基于磁致伸缩超声换能的偏置磁场设计仿真测试技术研究

本文旨在研究偏置磁场大小及位置在磁致伸缩式换能器中的影响。通过介绍磁致伸缩换能器原理,设计磁致伸缩超声导波激励方案。选用直径1 mm的铁镓合金磁致伸缩材料作为测试波导,应用COMSOL有限元仿真软件对磁致伸缩效应与超声传播特性进行仿真,得出当永磁体距离线圈7 mm时,磁通密度约为1 T,此时换能器效率达到最大。最后,设计永磁体距离线圈0~9 mm时的超声激励实验,通过对比超声激励信号的幅值,验证永磁体位置为7 mm,磁通大小为1 T时,换能器效率达到最大,为进一步设计磁致伸缩式超声温度传感器奠定基础。

磁致伸缩纵向导波传感器中偏置磁场的优化设计

偏置磁场大小是磁致伸缩纵向导波传感器设计的关键参数之一,最佳偏置磁场的选择受到材料和激励条件的影响,故要求导波检测系统中偏置磁场可调节性好。目前使用的偏置磁场有两种,其中螺线管线圈产生的磁场信号干扰大,信噪比低,永磁体提供的磁场可调节性不佳。为此,提出一种偏置磁场可以调节的结构方案,并通过该方案研制了一种可以调节的偏置磁场结构。基于建立的数学模型,利用有限元方法验证该结构可以有效调节偏置磁场,应用该结构到纵向磁致伸缩传感器中,结果显示该结构可以有效调节检测信号的幅值,同时,该结构具有信噪比高、使用方便的特点,适合应用于磁致伸缩纵向导波的无损检测。

偏置磁场对超磁致伸缩致动器输出特性的影响分析

采用Terfenol-D棒作为超磁致伸缩致动器GMA(Giant Magnetostrictive Actuator)的主要材料,研制了有偏置磁场和无偏置磁场两种超磁致伸缩致动器,分析了具有分段式永磁偏置和无偏置致动器的结构及性能。基于安培定律、磁路基尔霍夫定律、叠加原理对致动器的磁场进行理论分析。为进一步分析磁场分布,创建三维模型,利用有限元仿真软件对GMA内部磁场进行分析和比较,仿真结果表明:分段式永磁偏置结构致动器能够达到理想的偏置要求,无磁场偏置的致动器在电流作用下磁场分布更均匀。实验结果表明:超磁致伸缩致动器输出位移和力的大小分别与Terfenol-D棒长度、直径呈正相关,施加偏置磁场能够改善超磁致伸缩致动器的动静态输出特性,提高致动器静态输出位移和力的线性度,消除动态输出位移与输出力的倍频现象,提高其输出精度。

偏置磁场均匀性对磁致伸缩导波传感器输出特性的影响

磁致伸缩式导波检测传感器(MsS)作为一种新型的超声波检测装置可应用于管道的健康监测,但其较低的能量转换效率却限制了其进一步的应用。为提高MsS能量转换效率,从偏置磁场均匀性角度出发,分析了偏置磁场均匀性对传感器输出特性的影响。采用有限元方法分析磁化装置个数与放置方式对管道内部磁场分布状况的影响,分析表明,适当增加磁化装置个数可以有效提高偏置磁场的均匀性;同时在磁场装置个数一定时,均布的放置方式将有助于形成均匀的偏置磁场。以有限元计算结论为基础,理论推导了偏置磁场与检测效率的关系,并通过实验研究揭示了磁场分布不均匀性对MsS输出的影响。通过改善偏置磁场的均匀性可以有效地提高磁致伸缩导波传感器的检测效率。

