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電磁感應(yīng)位移傳感器耦合天線的設(shè)計(jì)研究

0引言

通過(guò)LC諧振器與收發(fā)天線電磁耦合實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的傳感技術(shù)，是基于電感式位移傳感器原理的革新技術(shù)[1]。這種類(lèi)型的傳感器能通過(guò)控制激勵(lì)信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)物的高速測(cè)量，并激勵(lì)信號(hào)在兆赫數(shù)量級(jí)，通過(guò)低通濾波器的截止頻率值高于線性可變差動(dòng)變壓器(linear variable differential transformer,LVDT)傳感器，以此來(lái)提高系統(tǒng)響應(yīng)[2]。它的測(cè)量盲區(qū)短，在低成本、小型化的傳感器中能很好地替代LVDT和磁致伸縮式位移傳感器。由于通過(guò)檢測(cè)LC電路來(lái)工作，因此該傳感器不受磁場(chǎng)干擾影響，具有極好的EMC特性，使變頻器、大電機(jī)、鐵磁性金屬或永磁體的干擾都不再是問(wèn)題。這種特性?xún)?yōu)于LVDT、感應(yīng)同步器、電容傳感器、基于霍爾效應(yīng)的直線位移傳感器。此外，這種傳感技術(shù)不同于電容式和光學(xué)技術(shù)，它具有很強(qiáng)的魯棒性，通常對(duì)極端溫度、濕度、機(jī)械錯(cuò)位、直流、交流場(chǎng)下的適應(yīng)性強(qiáng)；具有對(duì)高精度的機(jī)械裝配要求不高、不易受水凝物與灰塵影響等優(yōu)勢(shì)。這個(gè)特點(diǎn)使得這種新型電磁感應(yīng)式位移傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)床、計(jì)量系統(tǒng)、包裝機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)或行程與定位控制系統(tǒng)等[3]。

本文主要介紹了電磁感應(yīng)式位移線性傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)電磁理論推導(dǎo)天線耦合系統(tǒng)電磁分布數(shù)值表達(dá)式，并利用Matlab繪制模型系統(tǒng)空間點(diǎn)的電磁場(chǎng)分布，驗(yàn)證天線電磁耦合系統(tǒng)工作原理的正確性與可行性。對(duì)天線模型電磁場(chǎng)，運(yùn)用Ansoft Maxwell三維電磁仿真軟件分析系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)輸出的感應(yīng)信號(hào)的影響，并給出合理優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為這種高頻非接觸電磁式位移傳感器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供有益的參考。

1傳感器的原理及結(jié)構(gòu)

傳感天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括固定部件與移動(dòng)部件。固定部件為印刷電路板，上面分布著分別成正、余弦變化的激勵(lì)天線和接收長(zhǎng)直天線[4]。移動(dòng)部件為一個(gè)無(wú)源的LC諧振器。由交變的電磁場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生振蕩電路。沿著X軸向移動(dòng)，由于振蕩交變電路產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)削弱原磁場(chǎng)的作用，在感應(yīng)線圈能感應(yīng)出場(chǎng)強(qiáng)變化位置的電信號(hào)，由此來(lái)指示位移的變化[5]。

圖1　傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

由于激勵(lì)線圈電流成正反依次分布。當(dāng)激勵(lì)線圈通入高頻交流電時(shí)，在激勵(lì)線圈附近產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)是均勻分布的，未采用移動(dòng)諧振器時(shí)，在接收線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是正負(fù)相互抵消。此時(shí)感應(yīng)線圈輸出的電壓為零。只有當(dāng)諧振器位于天線板上方移動(dòng)時(shí)，高頻激勵(lì)信號(hào)對(duì)LC諧振線圈的渦流效應(yīng)使得諧振器線圈中產(chǎn)生了同頻的交流電；同時(shí)，諧振器反過(guò)來(lái)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，同樣作用于感應(yīng)接收線圈產(chǎn)生了只隨諧振器位置變化的感應(yīng)交流電。

