电磁感应效应范文1
【关键词】电磁感应 机筒加热 挤塑机 节电效果 统计分析
1 引言
挤塑机是电线电缆生产过程中主要使用的一种设备。挤塑机的加热，传统上采用的是电加热方式。在电加热方式中，又以电阻丝加热最为普遍。但这种加热方式， 热效率很低，生产中能耗高，很大一部分热能耗散在空气中。
2012年，我公司也进行了电磁感应加热方面的应用和改造。目前，已分别改造了1台Φ65和1台Φ150挤塑机的加热系统，取得了一定的经验。对如何统计、计算和分析改造后的加热系统的节电效果，我们总结和摸索出了一定的方法。
2 挤塑机传统加热方式的改造
电线电缆行业挤塑机生产过程中，由于是连续挤制、胶快，而挤制料对温度控制的要求较高，机筒加热每段须配风机。这对传统加热瓦来说不是问题，一般都是在加热瓦上设计风机安装的结构工装，直接将风机装在加热瓦上。但对电磁感应技术改造挤塑机机筒传统加热，风机无法安装是一个关键问题。
为解决此问题，我们与相关公司合作，针对线缆生产的工艺特点、加温过程特点、以及挤塑机机筒结构特点，开发出了新型电磁感应加热装置。该装置将一般绕制在挤塑机机筒上的电磁线圈，改变了绕制方法，分别绕在了两片类似传统加热瓦的壳体内，该壳体由特殊材料制成，耐高温，导磁性好。壳体与机筒之间设计为可通风的空腔，再在该壳体上设计好降温风机的安装工装，装上风机，满足了电缆生产的温控要求。
3 挤塑机生产过程用电情况的统计
挤塑机生产情况比较复杂，影响挤塑机加热用电的因素很多，材料、规格、班次、长度等的不同，所涉及的用电都会不同。从我们改造挤塑机的情况看，针对挤塑机的不同，我们采取了不同的统计方法。
3.1 Φ65挤塑机用电统计方法
Φ65挤塑机一般用于挤制直径Φ10mm以下的小规格电缆，挤制的材料以PVC、PE料为主，或再挤制一些特殊性能的材料，如低烟无卤阻燃料、尼龙料等。其中以PVC、PE、低烟无卤料为最多。
从生产的规格看，品种虽多，但线径变化不大，所要求挤塑机的出胶情况区别不大。统计过程不考虑规格的问题。
生产的班次，我们按每天3个班，每班8小时算。统计时参考各班次的产量，确定一个合理的班次。
因此，Φ65挤塑机用电量的统计，按产品的材料来分类，按生产的班次来进行。
3.2 Φ150挤塑机用电统计方法
Φ150挤塑机一般用于挤制Φ60mm以下的各种规格电缆。挤制的材料也以PVC、PE料为主。使用最多的是PVC料。
从Φ150挤塑机挤制的产品规格看，品种多，外径范围宽，出胶量情况有很大的不同。
从生产的长度看，由于Φ150挤塑机出胶量大，长度的不同，用电情况也相差较大。
因此，Φ150挤塑机用电量的统计，以PVC料为准，按产品规格来分类，按产品的长度来进行。
这样一来，Φ65和Φ150挤塑机，用电情况的统计方法是不一样的，但两种方法又能相互补充、相互验证。
4 统计结果及计算分析
结合生产情况，对Φ65和Φ150挤塑机改造前后用电情况的统计，我们用了7―8个月的时间，采集的原始数据很多，归纳后的情况如下：
4.1 Φ65挤塑机的情况
按前述的方法，Φ65挤塑机用电情况的统计按低烟无卤、PVC和PE三种材料分类。Φ65挤塑机的机筒有4段加热区，三种料的各段工艺加热温度是不同的，参考温度为：
我们分别统计每种料生产的班次和用电量，最后计算每班次的平均用电量。表1是Φ65结果简表。
4.2 Φ150挤塑机的情况
Φ150挤塑机机筒加热有6段，统计用电以PVC材料为标的，各段加热工艺参考温度：
130 140 155 165 170 175 ℃
按产品的规格分类，我们分别统计各种规格的生产长度和用电情况，再计算出单位公里的用电量。
由于产品的规格较多，对每一种产品进行分析计算也不现实。为了对结果进行分析，结合Φ150挤塑机机头模具的大小，我们将统计的产品规格分成A、B、C三大类：
A类：主要包括各种型号的3×120、3×150、3×185、4×95、4×120、4×150等规格的产品。
