磁致伸缩位移传感器检测信号分析

磁致伸缩位移传感器检测信号分析
作者：王博文；张露予；王鹏；李恒；史瑞雪；孙英；翁玲






       位移传感器一直是科研人员积极关注的热点课题。磁致伸缩位移传感器具有精度高、非接触、可靠性高且适应千恶劣环境等优点，因而被广泛应用千工业控制领域，如轮船的阀门控制、机械自动化数控装置等[3]。MTS系统公司研制的量程为18m的大位移直线位移传感器，其精度可达0.025%/sC4J, 并且可同时测量多种参数。研究学者从材料、原理、电路等方面对位移传感器进行了诸多研究。为提高磁致伸缩位移传感器的输出电压与精度，本文研究了影响磁致伸缩位移传感器检测信号的因素，为研制新型的磁致伸缩位移传感器提供了基本数据与指导。

2、磁致伸缩位移传感器的结构和原理

       磁致伸缩式位移传感器主要包括传感器头部、硬件电路系统、波导丝（磁致伸缩材料入探测杆、活动磁铁和前后阻尼器等，其中硬件电路系统和检测线圈放置在传感器头部。

       当位移传感器工作时，传感器头部中的硬件电路产生驱动脉冲电流并沿波导丝传播，该驱动脉冲电流可产生环形磁场，当环形磁场传播到活动磁铁位置时，与磁铁产生的轴向偏置磁场叠加，形成一个螺旋磁场。基千魏德曼效应，波导丝瞬间形变并产生扭转波，扭转波以一定的速度向波导丝两端传播。当传感器头部的检测线圈感应到扭转波信号时，该时刻与产生驱动脉冲电流时刻的时间间隔乘以扭转波波速即为活动磁铁的当前位置。传感器尾部装有吸收多余扭转波的阻尼装置，可减少反射波对检测信号的干扰。

       扭转波传播到检测线圈时，在磁致伸缩逆效应作用下扭转波信号导致波导丝内部磁通发生改变，根据法拉第电磁感应定律，计算表明磁致伸缩位移传感器的输出电压由磁致伸缩波导丝的角应变引起的磁场变化率、相对磁导率、波导丝半径、长度、杨氏模量、泊松比、密度、极惯性矩，检测线圈匝数、横截面积，磁通量轴向分量，偏置磁场和激励磁场等参数决定。可见，影响磁致伸缩位移传感器输出电压的因素可分为与波导丝材料相关的参数和与磁场、检测线圈相关的参数。因此，主要来讨论波导丝的材料特性、驱动脉冲电流、检测线圈参数对检测电压的影响。

3 磁致伸缩位移传感器的实验方法

       将直径为0.5mm,长度为1 m的磁致伸缩波导丝固定在内径为6 mm,外径为8 mm的铁氟龙塑料管内（使波导丝保持垂直，无任何弯折），底端穿过橡胶棒紧固（以减少有效信号被塑料管壁吸收），再套入内径为9 mm,外径为14 mm,壁厚为2. 5mm的316L不锈钢探杆内。实验中使用的电源为稳压电源和可调电源，稳压电源为后续的信号调理电路提供稳定的工作电压，可调电源用千控制激励脉冲的电压幅值，电压调节为0-32 V。采用TFG6920A型信号发生器产生激励脉冲电流，脉冲频率设定为11200Hz,宽度为7 μs , 高电平为15V。检测线圈穿过波导丝，固定在探杆的首端，用于信号的拾取，信号显示采用DP03014型的四通道示波器，同时显示输入激励信号和输出感应电压信号。

       利用搭建的实验平台，研究了波导丝材料特性、驱动脉冲电流参数、检测线圈参数等对磁致伸缩位移传感器输出电压的影响。

4 实验结果与分析

4.1波导丝材料对检测电压的影响

       波导丝是磁致伸缩位移传感器电－磁－机械能转换的核心部件。波导丝材料的魏德曼效应以及磁致伸缩系数对检测电压的大小有着重要影响，目前位移传感器的波导丝主要为Fe-Ni波导丝。最近发现Fe-Ga波导丝具有显著的魏德曼效应。铁铢波导丝和铁稼波导丝的魏德曼扭转性能对比可以 出，与 F e-沁 波导丝相比，Fe-Ga波导丝具有较好的魏德曼效应和较高的饱和磁致伸缩系数。

