磁致伸缩冻雨传感器系统研究与实验分析

张东明, 周 飞, 汪章维

(1.浙江省大气探测技术保障中心,浙江 杭州 310000;2.国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心,湖北 武汉 430003)

0 引 言

冻雨是冬季具有高影响、大范围成灾的灾害性天气。冻雨传感器是通过机械谐振原理进行探测,探测冻雨的发生是采用冻雨传感器机械谐振原理。冻雨传感探头具有磁致伸缩效应,探头处于磁场驱动下产生轴向振动,当有冰凝结在探头表面时,探头的固有频率发生偏移,频率偏移量可以判断冻雨是否发生[1]。本文通过模拟实验证明了冻雨传感器的可行性。

1 冻雨传感器原理与结构分析

1.1 冻雨传感器原理分析

传感器通过激励线圈把信号驱动的电能转换为探头轴向振动的机械能,探头由于磁致伸缩逆效应把探头振动的机械能转换为电磁能,经由信号检测线圈拾取产生感应电动势[2]。从机械振动的角度分析,由于施加了频率可变的交变磁场,则探头在其轴向发生机械振动并且频率与交变磁场保持一致,此时探头谐振频率为定值f0,当有物体(冰)附着在探头表面上时,此时的谐振频率为f0,通过信号检测线圈产生的感应电动势,确定变化后的谐振频率点,可求出谐振频率偏移量Δf,以确定是否有冻雨发生。其表达式为

Δf=f0-f′0

(1)

式中f0为探头轴向固有频率,kHz；f′0为探头结冰后轴向固有频率,kHz。

1.2 传感器驱动检测模块模型的建立

1.2.1 数学模型的建立

当给传感器激励线圈施加交流激励时,将在振管中产生交变磁场,可得到该体积元的运动方程[3，4]为