B类：主要包括各种型号的3×50、3×70、4×50、4×35、等规格的产品。
C类：除了A、B类规格以外的产品。C类太杂，我们不做分析对比。
A与B类产品，各自的模具相近，挤塑机的出胶量相近，我们将它们作为统计和计算的标的。
5 结束语
电磁感应加热技术，在线缆行业挤塑机机筒加热方面的应用，效果是非常理想的。改造后的加热系统，节电效果明显，可靠性高；电磁线圈表面温度低，对工作现场环境影响小；温度控制准确，挤塑机的塑化和出胶情况正常，不会影响产品的质量。
线缆行业竞争非常激烈，怎样降低产品成本，提高产品的竞争力，是每个企业面临的重要问题。电能消耗在线缆行业产品成本中占有很大比例，使用电磁加热技术能够有效地降低企业生产成本，提高竞争力。
电磁感应效应范文2
关键词：楞次定律 阻碍 通量的变化
电磁学中“楞次定律”是高中物理教学的难点之一，教师们都感到难教，而学生们也都感到难学。“楞次定律”告诉我们：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。从内容可以知道“楞次定律”的关键词就是“阻碍”，如果能全面把握住“阻碍”的含义，该难点也就突破了。怎样领会和把握“阻碍”一词呢？我们从以下几个方面来分析：
1 如何理解楞次定律中的“阻碍”
1.1谁起阻碍作用？要明确起阻碍作用的是“感应电流的磁场”。
1.2 阻碍的是什么？感应电流的磁场阻碍的是“引起感应电流的磁通量的变化”，而不是阻碍原磁场，也不是阻碍原磁通量。
1.3怎样阻碍? 当引起感应电流的磁通量(原磁通量)增加时，感应电流的磁场就与原磁场的方向相反，感应电流的磁场“反抗”原磁通量的增加；当引起感应电流的磁通量(原磁通量)减少时，感应电流的磁场就与原磁场的方向相同，感应电流的磁场“补偿”原磁通量减少。所以“阻碍”不仅有“反抗”原磁通量增加的含义，同时也有“补偿”原磁通量减少的含义。
1.4“阻碍”不等于“阻止”。当由于原磁通量的增加产生感应电流时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，其作用仅仅使原磁通量的增加变慢了，但磁通量仍然在增加；当由于原磁通量的减少引起感应电流时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，其作用仅仅使原磁通量的减少变慢了，但磁通量仍然在减少。也就是说原磁通量的变化是引起感应电流的必要条件，若这种变化被阻止了，也就不可能产生感应电流。
2 楞次定律的本质是什么
楞次定律的阻碍作用，正是能的转化和守恒定律的反映，在克服这种“阻碍”的过程中，把其他形式的能转化为电能。
从能的转化和守恒定律本质上看，楞次定律可广义地表述为:感应电流的“效果”总是阻碍(或反抗)引起感应电流的“原因”。常见的有四种：①阻碍原磁通量的变化(增反减同)；②阻碍导体的相对运动(来拒去留)；③通过改变线圈的面积来“反抗”(扩大或缩小)；④阻碍原电流的变化(自感现象)。
3 楞次定律的另一种表述: 感应电流的效果，总是要反抗引起感应电流的原因
产生感应电流的原因由上述可知：可以是磁通量的变化，也可以是引起磁通量变化的相对运动、回路面积的形变或原电流的变化。而感应电流的效果，可以是感应电流或感应电流所产生的磁场，也可以是因感应电流受安培力作用而引起的机械行为。
4 阻碍的行为表现
4.1 磁表现: 即阻碍原磁通量的变化
当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中将产生感应电流，感应电流的磁场阻碍原磁通量的变化，但由于引起磁通量变化的原因各不相同，则“阻碍”的具体表现就各不相同。
感应电流的磁场阻碍原磁通量的变化，表现为“增反减同”。
例1：如图(1)所示，在螺线管的上方有一个条形磁铁自由下落，在进入螺线管之前，流过电阻R的电流方向如何?
