大量程磁致伸缩位移传感器的应力波衰减特性研究

大量程磁致伸缩位移传感器的应力波衰减特性研究
作者：王博文；谢新良；张露予；李亚芳；郑文栋；





    与传统的电阻式、电容式和电感式等位移传感器相比，基于磁致伸缩效应的位移传感器具有精度高、量程大和可靠性高等优点，可在并联机器人回零操作、机床位移控制、石油液位测量等领域广泛应用。本文提出一种新的应力波能量衰减系数的测试方法，搭建了磁致伸缩位移传感器实验测试平台，从理论与实验上分析了波导丝材料、线径、应力波频率和波导丝所受拉力对能量衰减的影响。

1、应力波能量衰减与衰减系数测试方法

1.1应力波能量衰减

     应力波在波导丝中由于扩散、散射和吸收等会产生能量衰减，其衰减系数与材料属性、声源频率、材料微观组织结构、所受应力大小和环境温度等密切相关。当应力波沿介质x方向传播，应力波的声压强度随传播距离x成指数衰减，应力波的能量衰减问题就归结为确定衰减系数的问题。

1.2衰减系数测试分析

在测试应力波衰减时常取两个位置处的声压强度值。假设波导丝内部性质完全一致，当激励脉冲电流相同时，永磁体在波导丝任意位置处产生的应力波声压强度相同, 经实验表明，采用移动永磁体的方法难于操作，测试衰减系数产生的误差较大，这是由于移动永磁体使波导丝材料的磁特性发生了不均匀的变化。针对应力波衰减系数测试时存在误差较大的问题，提出一种新的应力波能量衰减系数测试方法。在传感器结构基础上，去除波导丝右端的阻尼，当加载脉冲电流，在波导丝内产生的应力波分别向两端传播，其中向左传播的为回波，向右传播的为前进波。当激励条件及边界条件一致时，振动产生后向两个不同方向传播的应力波声压强度值相等，此时检测信号将出现两个电压峰值。其中第1个峰值电压是回波传播到检测线圈处产生的电压，第2个峰值电压是前进波在波导丝右端发生反射后传播到检测线圈处产生的电压。将应力波在反射后与反射前的声压比值定义为反射系数k, 当应力波的反射系数K、永磁体距波导丝右端的距离已知时，由实验可以确定el和ez进而可以确定衰减系数a。压波形。 由于前进波传播的距离远，且经过一次反射，因而第二次比第一次的幅值小，幅值的降低是由于传播的距离长和反射而引起的。

1.3 衰减系数测试平台搭建

磁致伸缩位移传感器实验平台主要由激励模块、检测模块、外壳保护模块等组成。 激励模块主要包括信号发生器、放大电路、波导丝 、永磁体和电源 等部分，利用TFG6920A型任意波形信号发生器和互补推挽式放大电路可快速调节脉冲信号的频率、幅值和脉宽。 根据前期研究, 激励脉冲电流的频率设定为200Hz、高电平24V、脉宽6µs;波导丝两端水平拉直，固定在内径为6mm的铁颌龙管内；永磁体是环形奻铁绷，内外径分别为14和20mm,厚6mm,安装在环形铝环内。检测模块主要由检测线圈和示波器等组成 ，检测线圈为线径0.06 mm的漆包铜线绕制而成，其匝数为600、3层排列、线圈长10mm、内径为4mm;采用DP03014型数字示波器采集信号，其最大采样周期 为2.5 GS/s, 示波器的通道l接在检测线圈两端，采集检测线圈两端的电压信号，通道2接在放大电路输出端，采集激励脉冲的幅值，示波器的采样周期设置为0.04µs, 采样点数10000。外壳保护模块主要由铁氪 龙管、不锈钢、支架等组成，其主要用来固定波导丝和减小电磁干扰。利用所建立的实验平台可以测试： I) Fe-Ga和Fe-Ni 波导丝的衰减系数；2)不同频率条件下的衰减系数；3)波导丝在不同应力作用下的衰减系数。
2、波导丝尺寸对衰减系数的影响

偏置磁场和激励磁场相等且都为4 kA/m时，波导丝两端不受任何作用力，应力波频率为54 kHz 时应力波衰减系数与波导丝线径的关系曲线。衰减系数随着波导丝线径的增大而增大，波导丝线径为0.4 mm 时应力波衰减系数为0.137 5 Np·m -i 0 波导丝线径对应力波衰减的影响是由于激励脉冲信号的 频率较高时电流存在趋肤效应，使波导丝表面处产生的 魏德曼效应较为显著，所以应力波能量的传播主要集中在波导丝的表面，波导丝线径的变化影响了波导丝的表面积，当线径增大时使传播介质的面积增大，继而可能增大应力波扩散和吸收产生的能量衰减，使应力波的衰减 系数增大。故在研制大量程磁致伸缩位移传感器时应适当选择线径较小的波导丝。

3、应力波频率对衰减系数的影响

保持偏置磁场强度不变，采用不同厚度的环形永磁体并调节脉冲电流的脉宽得到频率不同的应力波，利用傅里叶变换得到检测信号的频率信息。当线径为0.6mm 的Fe-Ga波导丝，在波导丝两端不受拉力作用下衰减系数随频率变化的关系曲线。当应力波频率为32 kHz时衰减系数为0.1107Np•m飞拟合曲线表明， 衰减系数随频率的增加单调增大。应力波频率对衰减系数的影响是由千应力波频率增大时导致粒子振动频率也增大，粒子振动频率的增大使应力波在传播过程中造成质点间内摩擦产生的能量损耗增大，继而导致应力波的衰减系数变大。故在研制大量程磁致伸缩位移传感器时为减小应力波在传播过程中产生的能量衰减可适当降低 应力波的频率。

