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Fe-Ga 波导丝的磁致伸缩位移传感器结构设计

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2023-02-17 14:32

  

Fe-Ga 波导丝的磁致伸缩位移传感器结构设计
作者:王博文;谢新良;张露予;李佳泽





        超精密仪器的研究用一直是工业、军事、船舶等领域的热点问题,磁致伸缩位移传感器以其超精密性、非接触性、高可靠性等优点而广泛应用于超精密测量和监测等领域。目前,研究的主要热点集中在不同导波材料的魏德曼效应强弱对比、大量程位移传感器中应力波信号的衰减、检测信号的理论计算、驱动电路和信号检测装置等硬件电路的设计 、回波信号的数值分析与处理方法等。
        为减小剩磁和脉冲电流对位移测量的影响,对检测电压信号的影响因素进行了分析,提出了一阵新的MDS结构,对新结构传感器降低剩磁和脉冲电流对检测信号的影响进行了分析。制作了MDS样机,并与传统结构传感器的线性度、重复性和迟滞性进行了对比。
1、传感器的原理及结构改进方案
1.1磁致伸缩位移传感器原理
       传统MDS的结构其主要由波导丝、永磁体、外部驱动模块、信号采集及处理模块、阻尼等组成。MDS的测量原理是利用波导丝材料的魏德曼效应在永磁体处发一个应力波信号,当应力波传播到检测线圈处时在磁致伸缩逆效应的作用下磁感应强度发生变化,此时检测线圈产生电压信号,根据法拉第电磁感应定律,可计算出感应电压。通过检测线圈采集到的电压信号判断出应力波从永磁体传播到监测线圈之间的时间,根据应力波在波导丝内传播的速度即可得到永磁铁的位移信息。
1.2检测信号的分析
       传统MDS的检测线圈输出的电压信号主要由两部分组成:1)有效电压信号e1,即偏置磁场区域发生魏德曼效应激发的应力波传播到检测线圈处时产出的电压;2)噪声电压信号△e,永磁铁在波导丝上来回移动,在波导丝内产生剩磁,脉冲电流产生的周向激励磁场与剩磁发生魏德曼效应产生应力波,此应力波传播到检测线圈处时,产生电压e2,监测线圈覆盖部分的波导丝流通过脉冲电流,电流产生的磁场在监测线圈中产生的感应电压e3;检测信号在传输过程中收到环境影响而产生的传输噪声信号等。
       激励磁场较小时,魏德曼效应不显著,输出电压较小,随着激励磁场增加,魏德曼效应显著增强,输出的电压随激励磁场的增加而逐渐趋于饱和。激励磁场较大时,输出的电压大小主要由偏置磁场或剩余磁场决定;激励磁场较小时,输出的电压大小主要由激励磁场决定。剩余磁场越大,饱和激励磁场越大,其输出的电压越大。偏执磁场和激励磁场相等或接近且螺旋磁场较大时,可以获得较大的输出电压。当激励磁场与偏置磁场为3KA/m时,偏置磁场产生的电压约53mV,此时由0.25KA/m的剩磁产生的电压达7mV,所以剩磁对输出电压信号影响较大。
       脉冲电流产生的噪声电压与电流对时间的导数成正比,所以当脉冲电流的变化率较大时将影响到有效信号的提取。
1.3位移传感器的新结构
        MDS在工作时,将待测的位移量转换成时间量。当环境温度与常温相差不大时可认为应力波在波导丝中的传播速度v为常数,此时待测位移与应力波在永磁铁与检测线圈传播的时间t成正比,即L=vt,只需利用监测安全输出的电压信号来确定应力波从永磁铁传播到检测线圈的时间,所以检测线圈输出的电压信号直接影响到应力波传播的时间,故提高MDS的精度,需减小噪声信号△e,根据上述分析,为降低噪声信号△e。提高信噪比,需减小剩磁产生的电压e2和脉冲电流产生的电压e3.由Fe-Ga材料自身的磁特性,永磁体在Fe-Ga波导丝上移动,必然会产生剩磁,所以新结构MDS中将永磁体固定在波导丝头部,位置线圈在波导丝上移动起位移改变作用,故谓之线圈输出的电压信号中没有剩磁影响下产生的噪声电压e2.当脉冲电流不流过线圈覆盖部分的波导丝时,才能减小脉冲电流对输出电压信号的影响,新结构MDS中将脉冲电流输出端移至永磁体右端口处,此时脉冲电流只流过永磁体覆盖部分的波导丝,减小脉冲电流产生的噪声电压 e3。在波导丝尾部增加一个校正线圈以实现回波速度的校正。