分析：由于条形磁铁自由下落，在进入螺线管之前，使穿过螺线管的磁通量增大，回路中产生的感应电流的磁场阻碍原磁通量的增大，即在螺线管内感应电流的磁场方向(向上)与原磁场的方向(向下)相反，由右手定则可知：流过电阻的电流方向是由a通过R到b。回路面积变化阻碍磁通量的变化，表现为“增缩减扩”。
如图(2) 示，当螺线管B中的电流减小时，穿过闭合金属圆环A的磁通量减小，这时金属环A中产生感应电流的效果使A环有收缩的趋势。
例 2：如图(3) 所示光滑导轨AB、CD水平放置，两根导体棒PQ、MN平放于互相平行的固定导轨上形成一个闭合回路，接触良好。当一条形磁铁从上方下落而未到达导轨平面的过程中，导体棒的运动情况是：
A、导体棒PQ、MN互相靠近；
B、导体棒PQ、MN互相远离；
C、导体棒PQ、MN均静止；
D、因磁铁下落的极性未知而无法判断。
分析：当条形磁铁向下落的过程中，导体棒PQ、MN与导轨所组成的闭合回路中磁通量增加，则有楞次定律的广义表述得到只有回路面积减小才能阻碍原磁通量的增加，所以PQ、MN互相靠近，正确答案是A。
4.2力表现：即阻碍相对运动
如果闭合回路的磁通量变化是由于磁体和闭合回路(或回路中部分导体间)的相对运动引起的，则感应电流所受的安培力总是阻碍它们之间的相对运动。
相对运动阻碍磁通量的变化, 表现为来拒去留。
如图(4)所示，当条形磁铁突然向闭合金属环A运动时，金属环A中的磁通量增加，产生感应电流。效果是金属环也向右躲闪而阻碍这种相对运动，即金属环也向右运动。
例3：如图(5)所示，螺线管CD的导线绕法不明。当磁铁AB由某高处向下插入螺线管时，电路中有图示方向的感应电流产生。下列关于螺线管极性的判断正确的是：
A、C端一定是N极；
B、C端一定是S极；
C、C端的极性一定与磁铁B端的极性相同；
D、无法判断极性的关系，因螺线管的导线绕法不明。
分析：磁铁AB向下运动时, 穿过螺线管CD磁通量增加，产生感应电流。由楞次定律的广义表述得到：B、C两端的极性一定相反，但到底是哪一极性判断不出来。
4.3 电表现：即感应电流阻碍原电流的变化
当原磁场是由电流产生，则当通过导体的电流发生变化时，回路中的感应电流总是阻碍原电流的变化。有互感和自感现象两种情况。
例4: 如图(6)所示，A、B两个导体环处在同一平面内。B环中通有逆时针方向的恒定电流。现由于某种原因B环中的电流突然减小，那么A环中的感应电流方向如何?
分析: 当B环中原电流突然减小时，通过A环的原磁通量发生变化， A环中产生感应电流，感应电流的磁场通过线圈B，阻碍线圈B中的磁通量的减少，即阻碍线圈中逆时针方向电流的减小。因此，A环中的感应电流的方向为逆时针方向。
例5：如图(7)所示，A、和B是完全相同的灯泡，线圈L的电阻可以忽略。下列说法中正确的是：
A、开关S接通电路时，B先亮，A后亮，最后一样亮。
B、合上开关S接通电路时，A和B始终一样亮。
C、断开开关S切断电路时，B立刻熄灭，A过一会儿才熄灭。
D、断开开关S切断电路时，A、B都要过一会儿才熄灭。
分析: 当合上开关S接通电路时，线圈L中产生感应电动势阻碍自身电流的增大，所以B先亮，A后亮。稳定后，由于A和B并联，且纯电感线圈L在电流稳定时相当于一根导线，因此A、B最后一样亮。而断开开关S切断电路时，由于通过线圈L的电流突然减小，线圈L中产生感应电动势阻碍电流的减小，这时线圈L相当于电源，与A、B构成闭合回路，使回路中有了感应电流，所以A、B两灯都要过一会儿才熄灭。因此选项A、D正确。
根据我的教学实践，对“楞次定律”中关键词“阻碍”进行剖析，抓住重点(感应电流方向的判定)，突破难点(全面深刻地理解“阻碍”的含义)， 才能使学生正确认识楞次定律的内涵。
电磁感应效应范文3
关键词 ECT；MRE；车速传感器
中图分类号TN7 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）42-0140-02
0 引言