静态偏置磁场对电磁超声换能器灵敏度的影响

电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)灵敏度低,其静态偏置磁场是影响EMAT灵敏度的关键因素。为提高EMAT的灵敏度,利用有限元软件ANSYS计算EMAT中永磁体产生的磁感应强度,得到磁感应强度的分布规律,并结合试验方法获得永磁体的优化结构参数,以指导EMAT结构的优化设计。研究结果表明,当永磁体与线圈的间距减小时,超声振动回波幅值增大,但对线圈干扰加大,在两者之间取折中能够得到较高信噪比的回波信号;永磁体厚度对换能器灵敏度产生严重影响,当厚度增大,磁感应强度增强,但趋势逐渐变缓。聚磁板的应用有利于集中磁感应强度,提高回波信号的信噪比。

曲折线圈EMAT偏置磁场优化设计及其实验研究

针对曲折线圈电磁超声换能器(EMAT)换能效率低的问题,建立了曲折线圈EMAT检测过程有限元模型,分析了3种常见的永磁体组合方式对EMAT换能效率的影响,研究了3种组合方式下永磁体几何参数对金属试样表层偏置磁感应强度的影响规律,并给出了偏置磁场强度最大时对应的永磁体最佳几何参数。为验证仿真结果,采用3种组合形式的永磁体制作EMAT探头,并在铝板中激励0.9 MHz表面波和2 MHz斜入射偏振剪切波(SV波)。研究结果表明,当永磁体宽度为EMAT曲折线圈宽度的0.8左右时,曲折线圈EMAT换能效率最高。改进U型永磁体组合可显著提高金属试样表面的偏置磁场强度。

偏置磁场对Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器性能的影响

利用Fe-Ga合金应变大、驱动简单和磁机耦合系数高的优点制成的Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器是一种新型导波检测装置。为提高传感器的换能效率,结合Fe-Ga合金材料的非线性本构关系,并且通过实验测量Fe-Ga合金材料的静态特性,初步得到了Fe-Ga合金材料工作的最佳磁场强度范围。将Fe-Ga合金材料的非线性本构关系耦合到导波传感器中,建立了Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器激励、传播、接收的模型。通过分析传感器永磁体的提离效应,得出最佳提离距离为2.5 mm。通过对接收电压及应变的分析,得到了传感器的永磁体剩余磁场强度为1.0 T。选取非均匀分布的静态偏置磁场大小为1.0 T,提离距离为2.5 mm,仿真计算得到接收端的电压峰值为0.15 V。

偏置磁场对磁致伸缩液位传感器检测电压的影响

为了提高磁致伸缩液位传感器的检测精度,研究了磁致伸缩液位传感器中产生偏置磁场的浮子磁铁的放置方式及其对检测电压的影响。利用ANSYS软件对浮子磁铁不同放置方式下形成的偏置磁场进行了有限元分析,分析显示:采用3块磁铁互成120°N极N极S极(NNS)放置或者采用圆环磁铁作为偏置磁场时检测效果比较理想。实验研究了磁致伸缩液位传感器的偏置磁场对检测电压的影响,并在浮子磁铁不同放置方式下进行多次实验。结果表明:偏置磁铁为3块磁铁互成120°NNS放置时或者为圆环磁铁时,检测电压的幅值达到50mV,比其它放置方式提高了近30mV。研究表明:磁致伸缩液位传感器应选择3块磁铁NNS放置或者选择圆环磁铁作为偏置磁场。

基于永磁体偏置磁场的高速响应电磁阀设计

为了提高螺管式电磁阀的开关响应速度,将永磁体置于电磁阀的磁路中,提供偏置磁场,可以降低电磁阀的有效磁导率,减小磁路电感,提高响应能力.通过有限元仿真的方法对该设计方案进行了验证,结果表明:采用偏置磁场的电磁阀磁路结构简单,响应性能突出,有利于推力器的脉冲工作性能提升,能够满足未来卫星平台精确控制的要求.

