基于ATS的声波换能器设计

2023年12月20日发(作者：丰田轿车凯美瑞报价及图片)

石油仪器　ＰＥＴＲ０ＬＥＵＭ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮ　ＩＩｓ　２０１１年１０月　?开发设计?　基于ＡＴＳ的声波换能器设计　李培培　（西安石油大学电子工程学院摘　陕西西安）　要：根据声波遥测系统对声源（声波换能器）的要求，利用新型稀土超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应设计换能器　实现电一磁一机的转化，从而通过振动产生声波并利用相关装置将声波辐射出去。文章简单介绍了声波换能器的工作　原理，主要结构及各个主要部件的优化设计及设计中应注意的问题。　关键词：ＡＴＳ；稀土超磁致伸缩材料；声波换能器　中图法分类号：ＴＢ５５１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４．９１３４（２０１　１）０５．０００４—０３　０引　言　油田作业中，ＡＴＳ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ　Ｓｙｓｔｅｍ）是为　实现随钻测井及重点油田监测而开发的动态监测系　大功率换能器中得到了广泛应用。而通过多方考证，　最适于在油管或钻柱这类信道上直接传输的信号就是　低频声波信号，加之井下环境的特殊性，信号传输过程　统。因其独特优越性（设备操作灵活、方便，成本低廉　等），一直受到石油行业的关注。其基本原理是：以钻　中衰减大，最终到达井口接收装置的声波信号已经微　乎其微，所以研制低频、大功率的声波换能器对于声波　遥测系统十分重要。综上，稀土超磁致伸缩材料是制　作声波换能器的最佳选择。　柱或者油管柱为传输媒介，以声波作为信息载体，按照　拟定好的程序向地面发送调制后的数据信息，在井口　对信息进行接收、解调并显示，从而获得井下的实时参　数。基于其工作原理一以声波为载体进行信息传输，　所以设计声波换能器将电能转换为声能是此系统的关　２换能器工作原理　超磁致伸缩换能器由超磁致伸缩棒、永磁体、激励　线圈、线圈骨架、蝶形弹簧、辐射板、导磁体等组成，其　结构简图如１所示。　键。声波换能器性能的好坏直接关系到电、声信号的　转换效率及发射声波功率的大小，所以对于声波换能　器的研究十分必要。研究表明声波换能器的性能与其　制作材料、尺寸、结构及其谐振频率密切相关。　１换能器材料选型　基于压电陶瓷材料的诸多优点，以前人们将研究　的焦点放在压电陶瓷换能器上。近几年来，稀土超磁　致伸缩材料的出现为制作出性能较之更为优越的换能　器提供了可能，因为这种材料有着压电陶瓷材料不可　比拟的优势＿ｌ　Ｊ：其最大应变量比压电陶瓷大４倍以上，　可达２　０００　ｐｐｍ；能量密度比压电陶瓷大１０倍以上；机　械强度高，大功率时不会引起系统的破坏；另外，压电　陶瓷在制造时通过一定电场产生的剩余极化会随时间　的推移而退化，而超磁致材料不会出现类似问题；而且　其杨氏模量比较低，因而这种材料出现以后，在低频、　图１超磁致伸缩换能器结构　将超磁致伸缩棒置于激励线圈和永磁体产生的磁　场中，当给激励线圈通以交变电流时，线圈周围会产生　交变的磁场。基于磁致伸缩原理，磁致伸缩棒会在轴　第一作者简介：李培培，女，１９８５年生，西安石油大学测试计量技术及仪器专业研究生，研究课题为基于ＡＴＳ的下井仪的设计。邮编：７１００６５　