ECT（Electronic Controlled Transmission）即“电子控制自动变速器”，其电子控制系统主要由传感器、电子控制单元（ECU）、执行器三大部分组成。其最重要的换档控制参数是发动机负荷和汽车车速，反映发动机负荷大小的是节气门位置传感器，反映汽车车速的是车速传感器。一般节气门位置传感器与发动机共用，车速传感器安装在自动变速器输出轴或仪表板附近，是一种转速传感器，用于检测自动变速器输出轴的转速，ECU根据车速传感器的信号计算出车速。传感器把采集的发动机负荷和车速信号转换成电信号传送给ECU，ECU接受信息后，与存储在内部的程序加以比较、计算，并给执行换档的电磁阀发出控制指令，实现自动换挡及液力变矩器的锁止操作。
1 汽车车速传感器
车速传感器用来产生频率与车速成正比的电信号，并将该信号送至ECU，作为确定换挡点和液力变矩器锁止离合器锁止时机的基本信号之一。
常见车速传感器一般有舌簧开关式、电磁感应式、光电式和MRE磁阻等。
2 MRE磁阻式车速传感器的结构
如图1所示，MRE磁阻式车速传感器，主要由多极磁环、HIC（混合集成电路）以及多极磁环的驱动机构组成，一般安装于变速器壳体上。多极磁环的驱动机构由多极磁环驱动轴和蜗轮蜗杆机构构成，其中蜗轮安装于驱动轴上，蜗杆一般安装于自动变速器的输出轴上与其同步转动。
3 磁阻效应及磁阻式车速传感器的原理
3.1磁阻效应
磁阻效应（Magnetoresistance Effects）是指导体或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，将通以电流的导体(或半导体)放在磁场中，当磁场方向垂直于电流方向时，导体(或半导体)内的载流子受洛伦兹力的作用而产生一定方向的偏斜，因而使电流经过的路径变化，使得导体(或半导体)的电阻增加。导体(或半导体)的电阻受磁场的变化而发生变化，这种现象称为磁阻效应。
3.2 磁阻式车速传感器的原理
磁阻式车速传感器的核心是磁敏元件，其工作原理是基于磁敏元件具有的磁阻效应。当汽车车速为零即多极磁环转速为零时，由磁敏电阻组成的惠斯顿电桥中的两对磁敏电阻阻值大致相等。由于偏置磁场的存在，多极磁环转动时，引起磁敏电阻所处空间的磁场发生周期性变化，根据磁阻效应，磁敏元件的阻值也会发生周期性变化，惠斯顿电桥就会输出周期性变化的电压，即输出一个交变电压波形。
设惠斯顿电桥输出信号频率为f（Hz）、多极磁环的转速为n（r/min）和多极磁环磁极数为Z，则：f=nZ/60。由此式可知，当多极磁环磁极数一定时，输出信号的频率只与自动变速器输出轴转速有关，即与汽车车速成正比关系。
3.3 信号处理电路
该传感器的信号处理电路主要由比较器和三极管组成。信号处理电路将惠斯顿电桥输出的周期性变化的模拟信号转化为数字信号，送入汽车ECT ECU，ECU可根据输出信号的频率计算出汽车车速。比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路，其两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，即数字信号。三极管VT又将比较器输出的数字信号反向，最终传感器输出的为一方波信号。信号处理电路的工作过程如下：
设比较器的“+”输入端输入电压为V+，“-”输入端输入电压为V-，由图2：
当V+>V-时，比较器正饱和，输出高电平，则VT基极为高电位，VT发射结正偏，VT导通，输出低电平；
当V+
4 MRE磁阻式车速传感器的特点及检修
4.1 特点
由MRE磁阻式车速传感器结构及上述分析可知，MRE磁阻式车速传感器输出信号质量不受车速变化的影响（变速器输出轴转速与汽车车速成正比），具有故障率低、使用寿命长、工作可靠等优点。
4.2 检修
可变磁阻式车速传感器很少发生故障，在检修时可以用手转动传感器轴，在转动的同时，用万用表电压挡测量传感器输出端子间的输出信号，应有脉冲电压信号输出。若无脉冲电压信号输出则传感器已损坏应及时更换。
5结论
综上所述，车速传感器在ECT电子控制系统中非常重要，其信号质量的好坏直接影响自动变速器换挡点和液力变矩器锁止离合器锁止时机控制的准确性。MRE磁阻式车速传感器由于输出信号质量好、使用寿命长以及工作可靠，可满足电控自动变速器的使用要求。
参考文献
[1]王遂双.汽车电子控制系统的原理与检修[M].北京：北京理工大学出版社，2004，8.
