高 超,靳 鴻*,楊冀豫

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

一種新型主動輪觸發(fā)方法的技術(shù)研究*

高 超1,2,靳 鴻1,2*,楊冀豫1,2

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

針對履帶式車輛主動輪測試工況復(fù)雜且測試電路灌封于密閉殼體內(nèi),常規(guī)的觸發(fā)方式無法實現(xiàn)有效觸發(fā)的問題,提出了一種電磁感應(yīng)的新型觸發(fā)方法。在測試儀殼體內(nèi)壁放置薄膜線圈,通過外部電磁鐵通斷電產(chǎn)生交變磁場,激勵殼體內(nèi)壁薄膜線圈產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號。利用Ansoft Maxwell軟件對交變磁信號在封閉殼體中傳遞的可行性進(jìn)行了仿真,并進(jìn)行了實驗驗證。仿真及實驗結(jié)果表明,交變磁信號能夠在封閉殼體中傳遞,實現(xiàn)主動輪內(nèi)測試電路的觸發(fā)。

儀器;觸發(fā);仿真;密閉殼體;交變磁場;電磁感應(yīng)

目前,履帶式車輛主動輪動態(tài)參數(shù)常采用將測試電路灌封于密閉的金屬殼體內(nèi)部的方式進(jìn)行測試。一般進(jìn)行狀態(tài)設(shè)計,將測試電路從低功耗模式喚醒,進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和存儲。觸發(fā)電路通常采用光信號[1]、電信號[2]等物理信號作為觸發(fā)信號。測試電路接收到這些外部信號,經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為階躍電信號,實現(xiàn)電路觸發(fā)。光信號觸發(fā)方式一般是通過在測試儀殼體端蓋處開光窗,將外部光信號傳遞到測試殼體內(nèi)部。主動輪工作環(huán)境惡劣,導(dǎo)致光窗很容易被遮擋,使得光信號無法傳遞,因此光信號作為主動輪的觸發(fā)方式并不合理。電信號一般可采用斷線的方式進(jìn)行觸發(fā),但由于主動輪測試儀為密閉殼體,無法將導(dǎo)線引出,所以電信號作為主動輪的觸發(fā)方式也不合理。為此,研究并設(shè)計了一種新型的電磁觸發(fā)方式用于主動輪測試儀的觸發(fā)。

1 工作原理

薄膜線圈式磁傳感器是特制的一種柔性的多層薄膜線圈,通過比較先進(jìn)的薄膜加工工藝設(shè)計制造而成的。將薄膜線圈式磁傳感器安裝在密閉金屬殼體內(nèi)部,附著在絕緣體上,纏繞成矩形或圓形,其法線與正對的交變電磁場產(chǎn)生裝置內(nèi)的鐵芯平行,也即多匝線圈平面與正對的交變電磁場產(chǎn)生裝置內(nèi)鐵芯的軸向垂直,可以提高傳感器的可靠性、靈活性和安裝適應(yīng)性等特性。

根據(jù)電磁感應(yīng)原理[3-4],一個具有n匝線圈的閉合電路,在變化的磁場中,產(chǎn)生的磁通量變化量為Δφ,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,在線圈內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E,如式(1)所示。

(1)

2 基于Ansoft Maxwell的觸發(fā)原理

2.1 建立模型

為了研究交變磁信號能通過封閉金屬殼體,將觸發(fā)信號傳遞到金屬密閉體中為觸發(fā)所用,基于Ansoft Maxwell軟件,在瞬態(tài)場中建立了封閉殼體模型,通過給定的交變方波脈沖激勵,來研究交變電磁信號的穿透性及其影響因素,并進(jìn)行可行性分析。

在瞬態(tài)場中,建立封閉金屬體模型[5],如圖1所示。模型尺寸為50 mm×70 mm×50 mm,內(nèi)部中空,壁厚為10 mm,材料為45#鋼,電磁鐵由鐵芯和銅質(zhì)線圈組成,線圈匝數(shù)為300,在線圈截面添加激勵為1 A的方波電流,電磁鐵與殼體距離為10 mm,仿真時間L=3 s,步長ΔL=0.5 s。

圖1 封閉金屬殼體模型

2.2 仿真結(jié)果及分析

利用Ansoft maxwell軟件進(jìn)行電磁仿真,得到了仿真云圖和相關(guān)數(shù)據(jù)[6]。求解殼體內(nèi)外壁磁場強度大小,得到的云圖如圖2所示。

圖2 殼體內(nèi)外磁場強度云圖

仿真云圖表明,在瞬態(tài)場中,部分交變磁信號可以透過封閉鋼制殼體,能夠引起閉合線圈的磁通量變化,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢經(jīng)過處理后可為觸發(fā)所用,說明利用多匝線圈感應(yīng)交變磁信號來實現(xiàn)封閉結(jié)構(gòu)觸發(fā)信號傳遞的這種觸發(fā)方案是可行的。由圖2可以看出,云圖大概成等勢分布,即在同心圓上的點的磁感應(yīng)強度大概相等。

3 觸發(fā)電路設(shè)計

3.1 觸發(fā)信號的確定

由電磁感應(yīng)定律可知,電磁鐵磁通量變化快慢與通電電流變化快慢成正比,由于電磁鐵通斷電均有電流變化,于是現(xiàn)對電磁鐵通斷電分別進(jìn)行理論研究討論,以確定合適的觸發(fā)信號。

