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磁致伸缩位移传感器检测信号的实验研究

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2020-03-06 16:57

  

       磁致伸缩位移传感器具有高精度、高稳定性、高可靠性、使用寿命长等优点,已被广泛应用在石油、化工等部门。但目前国内自行研制的传感器测量误差远远大于国外同类产品。为便于国内科研人员分析磁致伸缩位移传感器误差形成的原因,提高国产磁致伸缩位移传感器的测量精度,该文总结了波导丝不确定性种类对检测信号的影响以及相应的修正方法。
2 波导丝表面不连续性对检测信号的影响
波的反射现象,波由一种媒质到达与另一种媒质的分界面时,返回原媒质的现象。例如声波遇障碍物时的反射,它遵从反射定律。在同类媒质中由于媒质不均匀亦会使波返回到原来密度的介质中,即产生反射。这是机械波的基本理论。磁致伸缩波导丝表面的不连续性(或不均匀)会引起超声波反射、干涉等现象。波导丝的不连续性直接导致了检测信号的不确定性。波导丝表面的不连续性,主要表现为表面凸起、凹陷以及局部弯曲三个方面。表面凸起或凹陷以及局部弯曲都会影响波的传播以及波的振幅,对于采用比较器检测的电子电路来说影响了振幅,就影响了测量精度。针对上述问题,设计如下实验,目的在于寻找表面不连续性引起的反射对检测信号的影响。对于表面凸起的情形,人为地加障碍物,观测加障碍物前后的变化,分为几种情况,障碍物的不同位置及障碍物的不同数量。对于表面凹陷的情形,可以将波导丝表面打磨成凹形,又可分为在浮子前和浮子后。对于局部弯曲的情形,可以打个折。也可分为折在浮子前和浮子后。
2.1 表面障碍物不同位置对检测信号的影响
首先,在浮子前夹障碍物,然后逐渐将浮子向后移动,观测夹障碍物前、后检测信号的变化情况。在浮子前有障碍物,会导致波相位上超前,幅值上衰减。大量实验证实,只要浮子前面有障碍物就会发生相位上超前,幅值上衰减,相位上超前4~6个采样周期。且相位上超前的采样周期相差不大。从另一组采样,观察到障碍物在浮子后对检测信号的特征点并无显著的影响,只是幅值略有变化,但是当浮子距离障碍物4cm以上时对检测信号已无影响,这时障碍物处会引起一个小的反射,这个反射对测量已无影响。通过实验发现,浮子前面有一个障碍物时,回波信号在幅值上发生衰减,衰减幅度约为1/2,相位上发生超前,超前4~6个采样周期。且浮子与障碍物的距离无关,只要障碍物在浮子前面便会发生上述情况。当障碍物在浮子后面且两者相距0~4㎝,会导致回波信号在幅值有所变化,但是对特征点的相位关系无影响;当两者相距4㎝以上时,对回波信号已无影响,障碍物处会形成比较弱的反射信号。
磁致伸缩位移传感器
2.2 表面障碍物的不同数量对检测信号的影响
人为地加多个障碍物,观测夹障碍物前、后信号的变化情况。发现障碍物数量越多幅值衰减越严重,相位上的超前却没有显著增加。当障碍物加到一定数量时,已经观测不到回波信号。实验说明障碍物会吸收回波信号的部分能量。
2.3 波导丝表面凹形缺陷对检测信号的影响
人为地对波导丝表面进行破坏,打个凹形缺陷,观察打凹形缺陷前、后检测信号的区别。凹形缺陷会导致检测信号在幅度上发生衰减,衰减幅度约为1/2,但是,并没有影响到特征点的相位,并且凹形缺陷处会形成一反射。凹形缺陷在后面的情形,同后面有障碍物的情形一样,会形成一反射,但是对检测信号无显著影响。因此,对于波导丝表面的凹形缺陷,不会对全波采样法构成影响。但是对于采用比较器检测时间的方式,缺陷在浮子前时造成了幅值上的衰减,会带来很大的测量误差。
