文摘
静态或缓变磁场会影响线性可变差动变压器的性能诱导阅读漂移。问题是仅仅解决线性可变的数据,没有定量信息引起的误差。线性有限元模型在这里提出及其实验验证为了提出一个研究工具对线性和外部磁场的影响不敏感设备的设计。线性模型被验证在标准工作条件和在外部磁场的存在通过一套完整的实验测量数据上执行一个自定义原型,生产后,有限元法的指导方针。
1。介绍
线性可变差动变压器磁位置传感器。它的使用是非常广泛的由于其特性的非接触式传感器,与几乎无限的分辨率和精度高(1]。分辨率和精度主要取决于调节电子(2- - - - - -4通过比率计),可以提高阅读(5]。因此,它的使用是很常见在严酷的环境下,如核电站和粒子加速器(6]。
线性传感器基本上是一个变压器一次绕组,中心的圆柱形结构,和两个二次绕组,每一方的主要之一,伤口在圆柱(图的支持1)。一个铁磁核心可以沿着轴,初级和次级绕组之间的磁链发生相应变化,以它的位置。特别是,当核心完全结构的一侧,一二次电压是最大而另一个是最小的。当核心是在中间,两个电压是相等的。核心的位置可以通过微分提取阅读第二信号。用于喂养频率信号通常是几千赫范围内(1]。通常,Ni-Fe的核心是由合金,材料表现出高磁导率和常用的这些应用程序(7,8]。
虽然阅读线性可变精度可以保证即使在关键和嘈杂的安装(6),这个传感器显示敏感外部缓变磁场(9]。是这种情况,例如,旁边的设施设备与重大泄漏或生成的字段,如汽车或高电流电缆。这类设备的影响会导致位置读数误差可以几百微米的数量级。因此,显然,这种误差可以代表一个严重的问题在标称精度的应用程序需要几微米的6]。作者的知识,这个问题仅仅是解决几个线性可变数据表,完全忽视了绝大多数生产者;即使一个警告,没有量化指标诱导阅读错误位置,也不可能对策,。在科学文献中,这个问题已经被(首先介绍和讨论9- - - - - -12),尽管没有定量验证模型是可用的。本文有限元(FE)模型线性可变差动变压器的磁干扰研究,为了怀孕(i)研究工具和量化的干扰影响,(2)援助的概念和现象的分析模型的发展,和(3)设计为现有线性或完全免疫结构可能的对策。
FEM-aided分析允许一个更深的调查关于本地变量和身体大小,如当地的磁通密度值或磁场13,14),实际上非常困难或太贵了直接测量。
来自有限元分析的结果可以验证一个定制的原型,线性的结构密切反映了一个有限元素模型本身。一套完整的测量已经完成制造原型,在标准工作条件和存在外部干扰磁场的情况下,为了与模型验证协议。自从可以由线性可变电压(4,15)或当前激励(16),测量执行了在这两种情况下,为了指出可能的差异,最终比较在不同的供应情况下干扰的影响。
节2有限元模型和仿真提出了轮廓。仿真结果讨论了部分3。节4设置,测量,并给出了实验结果和模拟的比较讨论。
2。线性有限元模型和仿真程序
线性传感器的有限元模型模拟了使用仿真软件通量。这个模拟器是特别适合电磁问题的有限元分析(包括2 d和3 d几何图形17]。
这样一个有限元分析的目的是怀孕的模型线性可变差动变压器作为一种工具,可以用于分析和设计线性公开给外部的磁场。这样一个模型的可用性将允许一个即时反馈分析研究物理现象的外部磁场影响线性阅读,以及在设计过程中一个LVDT-like结构与外部磁场免疫力。
原则上是外磁场不知道在许多应用程序中(无论是在振幅方面,还是在时间演化上),重新调整设备的干扰场的存在,这可能是一个有效的解决方案为纯直流字段,不能帮助在这种情况下。此外,外磁场可能不是永远存在的。的确,在慢变的存在(即外部字段。,the frequency content of such a field being in the ultralow frequency range whereas the internal LVDT magnetic field harmonics are in the range of few kHz), at each reading the LVDT will experience an error which is a function of the value of the interfering field (which is nearly constant). Therefore, at each reading, the effect on the position can be seen as due to a DC external field. However, the existence of an intrinsic time variation of such a field, for what has been said, invalidates the possibility to recalibrate the device.
