磁致伸缩位移传感器的研究进展

 磁致伸缩位移传感器的研究进展
作者：李春楠；卢云；兰中文；杨邦朝





     随着电子信息产业的迅速发展 , 位移传感器的应用范围日益增大。基于磁致伸缩原理而设计的新型智能化位移传感器具有高精度、有效传递距离远、非接触式、可靠性高且适应于恶劣环境等特点 , 因而被广泛地应用到各种领域 , 如轮船的各种阀门控制、液位与液压系统、机械自动化等。特别是应用于战机、空中加油机燃油测量、飞机、导弹和航天器的姿态控制、六自由度飞行模拟器系统等军事领域 , 对提高我军战斗力具有重要的军事意义。

1、磁致伸缩位移传感器的原理

       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。磁致伸缩位移传感器主要包括以下几部分 : 波导丝、保护管套、移动磁铁、电路板部分。测量管是整个传感器的核心传感部分 , 这一部分又包括 : 偏置磁铁、波导丝、保护管套、末端衰减阻尼装置、非接触磁环、转换器输出。

       磁致伸缩位移传感器的敏感元件是利用某些铁磁性物质 , 如 Fe和 N i, 在磁场作用下具有伸缩能力的特性设计而成的。通常铁镍合金的磁致伸缩效果是非常微弱的 , 铁镍合金磁致伸缩系数约为 30×10- 6 , 在其中掺杂稀土元素可使磁致伸缩效果有效提升 。敏感元件的研制是开发传感器的关键所在。

磁致伸缩位移传感器基本结构是由信号检测系统、波导管、磁致伸缩波导丝以及内含磁铁的浮子组成 , 在某些位移传感器中 , 浮子用磁环代替。

       工作时 , 传感头中的脉冲发生器首先在磁致伸缩波导丝上施加一个电脉冲信号 , 根据电磁场理论 , 此电脉冲同时伴随一个环型磁场以光速沿磁致伸缩波导丝向下传递。当该环形磁场遇到浮子中磁铁产生的纵向磁场时 , 将与之进行矢量叠加 , 形成一个螺旋形的磁场。当磁致伸缩材料所处的磁场发生变化时 , 磁致伸缩材料本身的物理尺寸也会跟着发生变化。因此当合成磁场发生变化形成螺旋形磁场时 , 磁致伸缩波导丝会产生伸缩变形 , 而沿螺旋形磁场的伸缩将导致波导丝产生扭曲形变 , 从而激发扭转波。该扭转波沿波导丝以超声波的形式回传到信号检测系统中的感应线圈时 , 将转换成横向应力 。根据发射脉冲与回波信号的时间差计算活动磁铁的位置 , 从而得到目标位置的位移量。

2、磁致伸缩位移传感器的研究进展

       1842年 Joule发现了磁致伸缩效应 , 即磁致伸缩材料在磁场中尺寸会发生变化。1960年 Teller2man申请了磁致伸缩位移传感器的专利。近年来 ,基于磁致伸缩效应的位移传感器不断涌现 , 尤其是在微位移传感器领域取得了长足的发展 , 美国海军表面武器研究中心应用 Melglrg 26055C开发的磁致伸缩应变计 , 用于微位移检测 , 与传统的半导体应变计相比 , 具有更大的动态范围 , 更高的灵敏度。磁致伸缩延迟线是用于位移测量的创新性应用 , 利用延迟线垂直导体和一软磁有源铁芯共同构成测量系统 , 可达 10 mV /μm的灵敏度 , 若干个系统可构成一个组合阵列。美国学者 Clark研制出了可变延迟线 , 制成智能型位移传感器 , 广泛应用于机器人、超精密机械加工、红外线电子束、激光束扫描、照相机快门、精密流量控制和原子力显微镜等。在磁致伸缩大位移传感器的研究方面 , 美国位居各国之首 , 美国 MTS系统公司研制的磁致伸缩大位移传感器 , 直管能测长达 10 m 的机械行程 ,软管可测 22 m的大油罐 , 精度达 011 mm , 平均无故障时间高达 20年 , 美国最新研制的新型传感器具有自我诊断、状况显示和遥控编程的先进功能。英美合资的 Lucrg公司开发了一种非常简便的位置传感器 , 用于测量液位 ; 法国 Egmp iel公司研制的位置传感器 , 可测量高达 50 m的距离 , 精度达 ±1 mm , 德国图尔克公司研制的位移传感器量程达 75～4 000 mm , 精度优于 0101 mm , 寿命达 100 万次 , 广泛用于舰艇、核潜艇中各种位移检测与故障监测和飞机、坦克、装甲车辆发动机气缸和燃油喷射系统 , 也用于导弹发射控制装置。