电磁感应效应范文4
【关键词】法拉第效应；三维磁场，测定
1、研究背景
近年来，基于法拉第效应的传感器件以其固有的优点得到迅速发展，磁光晶体在传感器中用作传感元件进一步提高了灵敏度，最小探测磁场达到100PT/ Hz。由于法拉第型传感器的传感头结构简单，所以传感器具有尺寸小，精度高，灵敏度好，动态范围大和响应快速的优点，适合一些特定环境下磁场的测量。但目前所测量的磁场只是在平行于传感头方向的分量，磁场的绝对大小及方位还无法准确测量，现针对以上缺点提出了一种可测量空间磁场绝对大小和方位的方法。而通过测量磁场量又可以推知产生磁场的电压和电流等电学量，因此研究此课题在电力、电子等多领域具有重要的意义。
2、设计原理
法拉第磁致旋光效应的本质是说当一束线偏振光通过非旋光性介质时，如果在介质中沿光传播方向加一外磁场，则光通过介质后，光振动（指电矢量）的振动面转过一个角度θ，这种磁场使介质产生旋光性的现象。自从法拉第发现这一效应以后，人们在许多固体、液体和气体中观察到磁致旋光现象。对于顺磁介质和抗磁介质，光偏振面的法拉第旋转角θ与光在介质中通过的路程L以及外加磁场磁感应强度在光传播方向上的分量成正比，即有：θ=V·B·L 其中V为费尔德（Verdet）常数。对于不同介质，偏振面旋转方向不同，习惯上规定，偏振面旋转绕向与磁场方向满足右手螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数V>0；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数V
将法拉第效应元件CDMNTE晶体（经过激光脱沉技术生长而成，具有很高的韦尔代（Verdet）常数；经合成的Ga∶YIG晶体与纯钇铁石榴石[YIG]相比，不仅减少了饱和磁化强度，而且进一步提高了灵敏度，最小探测磁场达到100 PT/Hz[2]）放在待测磁场中，以平行磁感应强度B的方向施加入射光（由半导体激光器LD产生），由于法拉第效应，光的偏振面将产生偏转角θ，并且θ=V·B·L式中L为CdMnTe晶体厚度，V为Verdet常数。当所用CDMNTE晶体一定时，B∝θ，可由光电二极管测得。
3、方案设计
由所述原理测得B的大小并不是绝对的，只是空间磁感应强度B在平行于光传播方向上的分量。当磁感应强度B的方向和光的传播方向垂直时，无论B多大，旋转角θ恒为零。即旋转角θ大小不仅和B大小有关还和B的方向有关，这给一些磁场的测量带来了很大的不便，因此提出了测量三维矢量磁感应强度的方法。
将光源按照分光比1：1：1：1其中的三束输出光分别接到三个传感器上（三个探测器探测到的光强分别为Ix，Iy，Iz），剩下的一束输出光直接接到光探测器上（光强为Io），光源光功率的变化同时导致Ix，Iy，Iz，Io的变化，使得Ix/Io，Iy/Io，Iz/Io的值只与磁感应强度B的大小和方向有关，这样在保证精度的前提下对光源的要求就大大降低了。
设空间磁场B和X、Y、Z的轴的夹角分别为α、β、γ，则在磁场在三个坐标轴的分量为：Bcosα、Bcosβ、Bcosγ；X、Y、Z线性偏振光通过的分量为：Ix，Iy，Iz，θx，θy，θz分别为线性偏振光通过X、Y、Z轴上传感器后产生的旋光角；βx，βy，βz分别为X、Y、Z轴上起偏器与检偏器的夹角，L为传感器中的旋光介质的有效长度，V为介质的费尔德常数则：Ix=Iocos2（βx-θx）（Y、Z可依次求出）Ix，Iy，Iz分别是X、Y、Z轴上的光探测器所探测到的光强，Io是旋转角为零时所探测到的光强。
θx =arccos√（Ix/Io）=cosα·BVL（Y、Z可依次求出），cos2α+cos2β+cos2γ=1 最后通过上式可计算出的值α、β、γ、B。
4、方案优势
（1）利用激光和法拉第效应是测量若干电磁量的一种新方法。是电学量的非电测量方法，能够有效地克服电磁干扰和频率响应欠宽等在电测法中存在的问题。
（2）准确度高、响应快、便于与微机相联实现自动实时测量。
（3）用激光和磁光效应构成的光电传感器能够有效地测量交直流电流和磁感应强度等电磁量，并具有光学测量抗电磁千扰能力强等优点，为电学量的非电测量提供了依据。
（4）三维光纤磁场传感器可以真实的测出空间磁场大小和方向，而且随着旋光介质材料不断发展（新的旋光介质的费尔德（Verdet）常量的增大，响应的频率带宽变宽），探测空间的微弱磁场已成为可能。
（5）磁光晶体在传感器中用作传感元件进一步提高了灵敏度，由于法拉第型传感器的探头结构简单，无需外加电源且不涉及电流传导，使传感器实现成为可能。
参考文献：
[1]程德福，王君.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，2011.
