基于无阻尼扭转波干涉的磁致伸缩位移传感器

基于无阻尼扭转波干涉的磁致伸缩位移传感器
作者：王博文；谢新良；张露予；崔晓静；





       磁致伸缩位移传感器具有测量精度高、安装简易、非接触性、抗干扰能力强等优点，因而在机械自动化工厂、钢轨纵向位移在线监测和并联急切人回零操作等领域的应用越来月光。研究人员分别从传感器输出电压模型、弹性波模型、波导丝材料、检测信号的影响因素、传感器的结构以及信号的分析与处理等方面做了诸多研究，但由于阻尼无法完全吸收扭转波，扭转波的反射应县关检测信号的信噪比，进而影响传感器精度。基于此，本文提出一种基于无阻尼扭转波干涉的位移测量方法，即通过取出波导丝两端的阻尼，使扭转波发生无阻尼反射，并调整驱动脉冲电流的频率，实现扭转波与反射波发生干涉，磁致伸缩位移传感器能实现位移测量的本质是将位移量转换为时间量，故扭转波的时间定为直接影响传感器的精度，为此，本文提出一种动态双侧阈值法的时间定位。

1、传感器的原理及测量方法

1.1传统测量方法及原理

       磁致伸缩位移传感器的工作原理是基于磁致伸缩材料的魏德曼效应和磁致伸缩逆效应。当传感器工作时，由传感器硬件电路模块产生的脉冲电流沿波导丝传播，当脉冲电流流经光标磁铁处的波导丝时，脉冲电流产生的周向磁场与光标磁铁产生的轴向磁场合成一个螺旋磁场。基于磁性材料的魏德曼效应，波导丝发生局部瞬时形变并产生扭转波，扭转波发生后分别以一定的速度向相反的两个方向传播，扭转波传播到检测线圈覆盖部分的波导四处，有磁致伸缩逆效应，波导丝内的磁感应强度发生变化，此时监测线圈两端产生感应电压。

       磁致伸缩位移传感器的测量方法是将被测位移量以光标磁铁与检测线圈的位移S等效代替，然后再将位移量转换为扭转波船舶的时间ts，其中L为波导丝长度，电流的速度远大于扭转波的速度，认为脉冲电流与扭转波的产生是同一时刻，所以ts为感应信号eLi（扭转波产生后向左传播到监测线圈时产生的电压信号）与脉冲电流的时间间隔，t2l-s为感应信号er1（扭转波产生后向右传播，并在右端发生反射后传播到检测线圈时产生的电压信号）与脉冲电流的时间间隔，故位移s的计算表达式如式（1）所示，其中v为扭转波在波导丝中的传播速度。

       根据以上分析可知，检测信号中只有el1为有效信号，其余由于阻尼未完全吸收扭转波而发生发射产生的电压信号都认为是噪声信号，故检测信号的信噪比低，提高脉冲电流的幅值可增大有效信号el1，但与此同时由反射波产生的噪声信号也增大，故增加脉冲电流幅值无法提高信号的信噪比。

1.2基于扭转波干涉的测量方法

       为增大有效信号幅值，提高信号的信噪比，结构基础上去除波导丝两端的阻尼，并将光标磁铁距离波导丝右端的位移S作为被测位移的等效位移量，假设扭转波产生的时间为零时刻，当传播到检测线圈处产生的电压分别为el1和el2，传播的时间分别为tl-s和t3l-s；当传播到监测线圈处产生的电压分别为er1和er2，传播的时间分别为tl+s和t3l+s。忽略材料的响应速度和噪声变化，经过t2l时间，两个不同方向的扭转波都经历两次反射，反射相位损失相同，所以两个不同方向的波传播到初始位置时相位相同，此时在波导丝两端加载下一个驱动脉冲电流，则上一个脉冲产生的扭转波与此脉冲产生的扭转波叠加发生相长干涉现象，并使扭转波振幅增大，进而增大检测线圈输出的信号。

       基于扭转波干涉的测量方法其优点在于：①监测线圈输出的电压幅值增大，有利于信号峰值的检测；②传统测量方法的有效信号el1，由反射波产生的电压信号为噪声信号，而新测量方法的有效型号为esl和ensr。故其信噪比明显提高；③当传感器采样频率一定时，根据式（1）得传统各测量方法的位移分辨力△s=v*△t，根据式（2）得新测量方法的位移分辨力△s=v/2*△t，所以位移分辨力提高1倍；④监测线圈有一定的集合尺寸，所以传统测量方法需要位移标定，新测量方法改变测量对象，检测线圈的几何尺寸对测量结果没有影响，故其不需要位移标定。