外加偏置磁场对静磁波模式及其频带的影响

本文完整地展现了磁光薄膜中任意倾斜的外加直流偏置磁场对微波静磁波激发模式及其带宽的影响,实现了对不同静磁模的统一考虑,为进一步分析磁光Bragg器件的衍射性能提供理论基础.计算分析表明:(1)当外加偏置磁场的大小不变时,传统磁化情形下的静磁波带宽最大,此时基于静磁反向体波(MSBVW)的磁光Bragg器件较相应的静磁正向体波(MSFVW)器件有更高的工作频率;(2)在适当倾斜的偏置磁场作用下,MSBVW、MSFVW和静磁表面波(MSSW)均可被激发,它们的激发频率依次增大;(3)通过倾斜偏置磁场可使MSFVW的频带向高频移动.

静态偏置磁场对铁磁材料电磁超声换能器信噪比的影响

电磁超声换能器的信噪比低,严重限制了电磁超声技术的进一步发展。为解决这一问题,分析了影响电磁超声换能器信噪比的关键因素——静态偏置磁场。以麦克斯韦方程组和波动方程为理论基础,建立了铁磁材料电磁超声换能器数值模拟方法并开发了相应的程序,探究了静态偏置磁场强度对电磁超声换能器的影响。结果表明:随着静态偏置磁场强度的增大,磁致伸缩体力逐渐减小,而洛伦兹力一直增加;永磁体厚度的增大,使回波信号幅值逐渐减弱,但趋于稳定。

偏置磁场对磁电复合材料磁电系数的影响研究

为了研究外加偏置磁场对层叠磁电复合材料磁电系数(αME)的影响,文章利用COMSOL有限元分析软件建立了磁致伸缩/压电/磁致伸缩层叠复合材料三维模型,分析了施加交-直流偏置磁场对磁电复合材料αME的影响。结果表明:交流偏置磁场强度(Hac)的幅值对磁电复合材料的αME没有影响,但频率对αME影响较大,存在谐振频率140 kHz;磁电复合材料的αME随直流偏置磁场强度(Hdc)的增加而先增大后减小,存在最优值。文章设计了一套复合材料磁电系数的测试系统,实验测试了Hdc对磁电复合材料αME的影响,结果表明,在实验测试范围内,实验结果与仿真结果基本吻合。

大直径管道磁致伸缩纵向导波传感器偏置磁场的优化设计

偏置磁场的合理设计是磁致伸缩式纵向超声导波传感器设计的关键之一,大直径管道中偏置磁场由于管径较大的原因而呈现磁场强度弱、分布不均匀的特点。通过有限元软件模拟了直径为88mm的大直径管道中各种磁路偏置磁场的分布情况,得到了不同截面磁场分布方差随磁路组个数增加呈现的对数衰减规律,中截面上偏置磁场与磁路组个数呈现线性递增的关系。结果表明5磁路组设计为88mm大直径管道超声导波磁致伸缩传感器偏置磁场的最优化阵列组合。

超磁致伸缩驱动器偏置磁场分布结构设计

为充分发挥超磁致伸缩材料的特性,提高超磁致伸缩驱动器的输出特性,针对驱动器内部偏置磁场较差的问题,提出了一种分段式永磁偏置结构。根据基尔霍夫定律、磁路欧姆定律、叠加原理对驱动器的偏置磁场进行理论分析;使用Ansoft Maxwell有限元软件进行仿真,引入磁场不均匀度作为性能指标进行分析。结果表明:驱动器磁场均匀性随着GMM棒段数的增加而变好,结合实际工况,最终确定最佳偏置磁场分布结构为n=3。

超磁致伸缩致动器中偏置磁场的有限元模拟

用Ansoft软件对超磁致伸缩致动器中的偏置磁场进行研究，主要分析四种磁路结构的磁场均匀性及磁场强度，为器件设计提供依据。结果表明，两层及三层圆盘状永磁体施加偏场的均匀性一般，磁场强度变化范围分别为10～12kA／m、15～25kA／m；增加线圈后均匀性降低，但磁场强度分别增加到23～27kA／m、35～65kA／m。圆桶状永磁体施加偏场的均匀性最好，磁场强度变化范围50．7～50．9kA／m。双层圆环状结构可以提供稍高的磁场强度，磁场强度变化范围50～52kA／m。