       美国 MTS公司很早就开始从事磁致伸缩位移传感器的研究 , 并拥有其最早的设计专利权 ,最近该公司推出了精度极高和性能极强的位移传感器系列 Temposonics Ⅲ和 L系列 , 此系列不仅在磁致伸缩技术上作出突破 , 还包含了一些较具创新性的设计概念 , 使磁致伸缩位移传感器能更广泛地被更多的自控行业所利用。

       全新的 Temposonics Ⅲ和 L系列均采用模块方式组装。这样做对生产过程、应用、维修方面和未来升级提供了极大的灵活性。其主要模块包括 : 基本磁致伸缩敏感元件、电子模块、内接线插头、应用外壳和控制接线头。

值得一提的是改良后的敏感元件和电子模块都经过特别处理 , 因此传感器承受振荡和冲击的能力大为提高。其指标为 100 g (单一冲击 ) , 符合 IEC标准 68 - 2 - 27; 振荡指标为 5g/ ( 10 ～150 ) Hz,符合 IEC标准 68 - 2 - 6。这些重点的技术改造除了使 Temposonics Ⅲ和 L 系列传感器功能增强外 ,同时也令它的使用寿命延长。

       最近 MTS公司在改进 Temposonics传感器的功能上作了一些创新的技术突破 , 解决了分辨率和更新频率在取舍上的难题 。

       新的 Temposonics Ⅲ系列的输出分辨率标准为5μm, 最高可以达 2μm。以 300 mm行程的传感器来说 , 内在的更新速率为 9 kHz (而 1 400 mm行程则为 2 kHz)以提供 5μm的分辨率 , 这对极高速的闭路控制来说是绰绰有余了。从 1975 年至今 , Temposonics位移传感器已经成功地安装在数十万个高科技工业应用个案中 , 而 MTS Temposonics Ⅲ 和 L系列位移传感器无论是在其功能、技术指标、可靠性以及寿命等都比其原有产品有所提高。

        目前 , 国内磁致伸缩位移传感器生产厂家较少 , 所用的磁致伸缩敏感线和高品质时钟电路只能从美国进口 , 由于美国等西方发达国家对我国实行技术封锁 , 我国只能进口数量有限的低档磁致伸缩敏感线 , 受制于人 , 随时受到断货的威胁 , 严重影响我国磁致伸缩大位移传感器在工业自动化中的广泛应用。与此同时 , 传感器的工程化和实用化研究与国外还存在较大差距 , 尤其是传感器的模块化设计与模块化组装技术有待提高 , 抗恶劣环境的封装技术也有待完善。

3、磁致伸缩位移传感器的发展方向

        MTS公司正在研制的 Temposonics ER 型位移传感器代表了磁致伸缩位移传感器的发展方向。Temposonics ER 型位移传感器是磁致伸缩测量原则 , 利用对超声波 (传感器产生的扭转波脉冲 )精确的速度、时间测量计算出目标位置。传感器通过处理信号转换过程将测量结果直接转换为标准输出量。这种灵活的磁标记位移的无接触形式 , 消除了磨损、噪声和误差引起的信号问题 , 保证传感器的持久耐用。

       磁致伸缩位移传感器已向着测量距离长、测量精度高的方向发展。在材料方面 , 通过稀土超磁致伸缩材料的引入提高敏感材料的磁致伸缩效应 , 融合多种超磁致伸缩材料的制备方法获得成分均匀一致、强韧性、直径细小的敏感材料的制备技术、在电路方面 , 对于频率接近 100 MHz的不规则高速微弱信号进行放大、滤波和可靠的识别 , 并经过整形实现采集的相关软硬件技术以及高精度时间检测技术等先进的技术的突破 , 将使得位移传感器具有更优良的性能。未来采用模块化设计、模块化组装、数字化输出、抗强电磁干扰和温度检测补偿等技术 , 将使该类传感器成本大幅下降 , 性能显著提高 , 应用范围更加广泛。

       为满足传感器工程化、实用化要求 , 传感器在最恶劣的工业环境下也具有耐用的特点 , 不管所测的目标位置困难与否 , 传感器都将根据实际情况进行参数调整并配置相应的结构以适合应用系统。传感器的结构和封装技术也有待于突破 , 并实现机械设计和电子装置的有效综合。

4、结论

       磁致伸缩位移传感器以其高精度、高性能 , 以及灵活的测量方式 , 在各种自动化控制领域有着广泛的应用。在提高波导丝的弹性模量和机械强度的同时保证其稳定的伸缩系数 , 是研制敏感元件的关键 , 也是开发磁致伸缩位移传感器相当重要的一环 , 高精度的时间检测技术和抗恶劣环境的封装技术也不容忽视。磁致伸缩位移传感器的研究有着广阔的市场前景。.




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