1.1激勵(lì)線圈空間電磁分布

上下兩個(gè)正弦天線線圈形成閉環(huán)回路。當(dāng)正弦激勵(lì)天線通以交流電時(shí)，在其周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)。根據(jù)線圈畢奧-薩伐爾定律：

(1)

式中:I為通電電流;Idl為電流元;R為電流源到場(chǎng)點(diǎn)的距離。

周期性變化的線圈是由y=sinx和y=-sinx構(gòu)成的極性相反的閉合天線，對(duì)于y=sinx變化的線圈R[(X1-t,Y1-sin(t)，Z1],dl=[ex,cos(t)ex,cos(t)ey,0]dt。

(2)

而對(duì)于y=sinx變化的線天線圈，有R=[X1-t,Y1+sin(t)，Z1],dl={[ex,cos(t)ey,0]}dt,dl=[ex,cos(t)ex,cos(t)ey,0]dt。

(3)

所以，一組正反正弦變化的天線線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式為：

Bsin=B1+B2

(4)

同理可得，余弦天線線圈在空間點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(5)

(6)

因此，正反余弦變化的天線線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為幾組線圈磁場(chǎng)的疊加：

(7)

當(dāng)y=0時(shí)，中心軸線上方x和y方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度與z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度相比只有較小的分量，所以線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度近似于只有z方向的磁場(chǎng)，即垂直于天線平面的磁場(chǎng)。

利用Matlab仿真，在中心軸線上方Z=1平面的3個(gè)方向分量磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖2所示。

仿真Z=1平面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，B在x、y方向上的分量都很小，在0.1 t左右，相對(duì)于z方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以忽略。且正弦線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在平面上成正弦變化，余弦線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在平面上成余弦函數(shù)變化。因此，正弦線圈與余弦線圈通電流時(shí)，在離天線板一定距離的中心軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

圖2　3個(gè)方向磁感應(yīng)強(qiáng)度示意圖

(8)

式中：L為正弦線圈一周期的直線長(zhǎng)度。

當(dāng)激勵(lì)天線線圈中通以交變電流，線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)隨時(shí)間變化將會(huì)有感生電場(chǎng)產(chǎn)生。由于感生電場(chǎng)也是隨時(shí)間而發(fā)生變化的，因此將有附加磁場(chǎng)產(chǎn)生，感生電場(chǎng)和附加磁場(chǎng)依次交替產(chǎn)生。激勵(lì)線圈內(nèi)部的總磁場(chǎng)可以看作是勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和一系列附加磁場(chǎng)的疊加。

假設(shè)激勵(lì)線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)是分布均勻的，激勵(lì)線圈內(nèi)部的總磁場(chǎng)可表示為：

B(r,t)=B(r)ejωt=Bejωt

(9)

代入麥克斯韋方程組，可得到關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度的亥姆霍茲方程：

(10)

(11)

式中:r為z軸與激勵(lì)線圈的軸線重合的圓柱坐標(biāo)系的徑向軸變量;A為積分常數(shù);c為真空中電磁波的傳播速度;ω為交變電流的角頻率。當(dāng)正弦激勵(lì)線圈中通以穩(wěn)恒直流電I時(shí)，有：

(12)

當(dāng)正弦激勵(lì)線圈通以交變電流ωr<

(13)

因此，當(dāng)正弦和余弦線圈分別通以同頻的正弦和余弦交流電時(shí)，在天線板上方中心軸線上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度瞬時(shí)表達(dá)式為：

cos(2πx/L)cos(2πf0t)]=

(14)

1.2接收線圈感應(yīng)電流的產(chǎn)生

正弦激勵(lì)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)交流磁場(chǎng)為：

(15)

由其在LC諧振器線圈激發(fā)的感應(yīng)交流電為：

(16)

式中：S1(x)=sin(2πx/L)。因此，穩(wěn)恒LC諧振電路在其周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)為：

(17)

K1與線圈的數(shù)量、半徑等因素有關(guān)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律[7]，LC諧振器交變磁場(chǎng)在接收線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

(18)