２０１１年第２５卷第５期　李培培：基于ＡＴＳ的声波换能器设计　向产生伸缩变形，从而带动辐射板振动，产生声波，最　后通过介质耦合传递出大功率的声波信号。其中，永　磁体为超磁致伸缩棒提供适当的偏置磁场，使其处于　极化状态，从而消除倍频现象。由导向块、碟形弹簧、　辐射板、压环和螺钉组成的预压力组件给超磁致伸缩　棒施加轴向预压力。因为超磁致伸缩材料属于脆性材　料，宜设计成受压状态，为使其工作时不处于拉应力作　用下，应给其施加预应压力。而且轴向的预应压力可　使超磁致伸缩棒内部磁畴在未加磁场时尽可能地沿着　与轴向应力垂直的方向排列，在外加激励磁场作用下，　可以获得较大的伸缩应变，从而增大输出位移。另外，　施加适当大小的预压力可提高驱动器的磁机转换效　率。导向块、永磁体、超磁致伸缩棒、调节螺钉、外壳、　导磁体和气隙等组成闭合磁路。此外，将螺线管线圈　长度设计成大于磁致伸缩棒，使线圈在长度方向上涵　盖整个超磁致伸缩棒，这样可以改善超磁致伸缩棒中　磁场的均匀度，避免边缘效应。　３换能器结构设计　３．１静态偏置磁场设计　给超磁致伸缩棒施加静态偏置磁场通常有两种方　法：（１）通过给线圈中通以直流电提供偏置磁场。这种　方法产生的偏置磁场比较均匀，而且可以通过改变线　圈中的直流电流的大小来改变偏置磁场的大小，但是　线圈通电会发热，影响换能器性能。最重要的一点是　井下供电不便，所以这种设计增加了工程的复杂度，在　本文中不予考虑。（２）通过永磁体提供偏置磁场。通　常设计中一般都采用永磁桶形方式，即在伸缩棒两端　各固定一个桶形磁体，为伸缩棒提供静态偏置磁场。　但此方法磁漏较大，换能器容易受边界条件限制，而且　交流驱动效率较低，无形中增大了驱动压力。鉴于以　上原因，本文采用永磁叠片方式为伸缩棒提供偏置磁　场，即在永磁桶形方式的基础上在伸缩棒厚度方向上　掺杂一定厚度的永磁体材料，一般选取汝铁硼材料。　这种材料的磁导率在１．１　Ｕ。～１．２　ｕ。之间，属磁阻　材料，且在厚度方向磁力线发散。如图２（轴对称图　形）所示。此方法很好地克服了永磁桶形方式以上的　缺点。　通常，在选好材料和预应力时，最佳偏磁场应选在　它的磁致伸缩应变曲线中直线部分中央所对应的磁场　强［２ｌ。　３．２动态偏置磁场设计　电磁线圈的设计：动态偏置磁场是通过给电磁线　圈中通以交流电来产生的，所以电磁线圈的设计是换　能器设计的重点。它的几何尺寸是影响电磁转化率的　图２汝铁硼材料在厚厦万同Ｉ－的充磁不惹圈　一个主要因素，电磁线圈对磁场的影响可用下式表示：　日ｃ：Ｇｃ×￣／Ｒｃ　ｘ　１２￣Ｆ。其中，　ｃ为电磁线圈产　生的磁场强度，Ｇｃ为电磁线圈的几何形状参数，Ｒｃ为　电磁线圈电阻，，为励磁电流强度，Ｆ为线圈导线系　数，导线横截面为圆形时，其值为　／４，』Ｄ为导线电阻　率。电磁线圈的几何形状图如图３所示。　几何参数Ｇｃ：　［　】　ｌｎ　【　｛毫　】，其参数示意图如图４所示，其　中，ａ：ａ２／ａ１，即线圈的外　圆半径和内圆半径之比；　＝１／２ａ１，Ｚ为线圈的长度，　由Ｇｃ参数图可知，当Ｇｃ＝　０．１７９时，电磁线圈的几何　形状为最优，这时ａ＝２，　：３，即电磁线圈内径与线　圈壁厚尺寸相同，线圈长度　为内径两倍时，该几何形状　的电磁线圈磁能耗最低，电　图３电磁线圈的几何形状　磁转化率最高，所以产生磁场强度相对最大。　框　图４参数示意图　驱动磁场的设计：一般来说，驱动磁场Ｈ不超出　—Ｈ曲线的线性区　３。磁致伸缩棒的特性曲线由北　京科技大学材料实验室提供的样品数据绘制的如图５　所示。该曲线大概可分为三段：Ａ段被称为“死区”，其　磁场强度小于７．９６　ｋＡ／ｍ，在此区域　随　的变化缓　慢，而且是非线性的；Ｂ段被称为“线性工作区”，磁场　