2.1。二维建模
圆柱对称线性可变几何礼物。另一方面,一个干扰磁场撞击面向原则上可以任意的线性结构。然而,面向任意磁场的叠加可以看作是纵向(线性轴平行)和横向(垂直轴)组件。鉴于这些传感器对纵向磁场(更敏感10),这个情况考虑。因此,仿真几何包括传感器本身和外部纵向磁场源。实际上,碰撞磁场(磁场产生的外部来源,当不存在线性)沿着线性轴可均匀或不均匀。第一步模型,选择干扰磁场是均匀分布沿轴和横截面。出于这个原因,干扰磁场也会表现出一种旋转对称。因此,磁场源可以是一个电磁阀。这样,整个结构完整圆柱对称和几何仿真可以建在两个维度。
模拟线性模型略有不同于结构简单介绍部分1并显示在图1。在实际的模型中,初级线圈确实是伤口在整个长度上的绕组支持而次级线圈在主要的伤口,每一方的结构(图之一2)。通过这种方式,变压器的漏电感明显减少了。模型提出了绝缘子洗衣机和层,视为非磁性区域。
封闭在一个铁磁结构圆柱两端帽。铁磁情况下,一起结束帽,有两个主要功能:关闭线性磁路,就像第一次针对外部磁场屏蔽。核心筒的长度等于二次线圈长度。
考虑到圆柱对称,仿真几何考虑只有一半的纵切面的传感器(图3)。实际上,完整的3 d几何旋转模拟得到的几何对称性轴周围360度(图3)。然而,尽管有限元分析可以执行完全在二维环境中,提供的结果是整个设备的体积,从而显著减少计算时间。
结构比例高,因此细网格被选为离散化的厚度而网格沿长度传感器可以粗。通过这样做,使用三角网进行了优化所有几何元素。的啮合和解决参数几何报道在表1。少量的可怜的元素的存在(即。,nearly flat triangular elements), disposed axially, is not a concern; indeed in such a structure, the variation of the fields in a single region is supposed to be more rapid in the transversal direction, rather than in the longitudinal one [18]。这个假设也适用于线圈之间的区域的结构和外部情况下,穷人的元素存在。此外,在该地区相应的磁性媒体,网格密度已经适应了穿透深度。原则上是磁场,磁导率函数的穿透深度已经计算在最坏的情况下(即。、最大磁导率)和网格密度,以安排至少两个啮合元素在皮肤深度区域(17]。
2.2。磁性材料
磁性材料性能的有限元建模研究的线性磁干扰不是微不足道的。事实上,鉴于外部磁场的存在由于线性叠加的工作原理、磁性的材料必须正确地描述在所有地区BH飞机的模拟来匹配他们的实际行为。不幸的是,磁性材料的非线性有限元仿真器模型考虑到他们正常的磁化曲线,不考虑主要和次要磁滞效应(17]。
由于这些原因,材料已被选定为磁传感器线性模型的部分已经通过退火过程。退火样品的偏好,而不是在于不治疗材料在退火状态下这样的样品表现出高导磁率和狭窄的磁滞回线19),以及一个均匀分布磁导率(1]。这些特性使它们更适合与有限元建模的方法。
Ni-Fe合金PERMENORM 5000 H2(50%)被选为核心而铁磁材料钢已被用于圆柱的情况下,由于这些材料可以使用,他们一直通过退火过程。
关于线圈的规格,匝数1500已经选择了主绕组,为了有一个内部足够高磁场传感器而被选出的1600位宾客的匝数这两个次级线圈,设置转换比率。
2.3。解决的策略
时间选择瞬态解算器。牛顿迭代法用于解决非线性和100次迭代的最大数量设置为每个时间。该算法计算的放松因素通过藤原方法(17]。
几何距离,包括关键参数(如核心位移)参数化,以便快速参数模拟嵌入相同的模拟场景。数值瞬变避免使用一个初始化静态计算(17]。另一方面,对于每一个仿真,选择一个适当的时间窗口的瞬态计算,为了避免物理瞬变现象。