式中:φ為通過(guò)單個(gè)回路中的磁通量;B為回路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度;ds為回路的回路元矢量。由接收諧振器在長(zhǎng)直矩形線圈中沿中心軸線移動(dòng)，ds為回路的回路元矢量且為一常數(shù)，感應(yīng)電磁場(chǎng)在感應(yīng)接收線圈只產(chǎn)生磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的感生電動(dòng)勢(shì)。因此，得到正弦線圈激勵(lì)磁場(chǎng)通過(guò)LC振蕩電路感應(yīng)磁場(chǎng)Br在接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為：

EMF1=2πf0K2I1S1(x)sin(2πf0t)

(19)

同理，余弦線圈激勵(lì)磁場(chǎng)通過(guò)LC振蕩電路感應(yīng)磁場(chǎng)Br在接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為：

EMF2=2πf0K2I1S2(x)cos(2πf0t)

(20)

式中:S2(x)=cos(2πX1/L)。兩組激勵(lì)線圈激發(fā)隨LC振蕩電路，對(duì)接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為兩者感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的疊加值為：

EMF=2πf0K3cos(2πf0t-2πX1/L)

(21)

通過(guò)測(cè)量余弦激勵(lì)信號(hào)與感應(yīng)信號(hào)的相位差，即可得到LC諧振器在天線板軸線上的移動(dòng)位置。

2Ansoft模型的建立及仿真

由于天線材質(zhì)、諧振器在空間位置產(chǎn)生的渦流效應(yīng)[6]，對(duì)諧振器平面磁場(chǎng)的分布以及諧振器和接收線圈感應(yīng)電流很難做到精準(zhǔn)求解。因此，借助有限元的方法，可以求得磁場(chǎng)在天線耦合系統(tǒng)中的分布情況，探究天線材質(zhì)、諧振器與位移板相對(duì)高度以及諧振器移動(dòng)時(shí)對(duì)輸出感應(yīng)信號(hào)的影響，從而確定合理、可行的傳感元件結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]。

2.1系統(tǒng)模型的建立

天線電磁耦合系統(tǒng)是一個(gè)三維場(chǎng)，激勵(lì)線圈信號(hào)為高頻正弦交流電，利用Ansoft Maxwell 3D的瞬態(tài)電磁場(chǎng)，對(duì)天線板和諧振器進(jìn)行三維建模。

(1)激勵(lì)天線。

正余弦激勵(lì)線圈為正余弦走向的單導(dǎo)體，導(dǎo)體半徑為0.2 mm。激勵(lì)線圈中間過(guò)孔連接，在PCB上下板分別形成正負(fù)單圈的閉合回路。板間距設(shè)為0.8mm。線圈類(lèi)型設(shè)置為strands。

(2)感應(yīng)天線。

感應(yīng)線圈分布在距激勵(lì)線圈輪廓2 mm外的矩形寬截面單導(dǎo)體，位于激勵(lì)線圈同一塊PCB板上。考慮到激勵(lì)線圈的正負(fù)回路對(duì)接收線圈的具有相同的磁效應(yīng)，因此接收線圈應(yīng)位于正負(fù)板上的中間平面處，線圈寬度為0.2 mm。

(3)LC無(wú)源諧振器。

將LC無(wú)源諧振器簡(jiǎn)化為多匝矩形線圈。由于當(dāng)激勵(lì)線圈中通以高頻交流電時(shí)，在LC振蕩電路中能產(chǎn)生感應(yīng)電流。這里的感應(yīng)電路以渦流的形式出現(xiàn)，當(dāng)設(shè)計(jì)LC諧振器的線圈時(shí)，應(yīng)考慮導(dǎo)體能產(chǎn)生渦流效應(yīng)的趨膚深度[8]，趨膚深度計(jì)算公式為：

(22)

根據(jù)式(22),可以看出在導(dǎo)體材料確定的情況下，正弦交流電頻率值越大，趨膚深度越小，當(dāng)激勵(lì)交流電頻率為0.1 MHz時(shí)，趨膚深度為0.21 mm，因此要保證接受線圈中信號(hào)的質(zhì)量，LC諧振器線圈導(dǎo)體的厚度在趨膚深度附近有顯著的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

