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考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2023-02-17 14:00

  

考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计
作者:
谢新良;王博文;张露予;李佳泽;





       磁致伸缩位移传感器因精度高、安装简易、可靠程度高、非接触性能实现多参数测量等优点,广泛应用于自动化工厂、超精密仪器、航天等领域,得到国内外众多科研人员的关注。基于Jiles-Atherton(J-A)模型、魏德曼效应和压磁效应,建立了考虑磁致影响的磁致伸缩位移传感器和输出电压模型.并针对磁致伸缩材料在磁化过程中的磁滞效应给位移测量带来位移迟滞的问题,提出一种新的磁致伸缩位移传感器结构,并对其进行实验研究.实验表明:新结构的传感器不仅可以消除磁滞效应产生的位移迟滞,而且可以在很大程度上减小剩磁和激励电流波动对位移测最带来的不利影响,提高检测信号的信噪比,改善了传感器线性度、重复性、迟滞性和精度。
1、传感器的输出电压模型及结构改进方案
1.1考虑磁滞影响的传感器输出电压
       传统磁致伸缩位移传感器主要由检测线圈、永磁体、波导丝、信号处理单元、阻尼、调节电阻、电源、信号发生器及放大电路等组成.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脉冲电流在波导丝 中传播产生周向激励磁场,与永磁体产生的轴向偏置磁场合成 一 个螺旋磁场 ,根据磁致伸缩材料的魏德曼效应 ,此时波导丝内磁畴发生局部偏转继而产生应力波.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,波导丝内机械应力的改变将导致磁感应强度发生变化, 根据法拉第电磁感应定律知,此时检测线圈两端产生感应电压.
1. 2 位移迟滞产生的原因及结构改进
       根据 F e- G a 磁致伸缩材料的物理性质 ,在磁化过程中,外加磁场退回到零时其磁感应强度并不为零,此时波导丝内产生剩磁B,, 当原外加磁场在相反方向加上一 定大小的磁场才能使磁感应强度退 回到零 ,该磁场称为矫顽力且,N和N,表示为永磁体的北极,S和S 表示为永磁体的南极.其中B曲线为初始磁化曲线,o和x曲线为第一 象限的磁滞 回线、在初始磁化状态下,永磁体产生的轴向偏置磁场对波导丝进行磁化时,波导丝内的磁感应强度如曲线r,此时波导丝中心位置b处的磁感应强度最大,两边的磁感应强度关于中心位置b对称且略有下降.当永磁体向左移动时,假设位置a、 b 、e 分别移动到 a,、b , 、C l 处 ,由于 F e- G a 材料 的磁滞 效应 ,此时 a,处的磁感应强度增加到A点,bl 处 的磁感应强度 由 D点增加到B点, c , 处的磁感应强度由B点下降到C点,所以此时 a l 和 C l 处 的磁感应强度不相等 ,此时波导丝内的磁感应强度分布如曲线f 2 所示.波导丝 内磁感应强度分布的变化 直接影响到输出的电压信号,所以由千 F e- G a 材料 自身 的磁滞效应会在测量过 程中产生位移迟滞现象.当永磁体向右移动时其磁感应强度变化刚好相反.
       传感器能实现某一段位移l的测量,本质上是将位移星转换成时间蜇 . 当外界温度变化较小时可以认为回波速度v(应力波在波导丝中的传播速度)为常数,只需测擞应力波从永磁体传播到检测线圈的时间t. 而输出的电压信号直接影响到时间t的判定,所以提高传感器的精度,需减小磁滞的影响。
磁滞是铁磁材料反复磁化过程中,磁感应强度变化滞后千磁场强度的现象,所以要消除磁滞产生的位移迟滞,需使波导丝不被反复磁化.永磁体固定在波导丝头部,位置线圈在永磁体与校正线圈之间移动,校正线圈安装在波导丝尾部,脉冲电流的输出端移动到永磁体右端口处 . 新结构 中永磁铁 固定在波导丝 的头部 ,仅作为轴向偏置磁场使用,其不再反复磁化波导丝,所以可以消除由磁致伸缩材料的磁滞效应带来的位移迟滞;位置线圈在波导丝上移动,以实现位移改变的作用;校正线圈固定在波导丝尾部,以实现回波速度的校正;脉冲电流的输入端不变,输出端移至永磁体右端口处,脉冲电流的回路电阻大幅度减小,当回路需要同样大小电流时,电源所需提供的电压减小,可达到节能的目的 .
      根据上述的分析,新结构还能减小剩磁和脉冲电流波动产生的影响.由于Fe-Ga材料自身的磁特性,永磁体在波导上移动,必然会产生剩磁问题,新结构中位置线圈代替永磁体起位移改变作用,所以波导丝内不会产生轴向剩磁;新结构中将脉冲电流输出端移至永磁体右端口处,此时脉冲电流仅流过永磁体覆盖部分的波导丝,所以新结构能减小脉冲电流对输出电压信号的影响磁致伸缩位移传感器的测鼠是将位移量转换为时间量,位移与时间的对应关系是线性的且其比例系数为回波速度v(v=/G, 石,其中G为波导丝的剪切模量;p为波导丝的密度) . 波导丝 一 旦确定 ,其剪切模量和密度也就确定了,但是波导丝的剪切模量和密度都受到环境温度的影响,在分辨率和精度要求不高或环境温度与常温相差不大的情况下,可认为回波速度是恒定的,但位移传感器分辨率和精确度要求高或环境温度与常温相差较大的情况下则需对应力波的回波速度进行修正 . 新结构的传感器其永磁体 固定在波导丝头部,校正线圈固定在波导丝尾部,故可测量出两者之间的位移l,'由校正线圈输出的检测信号可得到应力波在永磁体与校正线圈之间的传播时间,可实现回波速度的实时校正.