2.4 波导丝弯曲对检测信号的影响
装配传感器时,其中一道工序是将波导丝拉直,如果
在拉直过程中有没被拉直的地方,将会对测量信号产生什么样的影响呢?针对该问题设计如下实验,在波导丝上打个折,看看对检测信号的影响情况。折在浮子前的情形,如同浮子前有一凹形缺陷一样,只影响幅度而不影响特征点的相位。折在浮子后的情形,同后面有障碍物的情形一样,会形成一反射,但是对检测信号无显著影响。因此,全波采样法可以有效的避免这种缺陷对测量的影响。
3 波导丝表面不连续性对检测信号影响的修正方法
利用弱的反射信号查找不连续处的位置,做法如下,先将浮子置于最顶端,对回波信号进行采样,然后查找浮子处回波信号以及不连续处反射信号的特征点(如峰值),即可计算出两者之间的距离,进而求出不连续处的绝对位置。找出了不连续处的位置,利用上述实验的结论对浮子在不同位置时的测量值进行修正。当幅值衰减了1/2时浮子必定在不连续处前,在编写修正算法时可以充分利用该结论。不论何种缺陷,均可参照以上方法进行修正,利用在浮子后形成反射这一现象,查找到缺陷所处的位置。进而判别波导丝的优劣,筛选优质波导丝。
4 波导丝底端固定方式对检测信号的影响及修正方法
由于扭转的超声波是向两端传播,传播到底端时发生的变化与固定方式有关系。波导丝底端的固定方式可以有三种固定方式:阻尼器固定方式、钢体固定方式和无固定器材。这几种固定方式会给检测信号带来什么样的影响呢?选一支量程为1米的传感器进行实验,观测其影响。为醒目起见,将钢体固定方式向下平移1个单位,将无固定器材方式向下平移2个单位。可以清楚的看到,这三种固定方式只是对信号的幅度有所影响,对特征点的相位无影响。
在实验中还发现,只要波导丝底部距离浮子4cm以上时,不论那种固定方式,对检测信号没有任何影响。虽然扭力波是向两端传播的,测量距离时一般只使用第一个回波,对于波导丝底端的反射回波并不使用。
5 波导丝中的剩磁现象对检测信号的影响及修正方法
波导丝是由磁性材料制成的,磁性材料在磁场中会被磁化,而磁致伸缩位移传感器的活动浮子内部是一块永磁铁。理论上讲,只要是浮子经过的地方,波导丝就可能被磁化,磁化处就存在一磁场,但是这个磁场和浮子产生的磁场相比是很弱的。先让浮子在波导丝上运动几次,然后拿掉浮子。重复做多次这样的实验,观测一下前后的变化情况。可以看到在磁浮子经过的地方确实存在磁化现象,被磁化的地方也会有磁致伸缩现象发生,只不过信号比较弱。曲线中剩磁的位置有着惊人的相似,说明剩磁一旦形成便不会因浮子多次运动而消失。在采用比较器检测实验中还发现波导丝的某些位置出现恒定的正误差(+6mm),而某些位置出现恒定的负误差(-5mm),有些地方误差却很小,几乎等于正实值。剩磁现象很好地解释了这些误差现象产生的原因。如果浮子的磁致伸缩信号与当前的剩磁现象产生的磁致伸缩信号在相位上相差180度,那么两个信号叠加将呈现最小值,这时将出现正误差。如果相位相同则呈现最大值,这时将出现负误差。在制作的磁致伸缩位移传感器中几乎所有的都出现恒定正负误差情况,通过大量的实验证实了这种误差是由剩磁现象产生的。这便要求必须解决掉剩磁想象,在浮子每运动到一个新位置时先进行消磁,只有这样才能解决传感器的恒定误差。应用中可以先去掉浮子或将浮子置于最顶端,然后采样信号,根据采样信号的判断波导丝中是否存在剩磁。
       通过对波导丝的不确定性种类对磁致伸缩位移传感器测量精度影响的分析总结,说明了要实现传感器的高精度,不仅要进行数字滤波,还必须配有必要的校正措施和补偿方法。


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