基于压电陶瓷的磁致伸缩位移传感器建模分析

基于压电陶瓷的磁致伸缩位移传感器建模分析
作者：余晓；周新志；代前国





       今年来，磁致伸缩位移传感器的研究是位移传感器领域较为新颖的研究方向，而随着新型磁致伸缩材料的研制和回波信号拾取技术的改进使得磁致伸缩位移传感器的应用场合越来越广，尤其是在有腐蚀、高温、易燃易爆等恶劣环境中。

        磁致伸缩位移传感器是对磁致伸缩材料在磁场中的魏德曼效应的应用。其中，扭转弹性波的品质和拾取方式是影响传感器性能的两个重要因素。由于该传感器是一个多学科、复杂的测距系统，目前仍无以压电陶瓷作拾音器是一个多学科、复杂的测距系统，目前仍无以压电陶瓷拾音器的磁致伸缩位移传感器系统进行建模与分析。根据磁场分布以及磁致伸缩效应分析了弹性波机理。同时根据材料力学和磁机耦合方程给出了弹性波的振动方程和信号传递模型。最终通过简化压电方程获得系统的电压输出模型。

1、磁致伸缩位移传感器原理

       磁致伸缩位移传感器主要由脉冲发生电路、探测杆、拾音器、信号处理电路等几部分组成，脉冲发生电路产生脉冲激励信号沿波导丝以光速传播，并在波导丝线体内外产生环向磁场，同时在永久磁铁附件存在着沿波导丝轴向的稳恒磁场。在两个相互垂直的磁场作用下，根据磁致伸缩效应，波导丝在正交处发生瞬间扭转形变，该扭转变动会以弹性扭转波的形式沿着波导丝向两端传播。这种扭转波本质上是一种超声波，根据波导丝材料的不同，速度大约在2800-3300m/s之间。当弹性扭转波被拾音器捕获后，经过信号处理对比可以获得扭转波传播时间，因此永久磁铁到拾音器的距离可由式算得。

       弹性扭转波信号的接收方式有很多，常用的是基于微辣利效应的感应线圈法。本实验中，传感器系统采用基于压电效应的信号拾取方法，将弹性扭转波转换成电压脉冲信号。压电转换模块使用杠杆结构，两片压电陶瓷放置时需保证极性方向相同，构成差分输出模式。该模块将波导丝扭转形变转换成压电陶瓷形变，根据压电效应，完成机电信号转换。

2、弹性波激励分析

        由于波导丝为磁致伸缩材料，在永久磁铁的磁场影响下，波导丝内部将产生感应磁场，同时改变永久磁铁分布。在该系统中，波导丝的长度远远大于其直径，并具有几何个向异性，即波导丝轴向上的磁感应强度远远大于其它方向。因此，径向和周向的磁场分布在讨论永久磁铁磁场对弹性波影响的时候可以忽略。

        试验中，选用两片相同的压电陶瓷头程压电转换模块。其中，压电陶瓷片与微质量杠杆片以及传感器支架等均为粘贴式结构，并作如下假设：

（1）压电转换模块各部分粘贴均视为零厚度的完美粘贴，不存在粘贴材料引起的“放电”。同时微质量杠杆片采用极小密度材料，在讨论力距时忽略其质量影响；

（2）构成差分电压输出的两片压电陶瓷具有相同参数；

（3）试验中使用的压电陶瓷片为薄片结构，外界对其轴向作用远大于径向，因此，压电陶瓷片可看作单轴受力。将压电陶瓷片视为理想弹性体，在轴向作用力下厚度方向发生极小伸缩形变。

       由电压输出式可知，系统输出主要磁场分布、检测距离、波导丝和压电陶瓷材料特性等影响。其中，磁场分布影响因素主要为永久磁铁和脉冲电流。

5、实验结果与分析

        以波导丝、压电陶瓷拾音器、电路单元为核心搭建了量程2m、精度20μm的磁致伸缩位移传感器实验平台。试验中使用频率为250kHz、宽度为28μs的脉冲激励电流。传感器系统结果输出与波导丝的魏德曼效应密不可分，而FeGa和FeNi均是良好的磁致伸缩材料。其中FeGa材料的磁致伸缩系统约为100ppm，FeNi材料约为30ppm。由上述实验结果可知，该传感器系统能良好的实现信号检测。实验结果显示，系统输出主要与磁场分布、检测距离、材料参数等相关。其中，磁场分布受永久磁铁和脉冲电流影响，输出结果随着距离增加存在二次函数衰减。实验结果和预期具有一致性，证明该系统模型的可行性。

6、结束语

       压电陶瓷拾音器是磁致伸缩位移传感器中回波信号接收的一种新方法，可以有效替换传统的感应线圈法。该系统设计材料、力学、电磁学等多学科，难以建立数学模型。本文根据弹性波的振动方程、磁机耦合关系、压电方程等推导出基于压电陶瓷拾音器的磁致伸缩位移传感器的系统模型。系统信号输出是关于位移的变量，受磁场强度、脉冲电流、材料特性等影响。通过搭建的传感器系统，验证了模型与实验结果具有一致性，对该系统的研究有积极意义。但是模型建立是在理想情况，忽略了阻尼效应、磁滞特性、温度特性、压电陶瓷的迟滞特性等，因此该模型有待进一步优化。





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