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漏磁法测量钢板厚度的有限元分析

发布于:2016-08-02 21:36
有限元分析

      近年来,特殊环境下钢板或钢管厚度、缺陷、腐蚀的检测与识别引起了科技工编辑的高度重视,如地下输油管道、天然气管道等管壁几何特征的检测就是一例。因此研究和开发适应于特殊环境下的测量传感器也逐渐提到了日程上来,而漏磁通测量法的原理较为简单、结构易于实现、传感器适应性强、可实现非接触式测量等特点而被关注,虽然这种方法有许多的优点,但由于实际磁路计算繁杂、影响磁路参数的非确定因素较多,设计时计算量大、准确度受限制,因此,漏磁传感器及其磁场的设计计算是确定传感器磁极间漏磁大小与被测钢板厚度间关系的关键。
      目前,磁路计算的方法可分为等效磁路法和有限元分析法。前者是将磁路等效为电路,利用磁路基本定律列方程求解;后者是基于磁场的概念建立有限元模型进行计算。由于电子计算机的发展使得磁路的有限元分析得到广泛应用,其中ANSYSApp的推广就是一例。本研究正是通过有限元法来模拟试验并进行理论分析,从而为漏磁通法测量钢板厚度的传感器设计提供理论依据和参考。
      漏磁法测量钢板厚度是基于永磁回路原理进行的。如图所示为漏磁法测量钢板厚度传感器的结构示意图,它由2个强磁性稀土永久磁铁、2个极靴、1个由软磁材料组成的衬铁、2个聚磁件及1个集成霍尔器件等组成,磁回路路径如图虚线所示。
      永久磁铁用以提供磁动势,2个极靴的作用是调整气隙内的磁通使其均匀分布,衬铁则是构成磁回路所必须的单元,本设计采用高磁导率,低矫顽力的工业纯铁加工而成,聚磁件的作用是将漏磁场中部分空间内的漏磁通聚合并均匀化,从而增加霍尔器件的灵敏度,集成霍尔器件用来完成穿过该器件表面磁通大小的测量、放大和电压输出等功能。
      被测钢板是导磁性能好的铁磁材料,当测量不同厚度的钢板时,首先保证极靴与钢板之间的气隙恒定,这样,由传感器和钢板的被测局部就可构成一个磁回路。当钢板的厚度发生变化时,整个磁回路的磁通也发生变化,从而导致磁极间漏磁通发生变化,因此通过测量整个磁回路的磁通变化或磁极间一点的漏磁大小都可以确定被测钢板的厚度。但由于霍尔器件的测量范围较小,如果直接测量穿过被测钢板的磁通量,霍尔器件的电压输出极易饱和,因此本方案采用测量磁极间的漏磁通法进行。
      ANSYS有限元分析App是集结构、热学、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析App,可广泛应用于一般工业及科学研究。本研究主要应用该App的三维静磁场分析,其分析过程分三个步骤:
      (1)模型的建立,包括:①创建或读入有限元模型;②定义材料属性;③划分网格;
      (2)定义边界条件、施加载荷及载荷选项、设定约束条件,然后求解;
      (3)结果后处理,查看和分析结果,然后检验结果是否正确。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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