电动势的表达式,当式中的各个参数及激励线圈磁场分布函数给定,就可计算出该时刻下信号检测线圈两端感应电动势，可以看到输出感应电动势与以下三个因素所决定:1)探头材料特性参数,如密度ρ，弹性模量E，相对磁导率μr，磁致伸缩系数λ等;2)线圈参数,如单位长度匝数n，横截面积s，长度l，效率转换影响因子θ，磁场影响因子η等;3)磁场分布函数f(x)。根据分析过程可以看到,当频率到达探头谐振频率时,探头应变将发生突变,由式(5)可知此时引起磁通量的突变,导致信号检测线圈两端的感应电动势也将会发生突变,通过电动势发生突变点确定探头系统谐振频率点 传感器模块参数的设计通过传感器探头的模型,可建立传感器探头振动特性方程,经过整理得到振管轴向振动的固有频率为(7)先前的研究已经对传感器的结构做了优化设计,将线圈匝数N为520、材料弹性模量E为1.80×1011N/m2，材料密度ρ为8 000 kg/m3，探头长度h为57.925 mm相关参数代入式(7)中,令i=1,则振管轴向振动基频为f1=40.944 电路模型的建立磁致伸缩材料的应变频率是交流驱动磁场频率的2倍,这种现象称为磁致伸缩材料的倍频现象[6,7],如图1(a)所示。这种现象使铁磁性材料工作在非线性区域,此时可以对材料施加一个恒定磁场,以实现磁-机能量在相同频率下相互转换,提高材料能量转换效率,使铁磁材料工作在线性区域,从而消除倍频效应。在本文中,驱动线圈的激励信号均由电路提供,一方面,向线圈中加载给定频率的正弦信号,使探管周围产生交变磁场;另一方面,加载额定电流的直流电流,提供消除倍频效应的直流电流,模型如图1(b)所示。图1 电路模型建立如图2所示,加入简单的隔直隔交器件,将幅值整体提高的正弦信号作为激励信号提供给驱动线圈,保证探管的轴向振 传感器样机1)传感器探管的制作:该部分是整个探头系统的主体,是整个传感器能量交换的核心[8]。探头由磁致伸缩材料直接加工而成。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(8)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(9)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]。为了更好地验证温度的变化对冻雨传感器探头材料的影响,将传感器放置高低温试验箱中,对其工作环境进行多次仿真模拟[10]。硬件电路许多芯片的特性会在不同的温度环境中发生一定的变化,为了独立验证探头材料的温度特性,将硬件电路放在高低温试验箱之外。调节试验箱内部温度由50 ℃下降至-40 ℃,在上升至40 ℃,来模拟室外环境温度的变化。实验中其他实验参数不变,上位机接收下位机采集到的实验数据,根据结果拟合出探头材料温度—频率曲线如图3所示。图3 探头材料温度特性曲线从温度特性曲线可以看出,温度的不断上升,材料的固有频率会随之减小,其中:在t为-40 ℃,得到探头固有频率的最大值为40 188 Hz;在t为50 ℃,得到探头固有频率的最小值为40 119 Hz。通过实验,可以得出,随着温度的变化,传感器探头材料的温度特性会发生一定的变化,当温度从-40 ℃上升至50 ℃,传感器探头的固有频率产生了一定的偏移即Δf=69 Hz。而传感器工作的扫描频率为511×2=1 022 Hz,计算出频率的相对偏移量为6.7 %,该偏移对实验的传感器工作几乎不产生影响。实验说明,选用材质作为探头的材料是十分合理的。6 结束语搭建了磁致伸缩冻雨传感器的实验系统,通过该实验平台,分别进行了偏置电流与输出感应电压关系的测试、探头材料温度特性测试、传感器灵敏度测试、传感器加热除冰模块的测试。实验结果与理论分析相一致,很好地证明冻雨传感器设计的可行性。根据实验结果可以确定冻雨传感器在设计的硬件电路基础上,偏置电流为250 mA,在给定的参数内扫频,当有物体(冰)凝结在探头上时,探头谐振频率将迅速发生偏移,发出冻雨发生信号。在该条件下,冻雨传感器样机达到预期的工作效果。参考文献:[1] 翁玲,王博文,孙英,等. 超磁致伸缩致动器的输出位移与其控制研究[J].仪器仪表学报,2006(7):800-803.[2] 翁玲,王博文,孙英,等. 超磁致伸缩致动器动态特性分析与实验研究[J].河北工业大学学报,2005(5):14-17.[3] 王华,聂丽梅,赵萍.结冰传感器数学模型的建立和验证[J].传感器与微系统,2008,27(12):63-66.[4] KARUNANIDHI S,SINGAPERUMAL M.Design, analysis and simulation of magnetostrictive actuator and its applicationto high dynamic servo valve[J].Sensors and Actuators A:Physical, 2010, 157:185-197.[5] WENG L,WANG B W,DAPINO M J,et 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文章来源：《测试技术学报》 网址: http://www.csjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0629/1120.html