[2]周文生.磁性测量原理.北京：电子工业出版社，2009.
[3]陈重，崔正勤.电磁场理论基础.北京：北京理工大学出版社，2003.
电磁感应效应范文5
[关键词] 电磁感应；楞次定律
电磁感应这部分内容，有几条定理定律，如果不知道其用法，解决问题的时候就会绕很多弯，把简单的问题复杂化。
一、 楞次定律相关内容
物理学家楞次是在综合法拉第电磁感应原理（发电机原理）和安培力原理的基础上，以“电动机发电机原理”的形式提出这个定律的。其内容是：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。关于其表述，有多个意思，楞次定律的表述可归结为：“感应电流的效果总是反抗引起它的原因。” 如果回路上的感应电流是由穿过该回路的磁通的变化引起的，那么楞次定律可具体表述为：“感应电流在回路中产生的磁通总是反抗（或阻碍）原磁通的变化。”我们称这个表述为通量表述，这里感应电流的“效果”是在回路中产生了磁通；而产生感应电流的原因则是“原磁通的变化”。可以用八个字来形象记忆“增反减同，来阻去留”。
如果感应电流是由组成回路的导体作切割磁感线运动而产生的，那么楞次定律可具体表述为：“运动导体上的感应电流受的磁场力（安培力）总是反抗（或阻碍）导体的运动。”我们不妨称这个表述为力表述，这里感应电流的“效果”是受到磁场力；而产生感应电流的“原因”是导体作切割磁感线的运动。
从楞次定律的上述表述可见，楞次定律并没有直接指出感应电流的方向，它只是概括了确定感应电流方向的原则，给出了确定感应电流的程序。要真正掌握它，必须要求对表述的涵义有正确的理解，并熟练掌握电流的磁场及电流在磁场中受力的规律。
我所要阐述的关于楞次定律的应用主要是在于它对于磁通的惯性，即:在任何状态下，闭合回路的磁通都有保持其大小不变的趋势。
二、电工教学中楞次定律的应用
我们都知道，在判断感应电流的方向时一般用安培定则（右手定则），而如果要判断物体所受电磁力的方向的时候一般要用左手定则来判断。但是实际的情况是我们在解决某些问题时，用楞次定律解释起来也许更方便一些，我们举一些简单的例子来表述。
例1：当一个绝缘悬挂的金属环在磁铁靠近它的时候，问这个金属环应该怎样运动。这个问题，按照以往的思路是这样的。首先学生一般会根据靠近金属环的磁铁的极性判断出穿过金属环的某个方向的磁通变大了，那么，金属环中会有感应磁通产生，并且与磁铁产生的磁通方向相反，磁铁和金属环之间是斥力，金属环向远离磁铁的方向运动。若知识的理解程度再差点则有后面下面的分析（判断出金属环中的感应电流方向和金属环电流形成的磁场的方向与靠近金属环的极性相反，磁铁和金属环之间是斥力，金属环向远离磁铁的方向运动）。对此只能说明学生大部分对电磁感应这部分内容的理解不深。
假如我们用楞次定律来分析，这个问题就很简单了。当磁铁靠近金属环时，由于金属环中的磁通有变大的趋势，而根据楞次定律，我们知道金属环有保持其中的磁通不变的作用，而远离磁铁会使得其磁通保持不变，这就确定了其运动方向。是否简单多了呢？最简单的思路是要想保持磁通不变，必然要保持距离不变。
例2：一个在均匀的磁场中的金属导轨上与导轨形成闭合面的，可以在导轨上自由滑动金属导体棒。当磁场增强时，导体棒会怎样移动。
关于这个问题，思路是这样的。首先牵扯到的问题是，导体棒中的电流方向，应该用右手定则判断，而电流和磁场的作用力要用左手定则判断。这样的方法是按照所学理论来一步步分析的，但是却繁琐多了，基本跟上个例子的分析差不多。再次用用楞次定律来分析，当磁场变强时，穿过原来的导轨和导体闭合面的磁通变多了，为了保持磁通不变，此闭合面应该减小面积，所以导体的运动方向就明确了。
这些都是楞次定律在解决问题时候的一些应用。当然，我们在另外一些问题的解释上，同样可以利用楞次定律使得问题叙述的更清楚，简洁。
例如，在上《电机与变压器》课的时候，学生们对三相交流电动机的原理听得是茫然。当然，按照教材的讲法，理论是没有任何问题的。只是复杂的文字叙述使得学生在理解的时候反应很慢，讲课的效果较差。
教材上电动机的原理：当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势，电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用,而使转子导条受到电磁力(安培力)，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。
在上面的叙述中，提到了左手定则，右手定则等，使得我们本来基础不扎实的学生听得一头雾水。假如能够用其他的方法简单说明其工作原理，学生不是就有自信了吗？为此，我一般在学生不能很好的理解教材上的电动机原理的时候，换用楞次定律来解释这个原理。