2 实验结果与分析
       本实验采用的波导丝材料是Fe-Ga. 稳压电源为信号处理电路提供稳定电压,可调电源用来调节激励脉冲的幅值.采用TFG6920A函数任意波形发生器及放大电路产生脉冲电流.采用DP03014型四通道示波采集和显示电压信号 . 将波导丝固定在铁氝龙塑料管内,波导丝两端用螺丝固定在传感器两端(保证波导丝尤弯曲)。 永磁体为钦铁绷磁环 ,其 内径和外径分别为15 mm和20mm. 阻尼器安装在波导丝两端 . 检测线圈采用线径0. 06mm的细铜导线绕制而成,其匝数为600匝,绕制层数3层.信号发生器产生的脉冲电流频率设定为l000Hz、宽度7,s 、高电平 20 V. 示波器最高采样频率为2.5xl0 s - 1, 采用两通道,通道1采集检测线圈输出的电压信号,通道2采集回路的电压信号,示波器的采样周期设定为0. 04 ,s ,采样点数10000点.
2.1传感器输出电压的数值计算
       当激励磁场较小时,输出的电压较小,但较小的激励磁场增加会产生较大的电压增加;当激励磁场与外加磁场接近时,输出电压接近饱和,此时输出电压随激励磁场的增加变化较小.可见实验结果与计算结果基本吻合.
磁致伸缩位移传感器
2.2检测信号的数值计算
       当外磁场与周向磁场相等.传统结构输出的电压波形中杂波含最较多.输出的电压信号由四部分产生的,分别是脉冲电流、应力波、反射波和剩磁.应力波产生的电压幅值为53 mV 时,由反射波产生的电压幅值达20 mV,由剩磁产生的电压幅值达6 mV,所以传统结构的检测线圈输出电压信号信噪比低,影响传感器的精度.与传统结构输出的电压波形相比,新结构所含杂波明显减少,其表现在:(1)输出的电压受到剩磁的影响显著减小; (2)输出的电压信号受脉冲电流的影响减小; (3)输出的电压信号受到反射波的影响明显减小.因此新结构的传感器能有效减小杂波信号的含量.
信噪比是描述信号中有效信号与噪声信号的比例,其值越大代表信号失真越少,得结构改进前后输出电压信号的信噪比分别为14. 7dB和27. 6dB,故电压信号的信噪比SNR约提高了1倍.
2.3、位移迟滞实验
       对传统结构传感器的位移迟滞现象进行实验,将永磁体缓慢地移动,每次移动位移50mm,正反行程重复实验两次,同理对新结构进行实验.所得结构改进前后的位移迟滞曲线如图7所示,实际位移用光学编码器测定,其精确度可达2m.
       由于磁致伸缩材料磁化过程的磁滞效应会在位移测量中表现为位移迟滞,传统结构的位移迟滞曲线宽度达90m. 而新结构中磁滞回线明显减小,最大偏差为12 m. 在新结构单次正或反行程中,测量偏差在零附近波动,所以新结构的测量偏差的主要来源不是材料的磁滞效应,而是传感器的温漂和系统误差带来的.
2.4结构改进前后的性能测试实验
       针对于磁致伸缩位移传感器的几个性能指标进行实验,包括线性度实验、重复性实验和迟滞性实验,比较结构改进前后的各项性能指标.传感器的线性度又称非线性误差,指传感器的输入输出曲线与理论拟合直线的最大偏差与传感器满量程输出之比.将永磁体(位置线圈)从同 一 方 向上做全量程连续10次测试实验,并用最小二乘法线性拟合输入量与输出量的特性曲线.由实验得传统结构的非线性误差 t =0.05%,新结构的非线性误差'Y 2 = 0.013%,新结构的非线性误差约降低为传统结构的1/4,传感器的线性度显著提高.
传感器的重复性指在相同的工作条件下,传感器输入量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.按同一方向做全量程重复实验10次,得传统结构重复性w, =0.038%, 结构改进后的重复性w2 = 0. 013%. 故新结构的重复性误差约降低为传统结构的113, 传感器的重复性显著提高.
       传感器的迟滞是指传感器在正反行程期间输入和输出特性曲线不重合的程度.当输入信号相等时,传感器正反行程输出信号大小不相等.正反行程重复10次实验,得传统结构的迟滞 g= 0. 072%, 新结构的迟滞=0. 01%, 结构改进后传感器的迟滞约降低为结构改进前的1/7'传感器的迟滞性显著减小.
3、结论
(1)考虑铁磁材料的磁滞,建立了磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算值与实验值之间变化趋势吻合,表明所建立的模型能够描述输出电压与偏置磁场、激励磁场、波导丝材料、检测线圈之间的关系.
(2)设计了一种新的磁致伸缩位移传感器结构,通过理论分析和实验验证了新结构能有效消除磁滞效应产生的位移迟滞,并且使电压信号的信噪比由14 dB提高到27.6dB, 提高了传感器的测量精度.
(3)制作了样机,对比了传感器结构改进前后的性能指标,证明了新结构能改善传感器的线性度、重复性、迟滞性.本研究工作可为磁致伸缩位移传感器的研究、优化、生产提供理论依据和实验基础.






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