参数化的核心位移允许执行一组模拟在不同的核心位置。对于每个人来说,几何是再啮合和执行的时间瞬态计算17]。核心位置范围已从−20毫米至20毫米在11个步骤在恒定的间距。通过这样做,模拟在标准工作条件导致传感器的校准。
干扰场模拟,以关键设备为例(6,9),1吨的情况下考虑外部的磁通密度,在空气中对应于一个干扰磁场的大约800 / m。磁场轴向定向和空间统一。
3所示。仿真结果
仿真结果为电压和电流供应,在存在和没有干扰磁场,在这里显示。
尽管两种供应模式都是用于商业线性、研究这一现象的需要两个不同的供应来自这样一个事实:当信号是一个纯粹的正弦电流,供给整个磁场与电压是正弦而供应整体磁场扭曲是由于非线性的磁介质。因此,外部磁场的影响,原则上,扮演不同的角色在两个检查情况。
为每个供应情况下,线性特性曲线,显示第一个二级电压的谐波对参考位置,显示。此外,该比率计计算如下: 在哪里和是第一个谐波的第一和第二中学,分别。相对ratiometric-position曲线显示。在这些曲线,计算了非线性误差 在哪里是参考核心位置,通过线性插值计算位置的比率和参考位置之间的关系,和心肺复苏术是核心位置的范围。即使通常范围从核心位置−20毫米至20毫米,一些有趣的结果保持较小的范围。
在外部磁场干扰的情况下,产生一个误差的测量位置。因此,计算了位置漂移,在每个核心位置,不同的位置在存在外部干扰和的位置在没有干扰。在这两种情况下,使用比率计的立场是读阅读技巧,通过获得的校准曲线的标准工作条件。实际位置漂移允许执行(即相对研究。,a study on a position variation) in order to highlight the effect of the external magnetic field on a certain position.
3.1。电压供应
传感器提供了一个3.5 V峰值正弦电压在2000赫兹。本例中的特性曲线显示在图中4(虚线)核心位置从−20毫米+ 20毫米。
它可以注意到两条曲线有双重行为的趋势,这让人想起线性传感器的工作原理。曲线是对称的空位置,由于设备的完全对称。模拟表明,传感器的二次转换比率从0.54(最低核心耦合)到1.66(最高核心耦合)。
比率计的行为作为位置的评估函数,和相对的结果是描绘在图5(虚线)。比率是一个单调函数从约0.5−0.5全芯位置范围。再次,完美的奇对称的曲线反映了完美的几何对称和互惠的模拟设备。
在模拟、设备的非线性导致0.7%范围(−20毫米,20毫米]。核心位置时的线性变得更加可以接受范围是:减少非线性误差范围是0.11%(−10毫米,+ 10毫米)。
纵向干扰情况下的结果显示在图中8(虚线)。一些有趣的言论可以指出通过观察这幅图。位置漂移是一个单调函数的核心位置,它表现出一个奇怪的对称(这反映了设备的几何对称)。此外,它是零在零位置。远离中心的核心,位置误差就越大。在最坏的情况下,20毫米的核心位置,位置漂移值可以达到大约70微米。
3.2。供电
传感器与当前美联储振幅的正弦波在2 kHz, 24.0 mA,已经被选为了第一次谐波的振幅的初级电压3.5 V时,核心是在零位置。通过这样做,仿真结果可以直接进行比较与获得的电压供应。
目前的供应情况的特性曲线显示在图中6(虚线)核心位置从−20毫米+ 20毫米。
再次,两条曲线的双重行为的趋势,零位置可以注意到周围的对称。在这种情况下,传感器的二次转换比率从0.54(最低核心耦合)到1.66(最高核心耦合)。
图7(虚线)显示比率计曲线对电源的核心位置。它非常类似于相应的电压供给曲线:趋势是单调(由于线性工作原理)和比率计值的范围从约−0.5 + 0.5,以零值在零位置。因此,曲线再次对称零位置。此外,非线性误差(0.7%的全部范围,0.12%的范围从−10毫米到+ 10毫米)是大致相同的,观察了电压供应。