2.2仿真結(jié)果分析

2.2.1接收線圈中的感應(yīng)電流

由于正、余弦激勵(lì)天線具有相同且相互獨(dú)立的電磁特性，因此簡(jiǎn)化模型，只仿真一組正弦天線激勵(lì)線圈，相應(yīng)的余弦線圈具有相同電磁場(chǎng)分布。考察沒(méi)有諧振器移動(dòng)物時(shí)，掃描求解的所有時(shí)間點(diǎn)解得的激勵(lì)線圈在天線板附近-10～10 mm軸線范圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度，電磁特性曲線如圖3所示。

圖3　電磁特性示意圖

從圖3(a)可知，在天線板平面附近激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在中心點(diǎn)附近呈對(duì)稱(chēng)分布，在8～12 mm有明顯的磁場(chǎng)變化。磁感應(yīng)強(qiáng)度能達(dá)到9 mT，這是由于正弦線圈布線在中心點(diǎn)通孔使線圈部分下移導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度在中心點(diǎn)附近下移。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)給電流峰值為8 A時(shí)，利用場(chǎng)計(jì)算器計(jì)算出在兩個(gè)電周期內(nèi)接受線圈中的感應(yīng)電流，如圖3(b)所示，電流最大幅值為0.4 mA，符合正弦變化形式。在沒(méi)有諧振器作用時(shí)，在接收線圈中感應(yīng)電流非常小，因此可以忽略激勵(lì)線圈對(duì)感應(yīng)線圈的直接影響。

2.2.2系統(tǒng)瞬時(shí)電磁場(chǎng)分布

天線板平面上瞬時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布,在一個(gè)電周期10 μs內(nèi)，PCB平面激勵(lì)線圈感應(yīng)強(qiáng)度也隨激勵(lì)交流電有相同的變化趨勢(shì)(成正弦變化)；在t=5 μs時(shí)，激勵(lì)線圈中的電流為0，諧振器中的感應(yīng)電流對(duì)激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大。諧振器覆蓋區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度為2×10-4T，感應(yīng)線圈上的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約為4×10-4T。觀察諧振器平面上的電流密度在仿真周期內(nèi)的變化，諧振器由于受到激勵(lì)線圈的激勵(lì)產(chǎn)生了感應(yīng)電流，與激勵(lì)線圈信號(hào)頻率相同但有一定的相位差。在2 μs和 7 μs時(shí)，諧振器中的感應(yīng)電流密度最大為1×107A/m2；在4.5 μs和9 μs時(shí)，諧振器中感應(yīng)電流密度最小，在1.25×106A/m2左右。

應(yīng)用場(chǎng)計(jì)算器計(jì)算接收線圈中隨時(shí)間變化的如圖4所示。得到感應(yīng)電流在接收線圈中符合正弦變化，峰值電流為60 mA左右，頻率與激勵(lì)信號(hào)頻率相同，但相對(duì)激勵(lì)線圈有一定的相位延時(shí)，這與接收線圈材料線圈電感和結(jié)構(gòu)相關(guān)。

圖4　接收線圈中感應(yīng)電流隨時(shí)間的變化曲線圖

2.2.3諧振器材料的影響

諧振器為導(dǎo)電材料，在激勵(lì)高頻信號(hào)的作用下產(chǎn)生渦流效應(yīng)，而導(dǎo)磁材料在產(chǎn)生渦流效應(yīng)的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致傳感器部分磁感應(yīng)強(qiáng)度不均勻[9]。因此，表1對(duì)常見(jiàn)的幾種金屬材料，如鐵、鋼、銅、鋁、坡莫合金進(jìn)行了分析，比較不同材料對(duì)電磁耦合系統(tǒng)電磁場(chǎng)變化以及接收線圈中感應(yīng)電流的影響。

