海廣田,劉德弟,許 洋,劉 悅,何洋洋
(大連民族大學(xué) 物理與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116600)
磁性是磁體的基本性質(zhì),其大小是工業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要參量[1]. 傳統(tǒng)的磁性測(cè)量主要以對(duì)鐵等物體吸引力大小的測(cè)量和利用高斯計(jì)對(duì)其表面磁感應(yīng)強(qiáng)度(表磁)測(cè)量. 利用磁力的大小來(lái)判定磁性的方法受限于磁體形狀等因素,而且難以準(zhǔn)確定量測(cè)量;而利用表磁對(duì)磁性進(jìn)行描述時(shí),由于不同廠家生產(chǎn)的特斯拉計(jì)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),受限于霍爾元件的類(lèi)型,測(cè)量所得表磁數(shù)值也不相同. 因此,設(shè)計(jì)能夠精確測(cè)量磁體表磁的裝置和方案顯得至關(guān)重要. 由電磁感應(yīng)定律得知,磁體產(chǎn)生的表磁如果發(fā)生周期性變化,其附近的感應(yīng)裝置就會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電學(xué)信號(hào),而對(duì)于電學(xué)信號(hào)的檢測(cè)是測(cè)量磁體表磁的有效途徑. 其中,測(cè)量旋轉(zhuǎn)磁體所產(chǎn)生的感應(yīng)電信號(hào)將是一種測(cè)量表磁的重要手段. 另一方面,轉(zhuǎn)速是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本參量[2],動(dòng)力機(jī)械中的許多特性參量都與轉(zhuǎn)速有關(guān),所以轉(zhuǎn)速測(cè)量是工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域的要點(diǎn). 反推之,在該體系下對(duì)感應(yīng)電信號(hào)的測(cè)量也是測(cè)算機(jī)械轉(zhuǎn)速的巧妙方法. 在工程實(shí)踐中,經(jīng)常需要測(cè)量轉(zhuǎn)速, 例如在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中,常需要分時(shí)或連續(xù)測(cè)量和顯示其平均轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速. 但是,傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x很難兼顧固定時(shí)間段內(nèi)平均轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量. 為了滿(mǎn)足實(shí)際需求,本文設(shè)計(jì)了能夠同時(shí)測(cè)量瞬時(shí)和平均轉(zhuǎn)速的儀器,適用工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域.
電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象. 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)(電壓)稱(chēng)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[3]. 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小由法拉第電磁感應(yīng)定律確定:
(1)
其中,n為感應(yīng)線圈的匝數(shù). 磁通量的變化可以由磁場(chǎng)環(huán)境的變化引起,也可以因感應(yīng)回路發(fā)生運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生.
當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí),載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn),垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生附加電場(chǎng),從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差,這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng). 后來(lái)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體也有這種效應(yīng),而且其霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多,利用這現(xiàn)象可以制成各種霍爾元件. 當(dāng)霍爾傳感器與磁鐵近距離接觸一次,磁感應(yīng)強(qiáng)度足夠輸出一次脈沖信號(hào),統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖信號(hào)數(shù)就可以計(jì)數(shù).
光電式傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器,它的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng),即光電元件受光照后,電特性發(fā)生變化. 紅外對(duì)管是紅外線發(fā)射管與光敏接收管,或紅外線接收管配合在一起使用時(shí)的總稱(chēng). 紅外線接收二極管在反向電壓作用下工作. 沒(méi)有光照時(shí),反向電流很小(一般小于0.1 μA),稱(chēng)為暗電流. 當(dāng)有紅外線光照時(shí),攜帶能量的紅外線光子進(jìn)入PN結(jié)后,把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子,使部分電子掙脫共價(jià)鍵,從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)(即光生載流子). 它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng),使反向電流明顯變大,從而產(chǎn)生光電流. 通過(guò)檢測(cè)光電流脈沖信號(hào)的頻率就可以起到脈沖計(jì)數(shù)的作用[4].
