磁致伸缩位移传感器双磁环间测量盲区的影响分析
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Ｔｗｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｉｎｇｓ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ∗
ＳＵＮ Ｙｉｎｇ １ꎬ２∗ ꎬＲＥＮ Ｌｅｉｈａｏ １ꎬ２ ꎬＣＨＥＮ Ｚｈｅｎｇ １ꎬ２ ꎬＷＥＮＧ Ｌｉｎｇ １ꎬ２
(１.Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ＥｑｕｉｐｍｅｎｔꎬＨｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＴｉａｎｊｉｎ ３００１３０ꎬＣｈｉｎａꎻ
ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒꎬｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｂｉ￣
ａｓｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｉｎｇｓ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄꎬｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉａｓｉｎｇ
第 ３３ 卷 第 ２ 期
传 感 技 术 学 报
２０２０ 年 ２ 月
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ
Ｖｏｌ ３３ Ｎｏ ２
Ｆｅｂ. ２０２０
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｂｌｉｎｄ Ａｒｅａ ｂｅｔｗｅｅｎ
环放置方向无关ꎬ磁环偏置磁场强度越小ꎬ磁环间的测量盲区越小ꎬ磁场叠加影响的电压幅值变化量也越小ꎮ 且在传感器的
测量盲区内ꎬ电压输出信号将会受到偏置磁场与电压输出波形叠加的影响ꎬ这两种因素都会导致传感器检测失效ꎮ 该研究结
ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｉｎｇꎬｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｉｎｇｓꎬ
ａｎｄ ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ.Ｉｎ ｔｈｅ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａ
ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａ ｉｓ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｃｅ￣
ｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｉｎｇ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｉｎｇ ａｒｅ ｔｈｅ ｓａｍｅ. Ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈｅ ｂｉａｓ
２.Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｈｅｂｅｉ ＰｒｏｖｉｎｃｅꎬＨｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＴｉａｎｊｉｎ ３００１３０ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒｓꎬｔｈｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒꎬｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｗｉｌｌ ｂｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉａｓ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ
ｗａｖｅｆｏｒｍꎬｂｏｔｈ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｌｅａｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆａｉｌｕｒｅ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃ￣
ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｉｎｇｓ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎꎻｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒꎻｄｏｕｂｌｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｉｎｇꎻｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａꎻｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ
２.河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室ꎬ天津 ３００１３０)
摘 要:为减小双磁环磁致伸缩位移传感器磁环间的测量盲区ꎬ对传感器在测量盲区内的输出信号进行了分析ꎮ 从双磁环
偏置磁场与磁环间距的关系进行研究ꎬ建立了双磁环磁致伸
环在不同间距与放置方向时传感器的输出电压ꎬ并通过实验进行了验证ꎮ 结果表明ꎬ磁环规格相同时ꎬ测量盲区的大小与磁
ＥＥＡＣＣ:７２３０ ｄｏｉ:１０.３９６９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１００４ － １６９９.２０２０.０２.００６
磁致伸缩位移传感器双磁环间测量盲区的影响分析 ∗
孙 英１ꎬ２∗ ꎬ任雷浩１ꎬ２ ꎬ陈 铮１ꎬ２ ꎬ翁 玲１ꎬ２
(１.河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室ꎬ天津 ３００１３０ꎻ
ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄꎬａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ ｂｉａｓｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ
ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｂｉａｓｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｉｎｇｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄꎬｗｈｉｃｈ ｉｓ
