磁致伸缩位移传感器偏置磁场的有限元仿真分析

金属片的磁致伸缩系数与其磁化状态密切相关,其中磁化状态是由偏置磁场的磁化效果决定的。金属片的磁致伸缩系数越大,则金属片扭转应变产生的磁化强度变化越大,即逆磁致伸缩换能效率越大,从而直接影响感应线圈输出的电压信号的幅值。因此在设计偏置磁场时,应使金属片周围的磁感应强度足够大,来保证较大的逆磁致伸缩换能效率。其中磁场强度的大小主要与提供偏置磁场的永磁体的大小及摆放位置有关。本文通过有限元分析对比永磁体摆放的不同位置对感应线圈周围磁通量的影响,从而确定永磁体的摆放位置。

一般的,磁致伸缩位移传感器中永磁体与感应线圈的放置位置如图1(a)所示,采用一个永磁体来构成偏置磁场。为了提高线圈输出的电压信号性能,本文采用如图1(b)中的放置方式,采用两个永磁体来构成偏置磁场,其中两个永磁体的方向须摆放一致,若方向相反,则当激励电流产生的环形磁场与两个永磁体所产生的轴向磁场相遇也会产生扭转波,该扭转波对位置磁铁处发出的扭转波会产生干扰,从而影响位移测量精度。下面通过ANSYS来进行仿真分析图1(a)与1(b)的两种摆放方式下的偏置磁场特性,来更好的说明本文所采用的方式具有一定的优势。

永磁体与感应线圈的放置位置示意图
永磁体与感应线圈的放置位置示意图

采用ANSYS对偏置磁场进行二维静态磁场分析,通过GUI方式来实现。首先建立永磁体模型,将其简化为长为5mm,宽3mm的矩形,两永磁体的间距为20mm,材料选用牌号为N50M的钕铁硼,剩磁为1450mT,矫顽力为1114KA/m,相对磁导率为1.036。然后,永磁体区选用plane53矩形单元,周围采用INFIN9远场单元来模拟无边界平面,进行自动区域网格划分。最后进行计算求解,可得到永磁体周围的磁通分布特性,如图2所示。

由图2永磁体周围磁通量的数据可知,对比两种不同放置方式,图(b)的放置方式中的线圈周围的磁通量(磁感应强度)明显高于图(a)的,从而可知本文采用的两个永磁体对称放置方式使得线圈输出的电压性能更好。

两种放置方式下永磁体周围磁通分布特性
两种放置方式下永磁体周围磁通分布特性
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