结果关于位置漂移是描绘在图9(虚线)。的形状和大小,图中描述回忆中相应的行为电压供应;这里的位置漂移范围从+ 72−72微米千分尺,零值在零位置和更高的值远离中心的位置。
4所示。实验验证
4.1。原型实现
仿真工作构成了线性原型制造的起点。尺寸、材料、几何和线圈规范反映仿真标准。已经在最后一段说,磁性材料已经通过退火工艺。
初级线圈的伤口在2层的线径0.28毫米(为了让可能的测量大电流)而次要的单层线圈线径为0.06 mm,因为他们被认为是连接到高阻抗,典型的数据收集。制造原型的展开图,突出信息,显示在图中10。
4.2。实验验证过程
一个完整的自动试验台,可以找到的细节在11),已被用于线性原型计量特征,在这两个标准和磁干扰条件。此外,已经完成了测量电流和电压供应。至于有限元分析,核心位置范围从−20毫米至20毫米,但也考虑了降低范围。特别是,测量在不同位置之前迭代研究的零角度传感器(电气零研究)11]。
外部纵向磁场是由外部校准螺线管,美联储通过直流电流以所需的振幅和沿着电磁领域的均匀分布长度。此外,退磁过程已经预见到在测量过程中(11),为了使退磁的磁路传感器和保持尽可能固定的静态工作点等效磁化曲线在不同的测量步骤。
缺乏外部磁场构成的测量校准的原型,屈服于它的校准曲线。外磁场存在,位置测量采用曲线,计算位置漂移的不同位置测量了外磁场的存在,以缺席。至于模拟,位置漂移分析是一个相对的研究指出是谁的函数外部电磁干扰的影响。
在所有实验结果,相关扩展测量不确定性描述。这是重复测量30日计算,假设值传播作为一个高斯分布的测量时间间隔。卡方检验在重复电零研究结果证实,零的原型是线性传播作为一个标准差的高斯分布6微米。测量在不同位置的不确定性,因此,由该组件,因为其他来源的不确定性来自试验台给更小的值(11]。结果扩大了测量的不确定性一直使用覆盖率计算2。
不确定性对位置漂移计算如下: 在哪里和在没有测量位置的不确定性,在存在外部领域,分别。这种不确定性的值之间的差异在不同的情况下将在以下部分进行了分析。
4.3。电压供应
原型特性曲线如图4(实线)。测量结果表明,传感器的二次转换比率从0.48(针对模拟值为0.54),1.69(与模拟值为1.66)。
关于电压振幅,协议模拟和测量的结果是好的,因为它总是大于85%而增加超过95%时减少(−10 mm, + 10毫米)的核心位置。
结果的比率是描绘在图5(实线)。在这种情况下,比率是一个单调函数的位置从约0.58−−0.5的(对一个值模拟)到0.57(针对模拟值为0.5)。测量结果表明一个更明显的非线性,特别是对于高核心位置范围(1.11%(−20毫米,20毫米))。图在图5可以注意到的影响比率计阅读模拟和测量之间的匹配。事实上,这场比赛对于二次电压超过85%,有关的比率是83%。此外,这样的效果不一致的立场。
关于干扰条件下,图中给出的相关位置漂移8(实线)。一些评价这个数字必须简要指出。首先,漂移在0毫米为零的模拟和测量(平均值):这是由于这样的事实,当中心的核心是两个二次绕组上的干涉效应是一样的,导致nonperturbed比率(即阅读。,测量位置不受影响和位置漂移是null)。此外,它可以表示,良好的模拟和测量之间的协议(模拟值几乎总是在测量图的不确定性8)得到更好的在考虑只有消极的立场。事实上,该协议在这个领域是超过90%。对于积极的立场,即使模拟值仍在测量的不确定性,协议减少。换句话说,内在的对称位置漂移的模拟显示(图8虚线)不能完全反映在测量值(图8实线)。事实上,对于模拟和测量,漂移是积极的消极的立场,消极为积极的立场,和零0毫米,但在测量漂移从71微米(针对模拟值72微米)−44微米(72−模拟值)。这种差异是由于轻微(千分尺顺序)不对称线装配的原型。总之,整个协议关于有限元分析和实验测量的位置漂移是好的。