本論文設(shè)計(jì)的目的為:1)設(shè)計(jì)能夠定量測(cè)量磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度,從而判斷磁體磁性的有效方法;2)設(shè)計(jì)能夠兼顧準(zhǔn)確測(cè)量馬達(dá)瞬時(shí)和平均轉(zhuǎn)速的簡(jiǎn)易裝置. 鑒于上述2個(gè)目標(biāo),利用霍爾計(jì)數(shù)和光電計(jì)數(shù)相輔助,較為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了固定時(shí)間內(nèi)平均轉(zhuǎn)速的測(cè)量;通過(guò)轉(zhuǎn)速儀聯(lián)動(dòng),固定磁場(chǎng)在方向發(fā)生周期性變化時(shí),利用檢測(cè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和磁體表磁的同步測(cè)試.
圖1為多功能轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的立體剖面圖和重要部件的分解示意圖片.
圖1(a)為測(cè)量?jī)x的主體,是一套完整的馬達(dá)測(cè)速和表磁測(cè)量系統(tǒng). 其中,轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)選用41K25RGN-C型單相異步電機(jī),工作電壓為220 V,功率為25 W,在本實(shí)驗(yàn)中作為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速源;固定框架為方鋼管框架結(jié)構(gòu)下亞克力板封裝結(jié)構(gòu),在本裝置中起固定馬達(dá)與同軸器件作用,該框架分為2處隔離空間,左側(cè)空間為平均轉(zhuǎn)速測(cè)量室,右側(cè)空間為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量室和磁子磁性測(cè)量室,通過(guò)鋼制轉(zhuǎn)軸相連;平均轉(zhuǎn)速測(cè)量室中包括同軸測(cè)速轉(zhuǎn)盤(pán)、用來(lái)記錄脈沖信號(hào)的紅外對(duì)管和霍爾計(jì)數(shù)傳感器;其中轉(zhuǎn)盤(pán)與轉(zhuǎn)軸嚴(yán)格垂直,以保證旋轉(zhuǎn)過(guò)程穩(wěn)定;為保證轉(zhuǎn)速測(cè)試的準(zhǔn)確性,紅外對(duì)管傳感器與霍爾計(jì)數(shù)傳感器與測(cè)速轉(zhuǎn)盤(pán)之間的距離控制在5~10 mm之間.
圖1(b)為測(cè)速轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖,轉(zhuǎn)盤(pán)直徑約為130 mm,轉(zhuǎn)盤(pán)圓心與轉(zhuǎn)軸固定;測(cè)速轉(zhuǎn)盤(pán)同一直徑兩側(cè)分別有2處圓形凹槽,一側(cè)鏤空成一直徑約為5 mm的圓孔,該圓孔距圓心距離與紅外對(duì)管相同,每次圓孔經(jīng)過(guò)紅外對(duì)管中間時(shí),紅外接收管將不受阻擋而接收到紅外光,輸出一次脈沖計(jì)數(shù)信號(hào);直徑另一側(cè)鑲嵌直徑約為10 mm的小磁扣,該磁扣距圓心距離與霍爾傳感器相同,霍爾傳感器每與磁扣相對(duì)一次,即輸出一次脈沖信號(hào). 通過(guò)采集固定時(shí)間內(nèi)的紅外或霍爾傳感器輸出信號(hào)數(shù),便可計(jì)算出該時(shí)間段內(nèi)馬達(dá)的平均轉(zhuǎn)速.
(a) 綜合轉(zhuǎn)速儀的立體剖面圖 (b) 測(cè)速轉(zhuǎn)盤(pán)的結(jié)構(gòu)示意圖
(c) 電磁感應(yīng)瞬時(shí)測(cè)速和表磁測(cè)量系統(tǒng)主體刨面圖 (d) 轉(zhuǎn)動(dòng)磁子系統(tǒng)的立體剖面圖1.轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá) 2.固定框架 3.聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)軸 4.同軸測(cè)速轉(zhuǎn)盤(pán) 5.紅外對(duì)管計(jì)數(shù)傳感器 6.霍爾計(jì)數(shù)傳感器 7.螺線圈 8.磁體套組圖1 多功能轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x立體剖面圖和部分部件剖面圖
圖1(c)為利用電磁感應(yīng)進(jìn)行瞬時(shí)速度和表磁測(cè)量系統(tǒng)主體刨面圖,該系統(tǒng)外側(cè)腔體使用PVC管制成,腔體內(nèi)徑約70 mm. 在管外側(cè)中央位置纏繞一組漆包銅線圈,匝數(shù)為480匝,漆包銅線直徑為0.02 mm,為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性,線圈展開(kāi)寬度約10 mm. 銅線兩端與面板上的交流電壓表和示波器相連接. 腔體中央的轉(zhuǎn)動(dòng)磁子系統(tǒng)與馬達(dá)同速旋轉(zhuǎn).