楞次定律描述电动机的工作原理：当三相定子绕组中通入三相交流电时，定子电流在气隙中产生旋转磁场，由于转子导体是闭合的，为了保证和旋转磁场的相对位置不变（即磁通不变），转子随旋转磁场转动。
其中没有提到电流方向，左手右手定则，学生表示很容易接受。从效果上，我看到了用楞次定律分析电动机工作原理的简洁、明了。当然，在讲授电机工作原理之前，我先会带领学生复习楞次定律的内容和应用，让其对楞次定律的理解更深刻一些，给教学带来方便，给学生一个理解和分析问题的方法。通过以上几个例子可以看出，在讲授电磁感应原理的内容的时候，灵活的运用一些知识可以使教学活动的效果更好，有助于学生从另外的角度来发现问题，解决问题。不仅仅是在这个楞次定率的问题上，我们可能在教学的过程中会有很的这样的例子。
电磁感应效应范文6
关键词:磁记忆;非晶合金;巨磁阻抗;探头
中图分类号:TP274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)10-158-03
Development of Metal Magnetic Memory Probe Based on Giant Magneto-impedance Effect
LI Kaijia1,LI Kaiyu2,YU Qi1
(1.Key Laboratory of Nondestructive Test,Ministry of Education,Nanchang Hangkong University,Nanchang,330063,China;
2.Nanchang Branch,Xiamen Airlines,Nanchang,330063,China)
Abstract:Metal magnetic memory testing is a new testing technology of nondestructive testing technologies.The key of this technology is to pick up weak pure natural magnetic signals from the area of stress concentration of ferro magnetic components and take advantage of giant magneto-impedance effect of amorphous alloys.Thereby,a new magnetic memory probe is produced.The probe has high sensitivity,stable property.The paper introduces giant magneto-impedance effect briefly,and gives a detailed review on the probe′s principle,structure,circuit layout and test results.`The results show that this new type of magnetic memory metal probe detect clearly the weak magnetic signal and reach the magnetic memory testing requirement.
Keywords:magnetic memory;amorphous alloy;giant magneto impedance;probe
0 引 言
金属磁记忆检测技术的关键点在于拾取铁磁构件应力集中区的微弱“纯天然”磁信号[1],而磁信号的拾取又在于探头的灵敏度,因此探头的研制成为该技术的重点之一。非晶态合金组织结构独特,具有低矫顽力、高电阻率、高磁导率及高机械强度等,尤其是钴基非晶态磁性合金材料,其磁致伸缩系数极小,是一种优良的磁敏材料,用此材料可以设计出各种不同用途的磁场传感器[2-4]。1992年Mohri等人在Co基非晶合金丝中发现巨磁阻抗效应,为研制高灵敏度磁传感器开辟了新的途径[5-9]。非晶合金的巨磁阻抗效应是指当非晶材料通以高频电流时材料两端的阻抗随外磁场变化而发生非常灵敏的变化现象。这里就是利用非晶合金巨磁阻抗效应来研制探头。
1 巨磁阻抗效应
巨磁阻抗(GMI)效应[6,7]就是当软磁性材料(多为Co基非晶和Fe基纳米晶)的丝或条带通
以高频交流电流i时,材料两端感生的交流电压UW随丝纵向所加外磁场Hex的变化而灵敏变化的现象,如图1所示。