备注上测量的不确定性。在图8(实线),它可以注意到测量不确定性是卑贱地20微米左右。当然,这个值的不确定性决定位置测量的不确定性在无磁场和位置测量存在,如(3)。不过这些值高于相应的值在[11]。这是解释为考虑,此原型展品高电压摆幅(显示在图4并指出在表2),因此一个大斜坡的voltage-position特性(对传感器试验台的特点是(11]);因此,电压较高的不确定性(对发现的11]),因此,在测量位置。
4.4。供电
测量在供电由使用正弦馈电电流的峰值振幅为23.0 mA。这个值可以确保第一次谐波振幅的初级电压3.5 V时,核心是在零位置。当前值与一个来自模拟;因此,有一个很好的测量和模拟之间的比赛,关于主阻抗。
图6(实线)显示电源的测量特性曲线。测量转换比率从0.48(与模拟值为0.54),1.70(针对模拟值为1.66)。该协议对于振幅是不错的在这种情况下,由于特性曲线表现出86%以上的协议;这样的值增加到94%时减少(−10毫米,10毫米)的核心位置。
比率计值的行为对核心位置如图7(实线)。−0.57的比率范围(与模拟值为0.5),0.57(与模拟值为0.5)。在这种情况下,非线性(如计算(2)是1.12%(−20毫米,20毫米)。已经观察到的电压供应情况下,比率计读数不均匀影响模拟和测量之间的匹配,因为这里的协议是在最坏的情况下等于84%。
关于干扰情况下,结果对于位置漂移是描绘在图9(实线)。至于模拟,位置漂移是一个单调函数的核心地位和它的值为零的位置是空的。此外,与有限元法的结果是好的,尤其是负面的位置(如已经观察到的电压供应),因为仿真值几乎总是在测量的不确定性。
此外,评论本协议在当前供应。可以表示为线性的二次电压(12] 在哪里一次电流的振幅,是第i个二级之间的互感和主是一个adimensional因素考虑的依赖外部磁场互感。当外部磁场应用时,电压变化 因此,依赖的位置漂移的位置将与互感(是唯一的因素,是一个函数的位置(5))。因此,协议drift-position曲线的斜率(图9)已经可以预料到的类似协议voltage-position曲线的斜率已经观察到在图6,这是84%。实际上是这样(消极的立场,正如我们已经提到的)。根据提出的模型(12),这是当前有效供给。
关于位置漂移测量的不确定性,在这种情况下它是高于记者与电压供应。实际上,与当前供应初级电压更高的不确定性(初级电压发生器)是不固定的,报道在表2,导致更高的不确定性在二级电压和最后的位置漂移。
对于一个完整的概述与模拟结果在不同的供应情况和比较,见表2。在这个表中,有关测量的数值结果在不同的供应情况下进行了总结并与相应的值与有限元模拟获得,在括号和表达在同一计量单位。
5。结论和展望
这项工作中使用的有限元分析是怀孕的有限元模型,研究线性传感器磁干扰的影响。模型和仿真结果的线性特性曲线和1吨的影响外部通量密度的阅读位置。自定义线性原型已经生产为了验证该模型,通过一个自动测量试验台(18]。一个好的协议对模拟一直观察线性特性曲线和位置漂移由于外部磁场。
的科学目标提出有限元模型和仿真程序中描述的标准工作条件和与外部干扰是提供一个工具对物理现象的研究和对未来的设计线性外磁场的灵敏度可以正确地从一初步考虑阶段。
未来设计的线性减少敏感性外部磁场的确可能获利考虑基于有限元模型和结果提出:例如,仿真数据可以影响性能的改进给予快速设计线性反馈对某种材料的选择的核心或外部磁屏蔽,或者允许敏感性研究绕线规格,不同磁场强度和方向,等等。此外,该模型及其未来扩张可以极大地支持这项研究(分析或有限元辅助)更加复杂,一般情况下的磁干扰对线性可变差动变压器(例如,考虑非均匀和慢变干扰磁场)。
确认
作者要感谢工程师安东尼奥Pierno博士Daho Taghezout(应用磁学)支持分别测量和模拟。他们还要感谢教授维托里奥•乔治•瓦卡罗教授菲利斯Cennamo教授伊夫Perriard对他们有用的讨论和建议。