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近年來，特殊環(huán)境下鋼板或鋼管厚度、缺陷、腐蝕的檢測(cè)與識(shí)別引起了科技工作者的高度重視，如地下輸油管道、天然氣管道等管壁幾何特征的檢測(cè)就是一例。因此研究和開發(fā)適應(yīng)于特殊環(huán)境下的測(cè)量傳感器也逐漸提到了日程上來，而漏磁通測(cè)量法的原理較為簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)、傳感器適應(yīng)性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量等特點(diǎn)而被關(guān)注，雖然這種方法有許多的優(yōu)點(diǎn)，但由于實(shí)際磁路計(jì)算繁雜、影響磁路參數(shù)的非確定因素較多，設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算量大、準(zhǔn)確度受限制，因此，漏磁傳感器及其磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算是確定傳感器磁極間漏磁大小與被測(cè)鋼板厚度間關(guān)系的關(guān)鍵。
目前，磁路計(jì)算的方法可分為等效磁路法和有限元分析法。前者是將磁路等效為電路，利用磁路基本定律列方程求解；后者是基于磁場(chǎng)的概念建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算。由于電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展使得磁路的有限元分析得到廣泛應(yīng)用，其中ANSYS軟件的推廣就是一例。本研究正是通過有限元法來模擬試驗(yàn)并進(jìn)行理論分析，從而為漏磁通法測(cè)量鋼板厚度的傳感器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考。
漏磁法測(cè)量鋼板厚度是基于永磁回路原理進(jìn)行的。如圖所示為漏磁法測(cè)量鋼板厚度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，它由2個(gè)強(qiáng)磁性稀土永久磁鐵、2個(gè)極靴、1個(gè)由軟磁材料組成的襯鐵、2個(gè)聚磁件及1個(gè)集成霍爾器件等組成，磁回路路徑如圖虛線所示。
永久磁鐵用以提供磁動(dòng)勢(shì)，2個(gè)極靴的作用是調(diào)整氣隙內(nèi)的磁通使其均勻分布，襯鐵則是構(gòu)成磁回路所必須的單元，本設(shè)計(jì)采用高磁導(dǎo)率，低矯頑力的工業(yè)純鐵加工而成，聚磁件的作用是將漏磁場(chǎng)中部分空間內(nèi)的漏磁通聚合并均勻化，從而增加霍爾器件的靈敏度，集成霍爾器件用來完成穿過該器件表面磁通大小的測(cè)量、放大和電壓輸出等功能。
被測(cè)鋼板是導(dǎo)磁性能好的鐵磁材料，當(dāng)測(cè)量不同厚度的鋼板時(shí)，首先保證極靴與鋼板之間的氣隙恒定，這樣，由傳感器和鋼板的被測(cè)局部就可構(gòu)成一個(gè)磁回路。當(dāng)鋼板的厚度發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)磁回路的磁通也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致磁極間漏磁通發(fā)生變化，因此通過測(cè)量整個(gè)磁回路的磁通變化或磁極間一點(diǎn)的漏磁大小都可以確定被測(cè)鋼板的厚度。但由于霍爾器件的測(cè)量范圍較小，如果直接測(cè)量穿過被測(cè)鋼板的磁通量，霍爾器件的電壓輸出極易飽和，因此本方案采用測(cè)量磁極間的漏磁通法進(jìn)行。
ANSYS有限元分析軟件是集結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)及科學(xué)研究。本研究主要應(yīng)用該軟件的三維靜磁場(chǎng)分析，其分析過程分三個(gè)步驟：
(1)模型的建立，包括：①創(chuàng)建或讀入有限元模型；②定義材料屬性；③劃分網(wǎng)格；
(2)定義邊界條件、施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件，然后求解；
(3)結(jié)果后處理，查看和分析結(jié)果，然后檢驗(yàn)結(jié)果是否正確。
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