如圖1(d)為轉(zhuǎn)動(dòng)磁子系統(tǒng)的立體剖面圖. 該系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)軸、磁子外夾和磁子組構(gòu)成. 該磁子外夾由尼龍材料利用3D打印技術(shù)制造,內(nèi)徑為18~20 mm,用于夾持待測(cè)磁體. 磁子組為待測(cè)磁體或者磁體組合,本實(shí)驗(yàn)中選用多塊直徑為20 mm、厚度4.5mm的圓形釹鐵硼(Nd2Fe14B)磁體組合以N-S極相對(duì)形式組合.
圖2~3為實(shí)驗(yàn)裝置的顯示面板和用于感應(yīng)信號(hào)檢測(cè)的外接示波器照片. 如圖2所示,單刀雙擲開(kāi)關(guān)控制的是紅外對(duì)管傳感器和霍爾計(jì)數(shù)傳感器輸出信號(hào)開(kāi)關(guān)和轉(zhuǎn)換,計(jì)數(shù)表每接收1次脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)器顯示數(shù)字累加1,代表馬達(dá)旋轉(zhuǎn)1圈. 交流電壓表量程為10 V,與螺線圈兩端相連,顯示的是線圈感應(yīng)交流電壓的有效值. 感應(yīng)信號(hào)外接輸出接頭也與螺線圈兩端相連,用于外接示波器等信號(hào)檢測(cè)裝置. 如圖3所示,為本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量羅線圈感應(yīng)信號(hào)的示波器,型號(hào)為T(mén)ektronix DPO5014型. 利用該示波器可以精確測(cè)量并導(dǎo)出電磁感應(yīng)信號(hào).
圖2 轉(zhuǎn)速儀顯示面板
圖3 示波器照片
為了測(cè)定指定時(shí)間內(nèi)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,本實(shí)驗(yàn)中利用紅外對(duì)管傳感器和霍爾傳感器分別對(duì)指定時(shí)間內(nèi)(60 s)采集到的脈沖信號(hào)的平均次數(shù),從而計(jì)算馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)周期和角速度. 表1為負(fù)載不同塊磁體時(shí),不同擋位下電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)據(jù). 其中,旋轉(zhuǎn)周期由公式
T=60/N
(2)
計(jì)算. 旋轉(zhuǎn)角速度由公式
ω=2π/T
(3)
計(jì)算. 為了測(cè)定串接磁鐵的表磁,實(shí)驗(yàn)中,將感應(yīng)螺線圈輸出信號(hào)接入交流電壓表,以讀取感應(yīng)線圈在磁體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出的感應(yīng)電壓有效值. 表2為負(fù)載不同塊磁體時(shí),各旋轉(zhuǎn)擋位下感應(yīng)線圈輸出電壓信號(hào)數(shù)據(jù).
