磁致伸缩式扭转超声波位移传感器的研究与设计

磁致伸缩式扭转超声波位移传感器的研究与设计
作者：黄卉；肖定国；理华；郑军





        磁致伸缩式扭转超声波位移传感器是一种以扭转超声波作为传播媒质的磁致伸缩式传感器。这种位移传感器安装很简单、方便 ,能承受高温、高压和高振荡的环境。最重要的一点是它具有其他位移传感器所不能达到的测量大位移、高精度的特点。该传感器已在国外如石油、化工、纺织、轻工、冶金、电力、医药、食品、国防等部门 ,特别是已广泛用于易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的场合得到了广泛的应用 ,但在国内设计和应用都比较少。参考国外技术的先进经验 ,研究磁致伸缩扭转超声波的产生机制及应用原理 ,设计和研制成一套达到一定精度要求的位移测量装置。

2、磁致伸缩扭转波位移传感器工作原理

       磁致伸缩扭转波位移传感器是利用磁致伸缩扭转效应进行工作的。磁致伸缩是指 ,当铁磁材料置于磁场中时 ,它的几何尺寸会发生变化的现象。相反 ,极化了的铁磁棒发生形变时 ,会在棒内引起磁场强度的变化 ,这种效应就是磁致伸缩逆效应。通常利用磁致伸缩效应引发磁致伸缩材料的机械振动 ,向周围介质发射超声波 ,利用逆效应通过接收线圈就可接收该超声信号。在磁致伸缩材料中激发扭转波有 3 种模式 : Scarrott - Naylor 模式转换、Wiedeman 效应和 Fowler效应。Scarrott - Naylor 效应是利用波形之间的转换达到目的 ,如纵波型向扭转型的转换 ; Fowler 效应是通过沿轴向扭转极化了磁致伸缩丝产生扭转波。通常 ,磁致伸缩换能器通过 Wiedeman 效应产生扭转波。其机理是 ,如果在圆柱形磁致伸缩材料中 ,既有沿长度方向即圆柱轴方向的磁感应强度 ,又有绕轴的圆形磁场 ,那么合成的磁感应强度将是螺旋形的 ,而沿螺旋形的伸缩会激发扭转波。

       基于 Wiedeman 效应 ,磁致伸缩扭转波位移传感器的工作原理就是使两个不同磁场相交产生磁致伸缩扭转效应 ,发射扭转波 ,再利用磁致伸缩逆效应接收该信号。计算这个信号被探测所需的时间 ,便能换算出准确地位置。

       两个磁场一个来自传感器外面的活动磁铁 ,另一个则源自传感器内波导丝中的电流脉冲。电流脉冲是传感器的固有电子部件产生的 ,使磁致伸缩丝周围产生一个磁场。这个磁场与活动的磁性元件磁场矢量相加形成一个螺旋形磁场 ,从而使波导管发生扭曲并产生的一个应变脉冲。这个脉冲会以声速运行回电子部件的感测线圈。从产生电流脉冲的一刻到测回应变脉冲所需的时间乘以固定声速 ,便能准确地算出磁铁位置的变动。这是活动磁铁的位置变化。这个过程是连续不断的 ,所以每当活动磁铁被移动时 ,新的位置很快就会被感测出来。当然 ,由于传感元件都是非接触的 ,就算感测过程是不断重复的 ,也不会对传感器造成任何磨损。

       磁致伸缩扭转波位移传感器的位置计算环节非常简单 ,将所测量的时差乘以磁致伸缩丝上扭转波的传播速度。位置 = 时差 ×扭转波传播速度 - 零点位置(零点位置为零区与死区之和)由于 磁 致 伸 缩 材 料 采 用 圆 形 截 面 丝 , 根 据Pochhammer 的三维弹性理论 ,扭转波在圆截面杆中的传播形式是关于圆柱中心轴对称的 ,其扭转波速ct = ( G/ρ) 1/ 2式中 : G 为磁致伸缩材料的切变模量;ρ为磁致伸缩材料的密度值。

       传感器的更新频率对伺服控制机械的应用非常重要。因为磁铁距离传感器的电子零件越远 ,音波所需行走时间越长 ,所以传感器的更新时间与距离成正比。另外 ,循环电子所需更新时间也比一般的长。传感器最长更新时间可用下式作粗略计算 :更新时间 = (位置 + 零点位置) / 扭转波传播速度等价频率 = 1/ 更新时间

3、磁致伸缩位移传感器的结构设计

       该位移传感器由两部分组成 :一部分是套有活动磁铁的测量杆 ;另一部分是位于测量杆上端的测量电路。传感器的机械结构设计包括测量杆与活动磁铁的结构设计 ,传感器壳体的设计以及壳体与测量杆的联结。

       如果位移传感器用作液位计 ,测量杆应选用防腐材料制成 ,如被测介质为强腐蚀物料时 ,还可在测量杆外套上保护套。测量杆外保护套的材料可依据需要选择 ,常用的有 Teflon 及哈氏合金等。在测量杆内有一根磁致伸缩材料制成的波导丝 ,其温度稳定性极佳。因为要让波导丝通电 ,以产生磁场 ,所以所选材料应具导电性。活动磁铁外包有薄的铁皮外壳。磁铁外壳与测量杆间应有一定间隙以保证磁铁的活动。传感器壳体内部装有电子元件 ,如线圈、压板、硬件电路等。传感器壳体可用铸铝铸造而成。表面涂锈并涂漆 ,以防腐蚀。壳体与测量杆可通过管连接件联接。由于焊接具有强度高、容易保证紧密性、工艺简单、操作简便、重量轻等优点 ,而该传感器具有非接触测量、磨损小、寿命长的特点 ,所以测量杆与管连接件之间可选用不可拆的焊接来联接。壳体与管连接件之间用螺纹联接 ,便于电子传感器的拆卸、维修与更换。