?６?　石油仪器　ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ　２０１１年１０月　强度大约在７．９６　ｋＡ／ｍ～３９．８　ｋＡ／ｍ。此阶段　随Ｈ　的增加而线性增加，Ａ正比于ＫＨ，Ｋ为线性常数。Ｃ　段称为“饱和区”，磁场强度大于３９．８　ｋＡ／ｍ，此段曲线　的曲率变化相对缓慢，而且　随日的增加而增加的幅　度开始呈现缓慢趋势。对比这三个阶段，显而易见，Ｂ　区域是磁致伸缩棒作为换能器材料的良好工作区所　在，Ａ区和Ｃ区没多大实用价值。因此缩小或跳过“死　区”，扩大和有效地利用“线性工作区”，是研制磁致伸　缩换能器工作的关键所在。　磁场强度　＾，ｍ）　图５超磁致伸缩棒的特性曲线　３．３轴向预应压力施加　对超磁致伸缩棒施加一定大小的轴向预压应力，　不仅能获得更大的输出位移，而且还可以避免超磁致　伸缩材料工作时受到拉伸作用而断裂，提高换能器的　磁机转化效率。本文中通过导向块、碟形弹簧、辐射　板、压环和螺钉组成的预压力组件给超磁致伸缩棒施　加轴向预压力，通过旋动调节螺钉来调节预应力的大　小。施加一定的预应压力可以使输入和输出成线性关　系，而施加预应力的大小应以能量转换效率最佳为标　准，不能太大，亦不能太小，一般为７　ＭＰａ～１０　ＭＰａ。　３．４磁致伸缩棒优化　磁致伸缩材料的形变量是用磁致伸缩系数　来　衡量的。　是磁致伸缩棒的长度变化量与原长之比，　可见，伸缩棒的型变量与　是成正比的，所以磁致伸　缩棒的优化就从提高磁致伸缩系数　来人手。根据　磁动势与磁通与磁　的关系Ｍ＝姐易知：材料的磁　通和磁阻成反比，而磁阻包括磁通路径的磁阻兄ｃ和　外部泄漏磁阻　，为了提高通过磁通路径的磁通量就　要降低磁通路径的磁阻Ｒ　，提高外部泄漏磁阻　。　１　１　由于磁阻　＝—ｌ＿　，其中ｓ为磁致伸缩棒的横截面　ｏ／ｚｒ　面积，ｚ为棒长，所以通过改变ｓ和ｚ的值可以改变磁　阻的大小。对于ｚ一定的圆筒形磁致伸缩棒就是要减　小棒的内经与外径的比值。可以通过选取换能器其它　部分的材料来优化磁致伸缩棒的性能，比如与磁致伸　缩棒串联的部件需要选用高磁导率的材料，与磁致伸　缩棒并联的部件需要选用磁导率相对较低的材料，并　使磁回路闭合［　、５］。　３．５换能器谐振频率　利用有限元法，建立了换能器的磁一机耦合动态　１　［６］　方程，得出了换能器的谐振频率方程，＝　，其　中Ｋ与　仅与换能器的材料密度、杨氏模量，横截面　积和长度有关。　此方程表明换能器的谐振频率只与其振动系统各　部分的制作材料、结构及尺寸有关，而与磁场的变化频　率无关。众所周知，换能器是一种能量转换装置，要使　其发射功率达到最大，须使其工作在谐振状态下。这　就启发我们在换能器设计中，应根据换能器的谐振频　率方程来合理地设计换能器，包括其各部分的尺寸和　材料选择。　３．６换能器密封问题　基于ＡＴＳ的声波换能器将被安装在井下高温、高　压和强腐蚀恶劣环境中的，所以有必要对换能器密封　问题予以考虑。　４结束语　基于ＡＴＳ系统，对于换能器的材料选取，工作原　理和各部分结构设计做了简单的介绍，设计换能器应　注意以下几点：（１）静态偏置磁场的施加应根据具体要　求选择合适的施加方式；（２）施加的动态偏置磁场的大　小不应超过磁致伸缩棒的特性曲线的线性区；（３）轴向　预应压力的施加应以能量转换效率最佳为标准；（４）磁　致伸缩棒的优化主要在于棒长及其横截面积的选取；　（５）为使换能器的发射功率达到最大应尽量使其工作　于谐振状态。　参考文献　［１］叶娅，黄红．超磁致伸缩换能器的研制［Ｊ］．自动化　与仪器仪表．１９９９，１９（３）　［２］夏铁坚，周利生，范进良，等．一种大功率稀土纵向振动　换能器的研究［Ｊ］．声学技术．２００３，２２（１）　［３］傅龙珠．稀土超磁致伸缩致动器的设计及实验研究［Ｄ］．　浙江大学，２００３　［４］　赵凯华，陈熙谍．电磁学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，　１９８５　［５］孟爱华，项占琴，吕福在．ＧＭＭ换能器的设计优化［Ｊ］．　传感技术学报．２００５，１８（４）　［６］黄文美，王博文，曹淑瑛，等．磁致伸缩超声换能器的结　构与谐振频率分析［Ｊ］．微特电机．２００４，３２（９）　（收稿日期：２０１１—０５—０４编辑：高红霞）