基于磁悬浮效应的振动传感器设计

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振动测量是工程技术 中广泛涉及 的-个研究课题 ，可应用于能源、化工 、医学 、汽车、冶金、机器制造 、军工、科研教学等诸多领域。传统的测量方式有机械式、电学法、光学法等方式 ，这些传统传感器件的局限在于灵敏度低 ，抗电磁干扰能力较差 ，测量频带较窄 ，对环境要求苛刻等 。而在 目前的许多领域中，例如：石油 、地震勘探方面，需要有高灵敏度和宽频带的振动传感器，因此，新型振动传感器的研制成为许多工程领域需要解决的技术问题。目前 ，石油物探行业广泛使用的是传统的动圈式检波器 ，这种传感器灵敏度低，抗电磁干扰能力差，接收信号的畸变大，响应频带窄，需要几只或几十只传感器组合降低噪声干扰，这样加大了油气勘探的成本。随着勘探 目的层深度加大，深部石收稿 日期：2013-03-26油地震反射信号中高频信号衰减快，主要表现为低频特征，传统的动圈式检波器对低频信号接收能力差，同时其高频响应能力也差，不利于高分辨率勘探。由于在工作状态线圈持续运动，接头处的线圈非常容易损坏，影响了动圈式检波器的可靠性和使用寿命 ，因此，检波器技术成为高精度和深部石油勘探技术的-项瓶颈环节。本研究主要探讨了基于磁悬浮效应振动传感器设计，此传感器克服上述灵敏度低、抗电磁干扰能力差、工作寿命短等缺点。

1 磁悬浮振动传感器1.1 传感器模型的应用原理磁悬浮振动传感器由永磁体、线圈和磁路骨架构成。

当发生振动时，悬浮磁铁产生-个相反于振动方向的位移，此时通过线圈的磁通量发生变化，线圈的输出电压尧生62 传 感 器 与 微 系 统 第32卷变化。当悬浮磁铁产生-个微小位移 6时，悬镐距的磁感应强度为B- - - . (1)旦2(L 6)d其中，L 为永磁体厚度，m；d为半径，m； 为矫顽力，A/m；L 为悬镐距，m；t 为永磁体相对磁导率； 。为真空磁导率，H/m。由电磁感应定律得2NS oH L( 2( )d ) (2)式中 S为永磁体截面积，m ；Ⅳ为线圈匝数。当传感器的物理参数确定之后 ，由于微小位移 6对分母 的影响很猩忽略不计 ，得出输出电压和悬浮磁铁的运动速度呈线性关系。

1.2 悬浮磁力影响因素ANSYS以麦克斯韦方程组作为电磁场分析的出发点 ，以有限元的方法计算未知量 ，磁场分析中，未知量主要是矢量位或标量位 ，并由这些未知量导 出其他关心的物理量。

二维静态分析可以分析永磁体产生的磁常ANSYS有前处理、求解、后处理3个拈。如图1所示为 ANSYS有限元分析的流程图。

创建空 t，永磁体、 -. 悬浮磁铁单元生成无限远 单元 组 件 t定义 气丰j肘磁导翠 、。 加城无限远标志、永磁体相对磁导率 磁力线平行标志、和矫顽 标 识处理器 求解器 t建立永磁体、空t、 静态分析、 求解 无限远模型 j ：处那骤 T分配单J 属性，划分 查看磁力线、 磁感应 空气、 警 、无限m 强度、磁 等图1 ANSYS流程图Fig 1 ANSYSflow chart永磁体的厚度Lm、永磁体直径D、悬镐距L 都是永磁体排斥力的影响因素 ，通过 ANSYS数值分析，可以得出以上3种因素的影响结果，如图2～图4所示。

檀灶哟图2 悬浮磁力随悬镐距变化曲线Fig 2 Curve of suspended magneticforce change with spacing由上图可以看出：悬浮磁力随悬镐距的增大而非线性减少，随永磁体厚度增加而非线性增大，随永磁体直径增籀灶图3 悬浮磁力随永磁体厚度变化曲线Fig 3 Curve of suspe nded magnetic force changewiⅡl permanent magnet thickness挺髓图4 悬浮磁力随永磁体直径变化曲线Fig 4 Curve of suspended magn etic force change withpermanent magnet diameter加而非线性增大。通过正交试验方案的极差分析法得出影响因素的主次顺序：悬镐距对排斥力影响最大，其次是永磁体高度，最后是永磁体半径。这对传感器的选型和制作提供了理论依据。

1.3 磁悬浮效应测振 系统受力分析图5为传感器结构原理图和受力分析。

图5 磁悬浮振动传感器原理图和受力分析图Fig 5 Magnetic levitation vibration sensor principleIchart and analysis of force chart由公式(1)求出的磁感应强度和实际的磁感应强度的偏差较大 ，所以，采用另-种磁路模型，计算悬镐距的磁感应强度 。永磁体工作点的磁感应强度为 Br Hctan c其中tan：-Lm Ag，01T(D/2)： - ，Jg (3)(4)(5)式中 为永磁体工作点磁感应强度，T；B 为永磁体剩磁 ，T； 为工作点与原点连线和横坐标的夹角 ；A 为悬浮田匝田第 10期 王晓飞，等：基于磁悬浮效应的振动传感器设计间距气隙磁导，H。

永磁体的磁路模型为B 曰，-it0 ， m. (6)公式(6)两边同时乘以 S，得出中m-B S-itn HmS - F /R . (7)其中，F 为磁动势，A； 为磁通，Wb； 为虚拟内禀磁通 ，Wb； 永磁体内磁阻，H～。由公式(7)得出永磁体可以等效为磁动势 和内磁阻的串联。永磁系统的磁场模型可简化为永磁体等效模型与气隙磁阻的串联。

由永磁体等效模型得m F c· (8)其中， ，·R ，R 为气隙磁阻。忽略磁漏和涡流损耗，得出气隙磁感应强度为警 蔷 (9)公式(9)成立 的前提条件是忽略磁漏、永磁体均匀磁化，并且间距的气隙磁感应强度是均匀分布，在实际中这些条件是不可能成立 ，根据