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海洋工程結構中常使用大量電化學(xué)性能不同的異種金屬材料，異種金屬材料間所存在的電位差會(huì )引發(fā)電偶腐蝕，而在腐蝕性極強的海水介質(zhì)條件下電偶腐蝕效應會(huì )加強。腐蝕電流檢測方法需要具有非常高的靈敏度、較強的抗干擾能力，且孔徑尺寸大、開(kāi)合式方便拆卸等特點(diǎn)。磁通門(mén)傳感器因其測量精度較高、成本較低、結構簡(jiǎn)單且技術(shù)較為成熟，成為了腐蝕電流測量的首選。

針對海洋工程中迫切需要的大孔徑開(kāi)合式腐蝕電流檢測方法，海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員設計了一種基于磁通門(mén)原理的大孔徑開(kāi)合式腐蝕電流檢測探頭，并通過(guò)有限元仿真驗證了不同探頭參數下磁通門(mén)脈沖特性，為大孔徑開(kāi)合式磁通門(mén)電流傳感器的探頭設計提供了理論依據。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《儀表技術(shù)與傳感器》期刊。

磁通門(mén)電流傳感器探頭主要由激勵源、磁通門(mén)探頭、后處理電路和被測柱體組成。其中磁通門(mén)探頭部分由一個(gè)雙邊開(kāi)合式環(huán)形磁芯C和繞制在磁芯上的激勵線(xiàn)圈ω₁和檢測線(xiàn)圈ω₂組成，磁通門(mén)探頭正常工作時(shí)，激勵源向激勵線(xiàn)圈ω₁通入交變電流，使得磁芯C在正負飽和狀態(tài)之間不斷變化，此時(shí)檢測線(xiàn)圈ω₂上會(huì )產(chǎn)生正負變化的感應電流，當被測柱體電流I不為0時(shí)，感應電流的正負變化不對稱(chēng)，后處理電路通過(guò)解調感應電流中的不對稱(chēng)偏置，檢測出被測柱體電流I。

開(kāi)合式磁通門(mén)電流傳感器探頭原理圖

磁通門(mén)效應直接使得磁通門(mén)脈沖的正負不對稱(chēng)，而磁通門(mén)傳感器的檢測精度也很大程度上依賴(lài)磁通門(mén)脈沖的峰值大小，在實(shí)際的傳感器參數設計過(guò)程中，需要考慮不同參數對脈沖的影響，令磁通門(mén)脈沖峰值達到合理程度。

研究人員通過(guò)將待測電流帶來(lái)的磁場(chǎng)偏置影響代入磁芯磁導率，聯(lián)立磁芯磁路方程和檢測線(xiàn)圈的電路方程，結合相量法得出了開(kāi)合式磁通門(mén)電流傳感器的檢測線(xiàn)圈電流脈沖計算公式，為大孔徑開(kāi)合式磁通門(mén)電流傳感器的探頭設計提供了理論依據，同時(shí)結合COMSOL仿真軟件建立了有限元仿真分析模型，以720 mm孔徑的磁通門(mén)電流傳感器為例，從繞線(xiàn)方式、結構設計等方面分析計算了待測電流引起的磁場(chǎng)偏置，討論了不同探頭參數對磁通門(mén)脈沖的影響，包括磁芯的半徑r，氣隙大小lg，磁芯截面積S，磁芯相對磁導率μ_r1，激勵線(xiàn)圈和檢測線(xiàn)圈匝數N₁、N₂，檢測線(xiàn)圈負載R、L，以及激勵電流幅值A，頻率ω。

磁芯半徑對磁通門(mén)脈沖的影響

氣隙對磁通門(mén)脈沖的影響

磁芯截面積對磁芯上平均磁通量的影響

磁芯相對磁導率對磁通門(mén)脈沖的影響

激勵線(xiàn)圈匝數對磁通門(mén)脈沖的影響

檢測線(xiàn)圈匝數對磁通門(mén)脈沖的影響

檢測線(xiàn)圈電阻分量對磁通門(mén)脈沖的影響

檢測線(xiàn)圈電感分量對磁通門(mén)脈沖的影響

激勵電流幅值對磁通門(mén)脈沖的影響

不同激勵頻率下對磁通門(mén)脈沖的影響

這項研究為大孔徑開(kāi)合式磁通門(mén)電流傳感器的探頭設計提供了理論依據，對于傳感器后處理電路的設計具有一定的參考價(jià)值。