(1)通電過程

通電時電磁鐵簡化模型如圖3所示。

圖3 通電電磁鐵模型

由基爾霍夫電壓定律[7]知

Ud=RId+eφ

(2)

(3)

求解此微分方程得

(4)

求導(dǎo)得

(5)

(6)

求導(dǎo)得

(7)

(2)斷電過程

斷電時電磁鐵簡化模型如圖4所示。

圖4 通電電磁鐵模型

設(shè)初始狀態(tài):

(8)

由基爾霍夫電壓定律[8-9]得:

-VR(t)+VL(t)=0

(9)

(10)

求解此微分方程得

(11)

(12)

錯因：對焰色反應(yīng)理解不夠。氯化鈉、硝酸鈉、碳酸鈉等鈉的化合物的焰色反應(yīng)均呈黃色,可知該物質(zhì)一定是鈉的化合物;由于鉀的化合物焰色反應(yīng)均呈紫色,而上述物質(zhì)焰色反應(yīng)呈黃色,故不含鉀元素。故選A、D。

3.2 觸發(fā)電路的設(shè)計

觸發(fā)裝置主要由觸發(fā)控制單元電路和觸發(fā)電路組成,其中觸發(fā)電路置于密閉的可測試部件內(nèi)部,觸發(fā)控制單元電路置于可測試部件外部,觸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

觸發(fā)控制單元電路通過單片機控制繼電器的開關(guān),從而控制電磁鐵通斷,產(chǎn)生交變磁信號,其功能原理框圖如圖6所示。

圖5 觸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖6 觸發(fā)控制單元功能原理框圖

內(nèi)部多匝線圈感應(yīng)外部交變磁信號的變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,線圈輸出的感應(yīng)電動勢E是差分信號,由于輸出電壓微弱,使用增益帶寬積寬的差動輸入儀表放大器進(jìn)行信號放大,至觸發(fā)要求的電平,通過脈寬整形,生成觸發(fā)信號,供存儲測試儀觸發(fā)使用,其原理框圖如圖7所示。

圖7 觸發(fā)單元功能原理框圖

圖8 觸發(fā)實驗

4 模擬試驗結(jié)果及分析

在實驗室環(huán)境下進(jìn)行觸發(fā)實驗,電磁鐵放在殼體外,將薄膜線圈附著在絕緣襯底上,一起放入殼體內(nèi),將電路連通,反復(fù)令電磁鐵通斷,在示波器上觀察薄膜線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢經(jīng)電路放大整形后的波形,如圖8和圖9所示。

實驗結(jié)果表明,每次通斷電磁鐵,均有上升脈寬信號出現(xiàn),說明這種觸發(fā)方法具有可靠性。經(jīng)多組數(shù)據(jù)測量,初始基線電壓為0.8 V,小于1.1 V,最大電平大于等于2.2 V,滿足555整形電路需求。

將示波器采集到的觸發(fā)信號放大,如圖10所示。

圖9 電路通斷

圖10 觸發(fā)信號

實驗表明,當(dāng)電磁鐵斷電瞬間,殼體內(nèi)部閉合的薄膜狀多匝線圈由于磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,經(jīng)電路處理后即可得到幅值約為2 V,脈寬約為10 ms的下降脈沖,屬于單片機的檢測范圍,可保證電路可靠觸發(fā)。

5 結(jié)論

本文對一種新型主動輪觸發(fā)方法進(jìn)行了研究。該觸發(fā)方法通過外部電磁鐵通斷電產(chǎn)生交變磁信號,傳遞到密閉殼體內(nèi)壁激勵薄膜線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,經(jīng)過后期調(diào)理電路的整形放大可以用于測試儀的觸發(fā)。Ansoft仿真及電路實驗表明,外部交變磁信號能夠傳遞到密閉殼體內(nèi)進(jìn)行測試電路的觸發(fā),驗證了電磁觸發(fā)的可行性及合理性,通過分析得出電磁鐵斷電過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢更適合用作觸發(fā)信號。

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Research on a New Type of Active Wheel Trigger Method*

GAOChao1,2,JINHong1,2*,YANGJiyu1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In view of the tracked vehicle driving wheel test under complex conditions,and test circuit encapsulated to a dense shell body,conventional trigger mode can not achieve effectively triggering. A kind of electromagnetic induction of the new triggering method is proposed. A thin film coil tester shell is placed on the inner wall. An alternating magnetic field is generated by an external electromagnet which is powered on or off. A pulse trigger signal is generated by the film coil on inner wall of excitation shell. The feasibility of alternating magnetic signal transmission in the closed shell was simulated by Ansoft Maxwell software,and verified by experiments. The simulation and experimental results show that alternating magnetic signal can be transferred in the closed shell,and can trigger the driving wheel in the test circuit.

instrument;trigger;simulation;closed shell;alternating magnetic field;electromagnetic induction

項目來源:山西省回國留學(xué)人員重點科研項目(2008003)

2016-05-15 修改日期:2016-06-24

TN06;TJ3

A

1005-9490(2017)03-0573-04

C:5130;1260

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.011