2、动态双侧阈值法的时间定位

       当检测线圈和永磁体确定，检测线圈输出电压信号的波形也就确定了，检测线圈输出电压信号的波形也就确定了，所以要想提高传感器的测量精度，需增大平均斜率，故本文提出动态双侧阈值法。动态阈值是在峰值附近找到斜率最大的一个电压作为双侧阈值电压，阈值需满足两个条件：①阈值电压必须在对称电压的区域内；②斜率最大。此方法的优点在于精度高和稳定性好，在检测信号相同干扰噪声情况下，可以较准确的进行时间定位，还可以补偿由于扭转波衰减引起幅值降低带来的误差，但此方法仅适用于对称型的检测信号。

3、实验结果及分析

       实验产生脉冲信号的驱动装置为TFC6920A型信号发生器及放大电路；采用DP03014型的四通道示波器采集和显示电压信号，采样周期设置为4ns，采样点数为100000点；波导丝为长500mm，直径0.5mm的Fe-Ga材料；检测线圈用线径为0.06mm的漆包线绕制3层，线圈长12mm，匝数600匝，内径4mm；波导丝固定在铁氟龙塑料管内，在套入316L不锈钢内，阻尼安装在波导丝两端；永磁材料为钕铁硼，安装在环形的铝环内，可实现位移的改变；检测线圈固定在波导丝左端，根据之前的分析，为实现扭转波的干涉，脉冲电流的周期为tsl，实验室测得扭转波的波速为2774m/s，所以设置脉冲电流频率为2774Hz。

3.1检测信号的数字分析

       考虑加载驱动脉冲电流时Fe-Ga材料产生扭转波的响应速度、扭转波在传播过程中收到材料的噪声变化和反射波相位损失的影响，要使前后两次激励引发扭转波发生相长干涉，则需要对脉冲电流的频率进行准确的设置。当考虑材料的响应速度、噪声变化和反射相位损失时，利用信号发生器调整激励脉冲电流的频率能实现前后两次激励引发的扭转波同相位的条件，当脉冲电流的频率与发生相长干涉时的频率相差约60Hz时，监测线圈输出的电压发生畸变，并且电压幅值较发生相长干涉时严重降低。

       测得传统测量方法监测电压的波形和扭转波干涉时监测电压的波形，传统测量方法的检测电压中反射波和杂波含量较多，监测电压的幅值约42mV，扭转波干涉法获得的扭转波和反射波的检测电压幅值达65mV，由于实验中得到的Fe-Ga材料长度较短，扭转波在船舶过程中的衰减主要集中在扭转波的反射衰减，当扭转波在手段和末端产生的衰减与激励时产生的振幅相同时，扭转波干涉振幅达到最大，与此扭转波与反射波产生稳定的干涉，即振幅不再增加，此时监测线圈输出的扭转波及其反射波的电压幅值基本相等。

3.2动态双侧阈值法的时间定位

       将采集到的电压信号经过滤波处理，然后进行阈值比较或峰值查询，对扭转波额传播时间进行定位。阈值法中阈值大小的确定较为主管，而且将阈值设置较大并接近峰值时，阈值法也就是峰值法，所以本实验主要对比峰值法与动态双侧阈值法。

       由动态双侧阈值法中阈值需满足的两个条件，对价测信号进行求导分析，确定双侧阈值电压为12mV时斜率最大，将示波器采集到的数据传输到电脑，对信号进行数字滤波后分别得到峰值法定位的时间和动态双侧阈值法定位的时间，将定位的时间乘上扭转波速度即得位移，通过两种方法所得位移误差曲线可见：峰值法最大绝对误差为51μm，但其最大相对误差出现在70mm处，此时为0.064%；动态双侧阈值法最大绝对误差为23μm，其最大相对误差出线在70mm处，此时为0.029%，所以动态双侧阈值法的时间定位比峰值法被动幅度较小且精度提高了约1倍。

3.3位移测量实验及误差分析

       利用反射波所得的位移与时间的关系曲线图可以看出，数据点落在理论直线上，采用最小二乘法对数据点进行数据拟合得到拟合输出直线，拟合直线与理论直线近似重合，所以新测量方法能避免传统测量方法需要位移标定的问题。

4、结束语

       在传统磁致伸缩位移传感器结构的基础上，通过取出波导丝两端的阻尼，调整脉冲频率，是的扭转波之间发生干涉，制作了Fe-Ga磁致伸缩位移传感器样机，通过实验验证了此方法将监测电压的幅值由42mV提高到了65mV，信噪比由11.6dB提高到22.5dB，位移分辨率提高1倍，在传统时间定位方法基础上，提出一种动态双侧阈值法的时间定位方法，给出其使用的条件和阈值选取的方法，通过理论推导出此方法所能提高测量精度表达式，实验验证了传感器的测量精度提高了约1倍，本研究工作时磁致伸缩我恶意传感器的研究和生产具有一定的积极作用。






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