基于硬磁薄膜材料的GMI传感器偏置磁场分布模拟

由于GMI效应对磁场的对称性特点，在传感器设计中，通常采用引入偏置磁场的方法来提高GMI传感器的灵敏度。而采用硬磁薄膜材料作为GMI传感器的偏置磁场源，可在提供80～160A／m的偏置磁场的前提下，实现GMI传感器的低功耗和微型化。运用COMSOL软件对薄膜材料的空间磁场分布进行了模拟，研究了薄膜材料特性及其尺寸对空间磁场分布的影响，并对影响有限元分析结果可靠性的因素进行了探讨。研究结果表明，硬磁薄膜材料的剩余磁化强度为0.3～0．7MA／m、长度为5～7mm、厚度为7～13μm时可以为GMI传感器敏感元件提供符合要求的偏置磁场源。

偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响及其在构建拓扑边界态中的作用

光子晶体中的拓扑相变源自于其能带结构中带隙的打开-闭合-再打开,其中伴随着能带结构中带序(或本征态)之间的交换.本文探讨了偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响,它在构建拓扑边界态中的作用以及对边界态特性的影响.结果表明:反转偏置磁场方向会导致能量不同但宇称相同的本征态之间的交换,这种交换为构造不同特性的拓扑边界态(如多重边界态等)提供了更多选择性.根据边界两侧光子晶体能带结构的相对关系,可以预测在边界上是否出现拓扑边界态以及边界态的主要特性.

偏置磁场对自旋阀传感器性能的影响研究

通过测试自旋阀传感器在沿垂直于敏感轴方向施加偏置磁场条件下的磁场响应曲线,研究了偏置磁场对自旋阀传感器磁滞、非线性度和灵敏度等性能参数的影响。实验结果表明:随着偏置磁场的增加,自旋阀传感器的磁滞、非线性度和灵敏度均减小,并且灵敏度与偏置磁场大小成反比关系。研究结果可为自旋阀传感器的应用提供理论支撑。

阀用超磁致伸缩致动器偏置磁场分布结构设计

在液压阀工作空间环境限制的条件下,设计了一种体积精小、结构紧凑的阀用超磁致伸缩致动器。针对该种致动器内部偏置磁场强度均匀性较差的问题,利用有限元仿真方法对其偏置磁场分布结构进行了分析及设计,通过引入磁场不均匀度及平均磁场强度两性能指标对偏置磁场分布结构进行区别,同时结合实际情况,确定了最佳偏磁分布结构为超磁致伸缩棒段数n=3时;制作了阀用超磁致伸缩致动器试验样机,并对样机磁场强度进行了测试。实验结果表明,超磁致伸缩棒表面的磁场分布与仿真结果具有相同的变化趋势,其磁场不均匀度约为22.7%,说明所设计偏置磁场结构是合理的,该研究对于液压阀件的设计具有一定意义。

偏置磁场强度对交叉线圈式扭转导波换能器换能效率的影响

交叉线圈式带状磁致伸缩扭转导波换能器偏置磁场强度直接影响换能器换能效率,为获得较佳的检测效果,需要研究偏置磁场强度对该换能器换能效率的影响。首先,从磁致伸缩效应出发,分析交叉线圈式带状磁致伸缩扭转导波换能器的工作原理。其次,在模态验证实验的基础上,分别对激励和接收换能器换能过程中偏置磁场的作用进行研究。实验结果表明随着偏置磁场强度的增大激励端和接收端换能器换能效率均先增大后减小。最后进行缺陷检测实验,当激励端和接收端均选择最佳换能区域时,对比模态验证实验,缺陷信号明显增大。该研究结果可为换能器的现场应用提供技术支持。