表1　不同材料的電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率

由表1看出：由于金屬鋁、銅電導(dǎo)率相對(duì)較大，作為諧振器的線圈在激勵(lì)磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的渦流效應(yīng)很明顯，線圈中的電流密度相對(duì)較大，能達(dá)到1×107A/m2；但其相對(duì)磁導(dǎo)率較低，所以由諧振器交變磁場(chǎng)激發(fā)接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流相對(duì)較小，幅值在60 mA左右。金屬鐵、坡莫合金作為導(dǎo)磁材所產(chǎn)生的磁效應(yīng)強(qiáng)于自身的渦流效應(yīng)，不利于諧振器線圈信號(hào)的輸出；但由于遮擋激勵(lì)線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，故在接收線圈中的感應(yīng)電流也會(huì)相應(yīng)增大。鋼材料的電導(dǎo)率和相對(duì)磁場(chǎng)率都很小，所以產(chǎn)生感應(yīng)電磁變化不明顯。

2.2.4諧振器相對(duì)高度影響

考察諧振器距天線板平面相對(duì)高度變化對(duì)感應(yīng)線圈電流的影響，仿真諧振器距天線板的高度以0.5 mm等間距增加時(shí)，諧振器平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及感應(yīng)線圈中感應(yīng)電流大小，仿真結(jié)果如表2所示。

表2　諧振器不同高度對(duì)電磁耦合系統(tǒng)的影響

由表2看出，隨著諧振器與天線板相對(duì)高度的增加，諧振器磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)減小。這主要是由于隨著諧振器隨著天線板高度的增加，鋁環(huán)和勵(lì)磁線圈之間的磁鏈耦合將會(huì)減小，因此通過(guò)鋁環(huán)的磁通量也會(huì)相應(yīng)地減小。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)天線電磁耦合系統(tǒng)中，感應(yīng)線圈中的電流也會(huì)相應(yīng)地減小?？紤]到結(jié)構(gòu)裝配和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)定諧振器與天線板的高度為2～3 mm。接收線圈中的電流為30 mA左右。

2.2.5系統(tǒng)工作時(shí)感應(yīng)電流

分析諧振器運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)于天線板的位置與接收線圈中電流幅值變化的關(guān)系，從而在對(duì)感應(yīng)線圈中的電信號(hào)進(jìn)行分析與處理提取位移相關(guān)的信號(hào)值。對(duì)系統(tǒng)模型，在-35～35 mm軸線上采樣15個(gè)點(diǎn)，模擬諧振器在天線板平面上的橫向移動(dòng)。

利用場(chǎng)計(jì)算器計(jì)算當(dāng)諧振器在等距移動(dòng)的位置時(shí)，激勵(lì)電信號(hào)在周期內(nèi)的接收線圈中的感應(yīng)電流變化。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)描點(diǎn)繪制，在電信號(hào)周期內(nèi)諧振器移動(dòng)位置與接收線圈感應(yīng)電流的變化曲線如圖5所示。

圖5　諧振器不同位置接收線圈中的感應(yīng)電流變化示意圖

分析結(jié)果表明，接收天線線圈中的感應(yīng)電流為激勵(lì)信號(hào)同頻的高頻交流電，當(dāng)采用鋁金屬作為諧振器線圈材料時(shí)，感應(yīng)交流電峰值在60 mA左右。同時(shí)，電周期在同一時(shí)刻，接收天線中的感應(yīng)電流幅值大小隨移動(dòng)諧振器的位置近似呈正弦變化的趨勢(shì)。通過(guò)處理電路對(duì)接收線圈中感應(yīng)交流電的幅值大小，就可以得到諧振器在天線板上方移動(dòng)的相對(duì)位置，仿真結(jié)果與理論分析保持一致。

3結(jié)束語(yǔ)