磁致伸缩位移传感器双磁环间测量盲区的影响分析出电压开始减小?测量盲区为90mm?偏置磁场强度为4kam的两个磁环?测量盲区为77mm?偏置磁场强度为3kam的两个磁环?测量盲区为70mm?当磁环间距小于20mm时?三组不同偏置磁场强度的两个磁环的输出电压都逐渐增大?磁环的厚度为6mm?两个磁环中心的最小距离为6mm?图3同向放置双磁环间距与输出电压之间的关系图4反向放置双磁环间距与输出电压之间的关系双磁环反向放置利用式10式11计算了偏置磁场强度为3kam4kam与5kam的三组磁环?在反向放置不同间距时输出电压的大小如图4所示?从图中可以发现当磁环间距较大时?磁环间影响较小?两个磁环相互靠近?偏置磁场强度为5kam的两个磁环?间距为90mm时输出电压开始增大?测量盲区为90mm?偏置磁场强度为4kam的两个磁环?测量盲区为77mm?偏置磁场强度为3kam的两个磁环?测量盲区为70mm?当磁环间距小于20mm时?两组不同偏置磁场强度的两个磁环的输出电压都逐渐减小?从以上计算结果可以发现?规格为外圆半径18mm?内圆半径13mm?厚度6mm的两个磁环?间距较大时?输出电压变化较小?两种放置方向的磁环随磁环的靠近?输出电压会有不同的变化?磁环规格相同时?测量盲区的大小与磁环放置方向无关?与磁环偏置磁场的大小有关?磁环偏置磁场强度越小?输出电压开始变化时磁环的间距越小?即测量盲区越小?磁场叠加影响的电压幅值的变化也越小?因此在对位移传感器磁环选型时应考虑实际要求?3实验验证与分析31实验平台的搭建根据以上理论研究?利用课题组搭建的实验平台如图5所示?对双磁环磁致伸缩位移传感器的磁环间距放置方向与输出电压的关系进行测试?在实验中采用直径05mm长度750mm的fega磁致伸缩材料作为波导丝?tfg6920a型信号发生器作为脉冲电源输出?输出信号为频率1khz?高电平为5v?低电平为0v?脉宽为7s的脉冲信号?dpo3014型四通道示波器作为检测信号的采集显示装置?将示波器的探头与线圈的两端连接来检测磁致伸缩逆效应产生的电压?两个相同中心磁场的环形永磁体作为偏置磁场?利用高斯计测量磁环中心点处磁感应强度的大小?再根据式6从而得到环形永磁体的偏置磁场强度?环形永磁体的材料为钕铁硼?规格为外圆半径18mm?内圆半径12mm?厚度6mm?图5实验测试平台图6磁环间距100mm和50mm的输出电压波形32实验结果分析双磁环同向放置
ＳＵＮ Ｙｉｎｇ １ꎬ２∗ ꎬＲＥＮ Ｌｅｉｈａｏ １ꎬ２ ꎬＣＨＥＮ Ｚｈｅｎｇ １ꎬ２ ꎬＷＥＮＧ Ｌｉｎｇ １ꎬ２
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ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒꎬｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｂｉ￣
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第 ３３ 卷 第 ２ 期
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２０２０ 年 ２ 月
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ
Ｖｏｌ ３３ Ｎｏ ２
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Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｂｌｉｎｄ Ａｒｅａ ｂｅｔｗｅｅｎ
环放置方向无关ꎬ磁环偏置磁场强度越小ꎬ磁环间的测量盲区越小ꎬ磁场叠加影响的电压幅值变化量也越小ꎮ 且在传感器的
测量盲区内ꎬ电压输出信号将会受到偏置磁场与电压输出波形叠加的影响ꎬ这两种因素都会导致传感器检测失效ꎮ 该研究结
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ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａ ｉｓ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｃｅ￣
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Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒｓꎬｔｈｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒꎬｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｗｉｌｌ ｂｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉａｓ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ
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摘 要:为减小双磁环磁致伸缩位移传感器磁环间的测量盲区ꎬ对传感器在测量盲区内的输出信号进行了分析ꎮ 从双磁环
偏置磁场与磁环间距的关系进行研究ꎬ建立了双磁环磁致伸
环在不同间距与放置方向时传感器的输出电压ꎬ并通过实验进行了验证ꎮ 结果表明ꎬ磁环规格相同时ꎬ测量盲区的大小与磁
ＥＥＡＣＣ:７２３０ ｄｏｉ:１０.３９６９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１００４ － １６９９.２０２０.０２.００６
磁致伸缩位移传感器双磁环间测量盲区的影响分析 ∗
孙 英１ꎬ２∗ ꎬ任雷浩１ꎬ２ ꎬ陈 铮１ꎬ２ ꎬ翁 玲１ꎬ２
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ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄꎬａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ ｂｉａｓｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ
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磁致伸缩位移传感器双磁环间测量盲区的影响分析出电压开始减小?测量盲区为90mm?偏置磁场强度为4kam的两个磁环?测量盲区为77mm?偏置磁场强度为3kam的两个磁环?测量盲区为70mm?当磁环间距小于20mm时?三组不同偏置磁场强度的两个磁环的输出电压都逐渐增大?磁环的厚度为6mm?两个磁环中心的最小距离为6mm?图3同向放置双磁环间距与输出电压之间的关系图4反向放置双磁环间距与输出电压之间的关系双磁环反向放置利用式10式11计算了偏置磁场强度为3kam4kam与5kam的三组磁环?在反向放置不同间距时输出电压的大小如图4所示?从图中可以发现当磁环间距较大时?磁环间影响较小?两个磁环相互靠近?偏置磁场强度为5kam的两个磁环?间距为90mm时输出电压开始增大?测量盲区为90mm?偏置磁场强度为4kam的两个磁环?测量盲区为77mm?偏置磁场强度为3kam的两个磁环?测量盲区为70mm?当磁环间距小于20mm时?两组不同偏置磁场强度的两个磁环的输出电压都逐渐减小?从以上计算结果可以发现?规格为外圆半径18mm?内圆半径13mm?厚度6mm的两个磁环?间距较大时?输出电压变化较小?两种放置方向的磁环随磁环的靠近?输出电压会有不同的变化?磁环规格相同时?测量盲区的大小与磁环放置方向无关?与磁环偏置磁场的大小有关?磁环偏置磁场强度越小?输出电压开始变化时磁环的间距越小?即测量盲区越小?磁场叠加影响的电压幅值的变化也越小?因此在对位移传感器磁环选型时应考虑实际要求?3实验验证与分析31实验平台的搭建根据以上理论研究?利用课题组搭建的实验平台如图5所示?对双磁环磁致伸缩位移传感器的磁环间距放置方向与输出电压的关系进行测试?在实验中采用直径05mm长度750mm的fega磁致伸缩材料作为波导丝?tfg6920a型信号发生器作为脉冲电源输出?输出信号为频率1khz?高电平为5v?低电平为0v?脉宽为7s的脉冲信号?dpo3014型四通道示波器作为检测信号的采集显示装置?将示波器的探头与线圈的两端连接来检测磁致伸缩逆效应产生的电压?两个相同中心磁场的环形永磁体作为偏置磁场?利用高斯计测量磁环中心点处磁感应强度的大小?再根据式6从而得到环形永磁体的偏置磁场强度?环形永磁体的材料为钕铁硼?规格为外圆半径18mm?内圆半径12mm?厚度6mm?图5实验测试平台图6磁环间距100mm和50mm的输出电压波形32实验结果分析双磁环同向放置