图1 巨磁效应示意图
磁阻抗在外磁场作用下的变化率(Magneto Impedance Ratio,MIR)定义为:
MIR=Z(Hex)-Z(0)Z(0)×100%
式中:Z(Hex)表示外加磁场Hex时材料的阻抗;Z(0)表示未加外磁场Hex时的阻抗。当磁场不大时,阻抗变化率随磁场增高而迅速增大,阻抗变化率最大为15%,该设计就利用了此特性。
2 探头结构及电路设计
根据GMI效应的产生条件,选择脉冲方波激励供电,设计一脉冲信号产生电路,输出到非晶薄带两端,实现高频激励。在高频激励下,非晶薄带阻抗随外界磁场的变化而发生非常灵敏的变化,即实现由阻抗的大小反应外界磁场的强弱;非晶薄带外面绕有线圈,构成敏感元件,其本身具有阻抗,在脉冲激励的作用下便产生相应频率的高频电流,根据电磁感应原理,外部线圈产生相应频率的感生电动势,大小与非晶薄带阻抗变化率成正比。由于GMI效应,非晶薄带阻抗发生明显的变化,线圈两端的感生电动势便随之改变,在阻抗变化率达到最大值之前,感生电动势与磁场成正比。接下来利用峰值检波的方法检出信号的峰值,峰值的强弱反映了磁场强度大小,实现了对磁场的测量。
2.1 探头结构
探头结构如图2所示,用CMOS非门电路产生高频脉冲对非晶带进行激励.当外加磁场作用在非晶带时,通过改变非晶带阻抗Z,从而改变非晶带两端的电压。通过峰值检波电路检测出其峰值的大小,再经低通滤波和比较放大路得到随外加磁场变化的电压值。
2.2 敏感元件的制作
敏感元件的制作[4,8,9]如图3所示,将非晶合金薄带用胶水固定在一起,外面绕漆包铜导电线圈。其中,非晶合金厚0.04 mm,叠10片;长度为10 mm,宽为1.78 mm;漆包铜导线直径为0.1 mm,匝数为100匝。非晶薄带两端加上脉冲激励,由于非晶丝的GMI效应,在外磁场不大时,其阻抗随外磁场的变化而发生非常灵敏的变化。图3为敏感元件的制作示意图;图4为实物图。它实现了敏感元件在磁场下的线性输出。
图2 探头结构示意图
图3 敏感元件的制作示意图
图4 敏感元件实物图
2.3 脉冲电流电路
非晶磁芯只有在高频电流激励下,才能显现GMI效应,阻抗随磁场增加而急剧增大。用脉冲电流激励磁芯可以提高阻抗变化率,即提高传感器的灵敏度。
脉冲电流发生电路[8,10,11]如图5所示,选用SN74HCT04N非门芯片构成多谐振荡电路产生高频方波,经RC微分后得到脉冲电流,通过非门Q3滤去负脉冲,得到与方波同频率的正脉冲电流。电路的振荡周期T=2.2 R2C1,电阻R1是反向器输入端补偿电阻,可以改善由于电源电压的变化而引起振荡频率不稳性,但应保证R1R2。实验使用脉冲电流频率f=1 MHz,脉冲宽度约为20 ns,峰值为20 mA。
图5 脉冲电流电路
2.4 信号处理电路
探头信号处理电路[10,11]由峰值检波保持、低通滤波比较放大和射极跟随电路构成,电路图如图6所示。
图6 信号处理电路
A1与C1构成峰值检波和保持电路。在峰值期间,D1导通,使C1充电达到峰值,峰值过后由于R2的限流作用,C1放电微乎其微,到下一次峰值再度充电,维持峰值电压输出。C1上串接R32 Ω的电阻,用于防止过冲,有利于电路稳定。C2,C3组成输入低通滤波,滤掉高次谐波和噪声的干扰,A2,A3,W1和W2构成比较放大电路。由于给非晶带加了一个高频激励,所以在没有外磁场的情况下,感应线圈也有一个较高的输出电压。为了抵消这个零场电压,采用两级比较电路来实现调零,通过滑动电阻W1,W2来进行调零校正,使其在零磁场下输出为零。C4为输出滤波;A4为射极跟随器,方便后续信号的进一步处理。
3 实验结果及分析
用研制的探头对刻有1 mm,2 mm,3 mm深的人工裂纹铁磁构件试块进行了检测。由此发现该探头有明显的检出能力,达到了金属磁记忆检测技术对应力集中区微弱“纯天然”磁场的拾取效果,实验结果如图7~图9所示。
图7 1 mm深示波器图
图8 2 mm深的示波器图
图9 3 mm深的示波器图
从示波器图上明显看出1 mm,2 mm,3 mm深的裂纹有着不同的峰值,峰值大小随裂纹深度的增加而增加,同时也验证了金属磁记忆检测技术的发明人杜波夫提出的理论和相关的研究结论,即铁磁构件在地磁场作用下,能记忆其力对它的作用历史。
4 结 语
简单地介绍了GMI效应的基本原理。利用非晶合金的巨磁阻抗设计并制作了磁记忆探头。该探头灵敏度高,性能稳定,为金属磁记忆检测技术的发展提供了广阔的前景,但信号处理不够理想,就实际应用来说还有待进一步的研究。
参考文献
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