本文分析研究了一種新型的高頻、非接觸式電磁感應(yīng)式位移傳感器，對(duì)傳感器電磁耦合系統(tǒng)建模后，利用畢奧-薩伐爾定律推導(dǎo)激勵(lì)天線在空間點(diǎn)電磁場(chǎng)分布表達(dá)式。利用Matlab仿真繪制系統(tǒng)空間區(qū)域電磁場(chǎng)分布情況，再?gòu)姆ɡ陔姶鸥袘?yīng)定律出發(fā)，推導(dǎo)出感應(yīng)天線中電流理論表達(dá)式。從理論計(jì)算上驗(yàn)證系統(tǒng)傳感器工作原理的正確可靠性，再運(yùn)用Ansoft Maxwell三維電磁仿真軟件對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。研究結(jié)果表明：

①當(dāng)沒(méi)有無(wú)源諧振器時(shí)，只考慮激勵(lì)線圈對(duì)感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電流的影響。由于感應(yīng)電流只有0.4 mA，因此可以忽略激勵(lì)線圈對(duì)感應(yīng)線圈的直接影響。

②當(dāng)諧振器位于天線板上方，由于激勵(lì)交流電渦流效應(yīng)，在諧振器和感應(yīng)線圈中同時(shí)產(chǎn)生與激勵(lì)交流電同頻的感應(yīng)電流。當(dāng)諧振器線圈橫向移動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流呈正弦變化趨勢(shì)。

③諧振器距離天線板高度與感應(yīng)線圈中產(chǎn)生的感

應(yīng)電流大小成反比，考慮到裝配尺寸可靠性以及感應(yīng)電流易于檢測(cè)，可以定諧振器距天線板2～3 mm。

④綜合材料磁效應(yīng)以及渦流效應(yīng)，采用銅或鋁作為天線材料比較合適，感應(yīng)電流也易于檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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Research on the Design of Coupling Antenna for Electromagnetic Induction Displacement Sensor

丁瑩1,2董全林1,2劉會(huì)森1,2張玉蓮3張春熹1,2

(微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1,北京100191；

北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院2,北京100191；河南教育學(xué)院3，河南 信陽(yáng)450046)

摘要：新型電磁感應(yīng)位移傳感器具有非接觸、無(wú)磨損、魯棒性好等優(yōu)勢(shì)，廣泛適用于各種行程與定位系統(tǒng)。收發(fā)天線與無(wú)源諧振器的電磁耦合特性直接影響著傳感器位置測(cè)量精度。對(duì)天線電磁耦合系統(tǒng)工作原理和基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，根據(jù)電磁場(chǎng)理論推導(dǎo)天線耦合系統(tǒng)電磁場(chǎng)分布表達(dá)式，用Matlab仿真驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)的合理性與正確性。應(yīng)用Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行電磁性能仿真以及關(guān)鍵參數(shù)分析，給出合理的傳感元件結(jié)構(gòu)參數(shù)，為傳感器的天線設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)電磁耦合電磁場(chǎng)天線傳感器LC諧振器行程與定位系統(tǒng)

Abstract：New type of electromagnetic induction displacement sensors are widely used in stroke and positioning system because of their advantages of contactless, no wear and good robustness. The electromagnetic coupling characteristics of transmitting and receiving antennas and passive resonator directly affect the measurement accuracy of sensor. The operation principle and basic structure of antenna electromagnetic coupling system are studied, according to the theory of electromagnetic field, electromagnetic field distribution expression of antenna coupling system is derived, and the rationality and correctness of model design is verified through Matlab simulation. Meanwhile, Ansoft Maxwell software is applied to simulate the electromagnetic performance and analyze the crucial parameters, then the reasonable structure parameters of sensing element are given, which provides a theoretical basis for designing aerial system of the sensor.

Keywords:Electromagnetic inductionElectromagnetic couplingElectromagnetic fieldAntennaSensorLC resonatorStroke and positioning system

中圖分類(lèi)號(hào)：TH711;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604005

國(guó)家科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2006BAK03A24)。

修改稿收到日期：2015-08-16。

第一作者丁瑩(1991-)，女，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)光電工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生；主要從事電磁感應(yīng)式位移傳感器、超顯微儀器技術(shù)、慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)方向的研究。