       新结构的MDS将待测位移量用位置线圈与永磁铁之间的位移等效替代,位置线圈在波导丝上移动起到改变位移的作用,永磁铁固定在MDS头部,当施加激励脉冲电流时,脉冲电流只留经波导丝首端的一小部分,激发的应力波沿着波导丝传播到检测线圈位置处时被检测线圈感应到,将姜策信号传输到信号处理电路进行滤波处理和时间定位,确定应力波从永磁体传播到位置线圈所用的时间。由应力波传播的时间和应力波在波导丝内的传播速度即得到位置线圈与永磁铁的位移。MDS是将位移量转换成时间量的测量,位移与时间成正比关系,且其比例系数为应力波的传播速度v,材料的剪切模量和密度都受环境温度的影响,要使MDS在不同环境下具有高可靠性和测量精度,须在测量时对应力波的传播速度进行校正。永磁铁固定在波导丝头部,校正线圈固定在波导丝尾部,利用长度测量工具测的两者之间的位移Ld,由校正线圈输出的电压信号可得到应力波在永磁体与校正线圈之间的传播时间,计算知时应力波的传播速度对测量结果么有影响。
磁致伸缩位移传感器
2、 传感器试验平台搭建及实验结果分析
2.1传感器实验平台搭建
       通过调节电子调节波导丝两端的驱动电压,进而改变买产电流的大小,TFG6920A型任意函数信号发生器的输出端接在放大电路的信号输出端,脉冲信号的频率、宽度和幅值分别设定为1000Hz,7μs和5V,放大电路的输出端接在波导丝两端;线圈的两端接在DP03014型示波器的信号输入端,示波器采用两通道,通道1采集监测线圈输出的电压信号,通道2采集驱动回路的电压信号,用于显示波导丝两端的电压大小;Fe-Ga波导丝固定在铁氟龙塑料管内,使其两端固定且保证无弯曲;永磁体安装在内外径分别为15mm 和20mm 的环状结构圆柱内;橡胶阻尼安装在波导丝两端。
2.2结构改进前后的输出电压对比当轴丝最左端为5mm时(此时环形永磁体刚好全部覆盖波导丝)输出的电压峰值最大达到80mV,这是因为此时在左端的反射波恰好与向x轴正方向传播的应力波叠加,应力波振幅达到最大。当位移继续增加时,输出的电压峰值逐渐降低,当反射波与向x轴正方向传播的应力波彼此完全分开时,输出的最大峰值区域稳定。
2.4结构改进前后的性能对比实验
       为获得结构改进前后传感器的各项性能指标如线性度、重复性和迟滞性,对传感器进行实验。传统结构转给你,在量程范围内,按同一方向移动永磁体连续做30次测试实验,对于新结构,按同一方向移动位置线圈连续做30次测试实验,由于波导丝长500mm,检测电压波形有一定的宽度且受反射波的影响,当传统结构的永磁铁或者新型结构的检测线圈位于波导丝末端时,监测电压波形在反射波的影响下会产生畸变,故其最大量程只能达到400mm。由实验测定应力波在波导丝中的传播速度为2774m/s,此时满量程输出为144.1961μs。
1)线性度表征了传感器输入输出拟合曲线与校准直线的最大偏差与传感器满量程输出之比,根据实验数据和校准曲线,传统结构的最大非线性误差为0.057%,新结构的最大非线性误差为0.018%,线性度显著提高。
2)重复性指在相同的测量环境、测量仪器及在段时间内的重复按同一方向作全量程连续多次测试时所得输入输出特性曲线不重合的程度。重复性误差取正反行程偏差中较大者与满量程输出的百分比,按同一方向作全量程重复实验30次,根据实验数据,得传统结构重复性为0.048%,结构改进后的重复性为0.017%,故重复性显著提高。
3)迟滞是指传感器在正反行程期间输入和输出特性曲线补充和的程度,当输入信号相等时,传感器正反行程输出信号大小不相等。根据实验数据,得传统结构迟滞为0.064%,结构改进后的迟滞为0.023%,故结构改进后传感器的迟滞性显著减小。
3、结论
1)移动线圈式新型MDS结构将永磁体暗账在波导丝最左端,应力波和反射波相互叠加,使得应力波振幅增大,架构改进后输出的最大峰值电压由52mV增加到80mV。
2)结构改进后输出的电压信号受脉冲电流和剩磁的影响显著减小,通过实验得到结构改进后的电压信号的信噪比由13.4dB提高到25.2dB。
3)对比了传感器结构改进前后的性能指标,证明了新结构能有效改善传感器的线性度、重复性和迟滞性,且新结构能通过校正线圈实现回波速度的实时校正,提高了传感器的抗干扰力。







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