表1 利用霍爾傳感器和紅外對(duì)管傳感器對(duì)馬達(dá)各擋位x轉(zhuǎn)動(dòng)周期和角速度的測(cè)量數(shù)據(jù)
表2 各旋轉(zhuǎn)擋位下負(fù)載不同塊磁體時(shí)感應(yīng)線圈輸出電壓信號(hào)數(shù)據(jù)
由式(1)可知:
其中線圈匝數(shù)n=480. 對(duì)于表磁為B磁體, 表面積為S的磁體在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生磁通量:
Φ=BSsinθ,
(4)
其中θ為磁感應(yīng)強(qiáng)度B與線圈法向的夾角. 線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可表示為:
ε=-nBSωsinθ,
(5)
當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與線圈法向垂直時(shí),即θ=π/2, 此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)峰值:
εm=-nBSω,
(6)
由于感應(yīng)線圈產(chǎn)生的信號(hào)為正弦信號(hào),電壓輸出的最大電動(dòng)勢(shì)
(7)
由此可知磁感應(yīng)強(qiáng)度大?。?/p>
(8)
為了分析串接磁體的總表磁與單位磁體表磁之間的關(guān)系,如圖4所示,擬合了不同電機(jī)擋位下線圈輸出感應(yīng)電壓峰值隨負(fù)載隨磁體塊數(shù)變化的規(guī)律. 從圖4中可以發(fā)現(xiàn),輸出感應(yīng)電壓峰值與磁體塊數(shù)呈線性變化規(guī)律. 這一現(xiàn)象說(shuō)明多塊磁體串接之后的磁體的表磁隨磁鐵塊數(shù)呈線性疊加規(guī)律. 由式(8)可知,圖4中擬合出的曲線斜率Kx對(duì)應(yīng)為x擋位轉(zhuǎn)速下每個(gè)負(fù)載磁體輸出電壓峰值的平均值. 因此,可知單個(gè)磁體的表磁為
(9)
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示.
圖4 各擋位下線圈輸出感應(yīng)電壓峰值隨負(fù)載隨磁體塊數(shù)變化的規(guī)律
xKxB/(10-2 T)10.465.0520.855.0231.104.9941.255.27
由表3可知,每塊銣鐵硼磁體的表磁大小約為5.0×10-2T. 由本方法可以較近似測(cè)量不同類(lèi)型磁體的表磁.
為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速,并更精確地測(cè)量磁體的表磁,利用示波器對(duì)感應(yīng)線圈輸出信號(hào)進(jìn)行分析. 如圖5所示,為各擋位下負(fù)載不同磁體時(shí)線圈輸出的感應(yīng)信號(hào)圖. 從圖5可以發(fā)現(xiàn),在電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,感應(yīng)線圈輸出具有固定周期的正弦交流信號(hào). 而且,在相同擋位下,負(fù)載不同磁體數(shù)時(shí)感應(yīng)信號(hào)周期基本相同,說(shuō)明輸出的正弦信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)一致. 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速越大時(shí),輸出信號(hào)的周期越小,頻率越大. 通過(guò)讀取指定完整周期內(nèi)的波峰或波谷間距,就可以直接計(jì)算獲得每個(gè)擋位下旋轉(zhuǎn)的周期T. 利用式(3)就可以算得電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度.
另一方面,在輸出信號(hào)曲線中可以直接讀取到輸出電壓的峰值,此峰值即為最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)εm. 利用式(8)就可以算出串接磁體的總表磁,從而獲得每塊磁體的平均表磁,具體數(shù)據(jù)如表4所示. 由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,單塊磁體的平均表磁平均值0.573T,該結(jié)果與交流電壓表測(cè)試結(jié)果基本一致,但更加精確,這是由于示波器精確的靈敏度所導(dǎo)致.
(a)1擋
(b)2擋
(c)3擋
(d)4擋圖5 各擋位下負(fù)載不同磁體時(shí)線圈輸出的感應(yīng)信號(hào)圖
本文設(shè)計(jì)一種能夠準(zhǔn)確定量測(cè)量磁體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的裝置和測(cè)量方法,是描述磁體磁性的有效手段. 利用電磁感應(yīng)原理,通過(guò)周期性變化磁場(chǎng)方向的形式,使感應(yīng)線圈被動(dòng)切割磁力線,從而輸出感應(yīng)信號(hào). 通過(guò)對(duì)感應(yīng)信號(hào)的檢測(cè),逆向算出磁體的表磁. 充分運(yùn)用光、電、磁等基本原理,本實(shí)驗(yàn)裝置綜合使用光電傳感器、霍爾計(jì)數(shù)傳感器和電磁感應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng),還可以實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)械轉(zhuǎn)速. 利用簡(jiǎn)單的物理原理設(shè)計(jì)的多功能裝置,不但能夠準(zhǔn)確測(cè)量磁體表磁,還可以兼顧到平均轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量.