磁致伸縮液位計(jì)移傳感器在液位測(cè)量中原理

來(lái)源：西安華恒儀表制造有限公司 2026年03月06日 07:15

　　針對(duì)扭轉(zhuǎn)力作用下波導(dǎo)絲發(fā)生磁化狀態(tài)的改變進(jìn)而影響傳感器的輸出特性這一問(wèn)題，基于材料力學(xué)求解扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，并從磁疇角度分析扭轉(zhuǎn)力對(duì)魏德曼效應(yīng)的影響，結(jié)合Fe-Ga合金的非線性本構(gòu)模型和磁致伸縮逆效應(yīng)等建立磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型，計(jì)算不同螺旋磁場(chǎng)和扭轉(zhuǎn)力下的輸出電壓。搭建預(yù)加扭轉(zhuǎn)應(yīng)力下輸出電壓的測(cè)試平臺(tái)，從理論和實(shí)驗(yàn)上確定輸出電壓隨扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的增大呈非線性減小的變化規(guī)律。

　　磁致伸縮位移（液位）傳感器，通過(guò)內(nèi)部非接觸式的測(cè)控技術(shù)精確地檢測(cè)活動(dòng)磁環(huán)的位置來(lái)測(cè)量被檢測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際位移值的；該傳感器的高精度和高可靠性已被廣泛應(yīng)用于成千上萬(wàn)的實(shí)際案例中。

　　研究還表明：在同一磁場(chǎng)下，正向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力導(dǎo)致的電壓降小于反向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力導(dǎo)致的電壓降，提高偏置磁場(chǎng)或激勵(lì)磁場(chǎng)可以從一定程度上抵消扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對(duì)電壓的影響。研究可為設(shè)計(jì)大量程高精度的位移傳感器提供理論依據(jù)與指導(dǎo)。

　　傳感器的核心包括一條鐵磁材料的測(cè)量感應(yīng)元件，一般被稱為 "波導(dǎo)管"，一個(gè)可以移動(dòng)的永磁鐵，磁鐵與波導(dǎo)管會(huì)產(chǎn)生一個(gè)縱向向的磁場(chǎng)。每當(dāng)電流脈沖(即 "詢問(wèn)信號(hào)")由傳感器電子頭送出并通過(guò)波導(dǎo)管時(shí)，第二個(gè)磁場(chǎng)便由波導(dǎo)管的徑向方面制造出來(lái)。

　　當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)在波導(dǎo)管相交的瞬間，波導(dǎo)管產(chǎn)生 "磁致伸縮" 現(xiàn)像，一個(gè)應(yīng)變脈沖即時(shí)產(chǎn)生。這個(gè)被稱為 "返回信號(hào)" 的脈沖以超聲的速度從產(chǎn)生點(diǎn)(即位置測(cè)量點(diǎn))運(yùn)行回傳感器電子頭并被檢測(cè)器檢出來(lái)。準(zhǔn)確的磁鐵位置測(cè)量是由傳感器電路的一個(gè)高速計(jì)時(shí)器對(duì)詢問(wèn)信號(hào)發(fā)出到返回信號(hào)到達(dá)的時(shí)間周期探測(cè)而計(jì)算出來(lái)，這個(gè)過(guò)程極為快速與精確無(wú)誤。

　　磁致伸縮位移傳感器以線圈為檢測(cè)裝置，其輸出量為電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行分析處理從而獲得應(yīng)力波的傳播時(shí)間，由于應(yīng)力波的傳播速度一定，檢測(cè)位移通過(guò)應(yīng)力波的波速乘以應(yīng)力波的傳播時(shí)間即可求得。

　　紅旗儀表對(duì)磁致伸縮位移傳感器的精度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)輸出電壓的峰值越大，根據(jù)閾值法或峰值法確定的應(yīng)力波傳播時(shí)間越精確，傳感器的測(cè)量精度越高。為研制更符合測(cè)量需求的磁致伸縮位移傳感器，有必要對(duì)磁致伸縮位移傳感器的輸出特性進(jìn)行深入的研究。

　　紅旗儀表在實(shí)踐對(duì)磁致伸縮位移傳感器的輸出特性進(jìn)行研究，技術(shù)人員采用波導(dǎo)絲所受的扭矩描述波導(dǎo)絲的角應(yīng)變，根據(jù)磁機(jī)械耦合原理得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式，進(jìn)而建立起激勵(lì)磁場(chǎng)、偏置磁場(chǎng)和材料特性與輸出電壓的關(guān)系。

　　技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)絲的磁致伸縮是影響魏德曼效應(yīng)的重要因素。技術(shù)人員基于魏德曼效應(yīng)得到了含有磁致伸縮系數(shù)的輸出電壓模型，建立起磁致伸縮與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系。技術(shù)人員者提出磁致伸縮導(dǎo)波位置傳感器的電磁感應(yīng)信號(hào)來(lái)源于磁疇的自由旋轉(zhuǎn)和應(yīng)力波的偏心運(yùn)動(dòng)。

　　隨后，技術(shù)人員對(duì)應(yīng)力波在波導(dǎo)絲中的衰減特性進(jìn)行了研究，提出衰減系數(shù)測(cè)試方法，并討論了波導(dǎo)絲的線徑、應(yīng)力波的頻率等對(duì)衰減系數(shù)的影響。有學(xué)者考慮應(yīng)力波衰減特性，建立了傳感器輸出電壓隨應(yīng)力波傳播距離變化的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型，結(jié)果表明輸出電壓隨傳播距離的增大呈指數(shù)衰減。

　　以上研究均未涉及外加應(yīng)力對(duì)傳感器輸出特性的影響，實(shí)際上，應(yīng)力可以使磁性材料產(chǎn)生應(yīng)變，從而改變傳感器的輸出特性。有學(xué)者根據(jù)位移傳感器的輸出電壓與螺旋磁場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)一步通過(guò)分析有效場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和磁化強(qiáng)度的關(guān)系，得到應(yīng)力和磁場(chǎng)共同作用下的輸出電壓模型。但該模型只適用于分析軸向應(yīng)力對(duì)輸出電壓的影響，對(duì)于在波導(dǎo)絲安裝過(guò)程中極容易受到的扭轉(zhuǎn)力問(wèn)題并不適用，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對(duì)輸出電壓的影響尚未可知。

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