4、波导丝所受应力对衰减系数的影响

当波导丝的线径很小时，不便在波导丝两端施加拉应力，故选用0.8mm 线径的Fe-Ga研究拉应力与衰减系数的关系。偏置磁场和激励磁场相等且都为4kA/m, 应力波频率为54kHz时衰减系数与波导丝两端所受应力的关系曲线表明，随着应力的增大，应力波的衰减系数先逐渐减小后逐渐趋于稳定，当波导丝所受应力为60MPa时，应力波衰减系数趋于稳定，此时为0.1241Np·m -i。波导丝所受应力对应力波衰减 的影响是由于波导丝在应力的作用使各粒子之间排列紧密，使传播介质中的颗粒界面中的悬浮粒子减小，悬浮粒子数量的减小可降低应力波的散射衰减。而当应力增大 到一定值后，大部分悬浮粒子已经排列的很紧密，所以应 力再增大时对介质中颗粒界面悬浮粒子的影响减小，故此时再增大应力，衰减系数不再一直减小。故在制作大量程磁致伸缩位移传感器时可在波导丝两端施加一定的应力作用。

5、磁致伸缩位移传感器的量程设计

当偏置磁场为4 kA/rn、激励磁场为6kA/rn、波导丝线径为0.4mm、波导丝两端施加60MPa拉应力、应力波频率为32kHz时，Fe-Ga和Fe-Ni输出的最大检测电压分别为90和40mV,根据应力波的指数衰减规律得到电压幅值与传播距离的关系曲线。如果检测信号的幅值大于5mV时能有效的将噪声信号与有效信号相区分，则在此激励条件下，由Fe-Ga波导丝制作的磁致伸缩位移传感器的最大量程可达29m, 而Fe-Ni的最大量程为15m, 故Fe-Ga更适合做大量程的波导丝材料。6、磁致伸缩位移传感器的样机制作与特性测试磁致伸缩位移传感器样机其主要包括 传感器头部、波导丝、永磁体、测量杆及阻尼装置等。传感器头部为正方体结构，内部放置脉冲驱动电路、检测线圈、信号处理电路、位移的换算及显示电路，其分别实现脉冲电流的产生，应力波的检测、信号的滤波及位移显示功能等。 Fe-Ga波导丝作为磁致伸缩位移传感器的核心部件，其主要用来实现应力波信号的产生及传播。 波导丝左端通过螺纹孔进入传感器头部，依次穿过检测线圈和阻尼；右端穿过阻尼装置并与返回导线相连，返回导线接回到硬件电路，形成闭合的回路。 永磁体在测量杆上移动，其主要提供一个恒定的轴向磁场，与脉冲电流产生的周向磁场共同作用产生应力波信号。 测量杆可保护波导丝、屏蔽外界电磁干扰、并充当被测位移与实测位移之间的转换作用。 阻尼装置主要是用于减小应力波的反射，提高检测信号的信噪比。磁致伸缩位移传感器的测量精度主要取决于检测信号的峰值电压，只要检测线圈能检测到由永磁体处产生的应力波信号，再根据应力波的传播速度即可得到位移信息。因此，对制作的磁致伸缩位移传感器样机进行了实验研究，测试了磁致伸缩位移传感器的检测电压信号。当偏置磁场为4kA/m, 波导丝两端激励脉冲电压为20V、脉宽为6µs、频率为200Hz, 永磁体在位移516mm 时检测线圈输出的电压波形可知，检测信号的峰值电压为86mV。与测得的检测信号相比，幅值约提高一倍，且检测波形的噪声明显降低，表明Fe-Ga波导丝应用到大量程磁致伸缩位移传感器是可行的。根据检测电压与传播距离的关系，在此激励条件下研制的Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的最大量程可达29m。大量程的磁致伸缩位移传感器在钢轨位移在线监测、机器人、超精密仪器等领域具有广泛的应用。特别是可应用在战机、空中加油机燃油测量、飞机、导弹和航天器的姿态控制、六自由度飞行模拟器系统等军事领域。因此，研制的大量程Fe-Ga磁致伸缩位移传感器具有重要的实际应用价值。

7、结论

对磁致伸缩位移传感器的应力波衰减特性进行了分析，并分别研究了波导丝材料、尺寸、应力波频率和波导丝所受拉力与衰减系数的关系，通过实验研究可得到如下结论：

I)提出了衰减系数测试方法，确定了衰减系数的表达式及其修正方法。

2)研究了Fe-Ga波导丝的线径、应力波频率和波导丝所受应力与衰减系数的关系，得到衰减系数随波导丝线径的增大而增大；衰减系数随频率的增大而增大；衰减系数随波导丝所受应力的增大先减小后趋于稳定。

3)为研制大量程磁致伸缩位移传感器，应综合考虑波导丝材料、线径、应力波频率和应力的作用。为减小应力波的衰减可选择线径为0.4mm的Fe-Ga波导丝、应力波频率32kHz、波导丝受60MPa应力。





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