4、磁致伸缩位移传感器的测量电路的设计

       时差的测量是计算位置精度的关键。计时功能的实现是要保证在询问脉冲开始时计时 ,而在接收到回波信号后停止计时。电子技术及计算机技术的发展为精确测时提供了大量高性能、小体积的器件和众多算法 ,利用现代计算机技术及电子技术 ,可对脉冲声波的传播时间进行精确测量。通常采用数字电路容易达到低噪音和高精度的特点。电子电路由外置控制器提供触发信号 ,传感器电子接收电路产生一个开始和停止信号 ,周期正好与活动磁铁位置成正比。或是采用脉宽调制的方法 ,调制后的脉宽与磁铁位置成正比。

       磁致伸缩位移传感器电路部分的设计包括脉冲激发电路 ,信号放大电路 ,过零检测电路 ,计时电路以及A/ D 转换电路。脉冲激发电路由 TTL 非门组成振荡器或由微处理器编程产生周期性窄脉冲矩形波 ,控制 MOS 场效应晶体管向传感器线圈提供脉冲电流 ,使线圈产生的脉冲磁场与磁致伸缩敏感元件的恒定磁场相互作用在传感器的磁致伸缩敏感元件中激发扭转超声脉冲 ,电路产生的周期性窄脉冲矩形波的周期应大于超声脉冲在试样中的传播时间。

       放大电路为电压放大器 ,采用集成运算放大器构成 ,由于线圈拾取回波信号的感应电动势较大 ,所以采用两级放大即可。放大后的信号送入过零检测电路 ,检测出回波脉冲的到达时刻 ,控制计数电路记录触发脉冲和回波脉冲的时间间隔。过零检测电路的输出对 D 触发器进行控制 ,以产生计数门控信号。计数脉冲由精密石英晶体振荡电路产生 ,计数脉冲信号和门控信号进行“逻辑与”运算后输入计数器对两脉冲的时间间隔进行计数。计数脉冲频率越高 ,声时测量的分辨率越高。通过 TLC2543对 5 路液位进行采集。由于在工业现场的环境比较恶劣 ,干扰源多 ,为了减少对采样值的干扰 ,提高采样信号的可靠性 ,采用数字滤波。为防止噪声对检测信号的影响 ,这里采用展宽频带的信号处理方法。具体方法如下 :延长 A/ D 转换结束后的等待时间 ,使相邻两个采样点之间的时间间隔足够长 (如一个信号周期的1/ 4) 。可保证在信号的一个周期内 ,采样点不至于太多而很快占满内存 ,使有限的存储器空间容纳尽可能多的被测信号周期 ,以实现多点平均的目的。采用软件控制采样点选择的方式 ,每隔一定间隔取一个样点。设在信号的一个周期内每隔 n1 个采样点数采样一次 ,共采了 n2 个样点 ,则信号的频率为f = 1/ ( n1 n2Δt)A/ D 转换电路对线圈接收的回波信号进行模/ 数转换。A/ D 转换器的最高采样频率和转换位数对测时准确性和测量范围有影响 ,因此应根据回波脉冲频率 ,和每一脉冲波形的采样点数选择不同频率和位数的 A/ D 转换器。由于回波脉冲的频率一般在 500 kHz以下 ,考虑每一脉冲波形的采样点数不少于 10 个并保证较高的幅值分辨力 ,选用采样频率为 5 MHz 的 12位 A/ D 转换器。

       因为电流抗干扰能力强 ,适于远距离传输 ,是过程控制常用的输出方式。所以可选用电压/ 电流转换接口电路芯片保证电流的输出。

5、磁致伸缩位移传感器性能

       磁致伸缩位移传感器的精度极高。国外制造的同类产品 ,其重复性和分辨率最高可达到 2μm ,非线性误差最高为 0102 %F1S1 ,其迟滞误差小于 4μm. 本设计采用 12 MHz 时钟 ,经分频后 ,对 5 m 的量程范围 ,其分辨率达 0105 mm.

       由于电子部件可探测由同一触发脉冲所产生的连续回波信号 ,所以在同一传感器上可装配多个活动磁铁以检测不同位置或不同参数。这样做省去了采用多个传感器所造成的成本浪费。

       传感器所需电量非常低 ,适于在易燃易爆的环境下使用。同时 ,由于磁致伸缩材料具有耐高温高压的特点 ,再配以能承受高压的外管保护 ,该传感器也能用于高温高压以及核辐射等恶劣环境下。即使被检测对象的温度高于传感器的额定温度时 ,可以使用一根长的细金属丝作为波导管 ,将声波或其他信号传到距离被测对象比较远、传感器能可靠工作的固定位置。

6、结束语

磁致伸缩测位技术在国外已获得了广泛的应用 ,并已形成技术垄断。但在国内 ,对于磁致伸缩理论的研究就非常少 ,而对磁致伸缩技术的应用也未得到足够的重视。介绍的磁致伸缩扭转波位移传感器性能优越 ,性价比合理 ,应该得到国内广泛的应用 ,并形成对磁致伸缩原理及技术的广泛关注。







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