       选用直径为0. 5mm的Fe-Ga和Fe-Ni波导丝，在磁场、检测线圈等相同的条件下，对两种波导丝制作的位移传感器的检测电压特性进行了研究，测得的激励脉冲电流与检测电压的关系结果表明Fe-Ga波导丝的检测电压显著高千Fe-Ni波导丝的检测电压，检测电压最大值大约为Fe-沁波导丝的检测电压的3倍。因此，选用Fe-Ga合金作为磁致伸缩位移传感器的波导丝，能够在较小的磁场下获得设定的输出电压值。

4.2 激励磁场对检测电压信号的影响

       激励磁场H;(r)对磁致伸缩位移传感器检测电压信号有重要影响，磁致伸缩位移传感器的激励磁场H. (r)是由激励脉冲电流产生的。因此，激励磁场对检测电压信号的影响可以归千脉冲电流的频率、幅值和宽度对检测电压信号的影响。

4.2.1激励脉冲电流幅值对检测电压信号的影响

       驱动脉冲电流为频率可调的周期信号，通过调节脉冲电流的频率可以控制电流作用在波导丝上的时间间隔。脉冲的频率较低时，传感器的频响较低，灵敏度较差。如果频率过高，检测信号的谐波含量过高，可能出现 2 个 测量 周 期 检 测 信 号的重叠现象。

       其中：J为脉冲电流的频率，L为位移传感器的量程，v 为波 导 丝 内弹性 波 的传 播 速 度 。考 虑 实 验平台量程为 1 m,测得弹性波在波导丝内的传播速度约为 2 650 m/s, 可设定电流脉冲的频率为1.2kHz。

       图4所示为磁致伸缩位移传感器脉冲电流幅值与检测电压的关系，波导丝为 F e-G a 波 导 丝 ，激励脉冲电流频率为1. 2kHz,脉冲电流宽度为5s。 脉冲电流 幅值小于6 A 时 ，检测电压随着脉冲电流幅值的增大而增大。当脉冲电流幅值继续增大时，检测电压的幅值缓慢增加。表明随着脉冲电流幅值的增大，波导丝中的磁场达到饱和。因此波导丝中的脉冲电流幅值应设为6A左右。

4.2.2激励脉冲电流的宽度对检测电压信号的影响

       是由脉冲电流的上升沿和下降沿分别激励产生的。脉冲 电流宽度为30 s 时检测 电压的波形。检测电压的波形分为脉冲电压的上升沿对应的检测波形和脉冲电压下降沿对应的检测波形。两部分检测电压的相位相反，其峰峰值相距 30 s,与脉冲的宽度相同。研究脉冲电流宽度对检测电压的影响时，选取 F e-G a 波 导丝 直 径 为 0 . 5mm,激励脉冲电流的值为6 A,频率为1. 2kHz。从图中可以看出，当脉宽在 16 s 时 ，检测电压幅值随着脉宽的增大而增大，当继续增加脉宽的宽度时，检测电压的幅值会随着脉宽的增加而降低，当脉宽大于15s时，检测压的幅值 会 趋 于 稳 定 。脉冲宽度在 6 s 时 ，检测电压的幅值最大。

4.3 检测线圈参数对检测电压信号的影响

       检测线圈是磁致伸缩位移传感器进行信号检测的关键部件，可等效为二阶欠阻尼电路系统。阻尼比和衰减系数越大，系统越灵敏，越易趋于稳定。e应在0. 6-0. 8之间， Wn 大于脉冲电流频率的 5倍。系统的阻尼 比、衰减系数和检测线圈参数相关。阻尼比和衰减系数与线圈的电阻成正比，与电感成反比，因此，线径较小时，检测线圈的衰减系数与阻尼比都较高。且线径增大会导致线圈的谐振频率降低，电容两端电压变化的周期时间变大，线圈的响应速度变慢，因此在线径的选择上，尽可能选择线径较小的漆包线来缠绕线圈。

        分别取线径为0.06和0.1 mm 的漆包线制作检测线圈，线圈匝数均为600, 长度为1 cm, 内径为 3 mm 。实验得到 F e-G a 位移传感器激励 电压与检测电压的关系如图8所示。线径为0. 06 mm线圈的检测电压高于线径为 0.15 mm的检测电压，实验结果验证了理论分析的正确性。不同线圈匝数条件下 F e-G a 位移传感器激励电压与检测电压的关系。实验所用线圈线径为0. 06 mm,长度为1 cm,内径为3 mm,匝数分别为200、400、600和800匝。随着匝数的增加，检测电压也相应的增加。线圈匝数从200增加到800时，检测电压明显增大。

4.4 检测信号的数字分析

        实验测得的 F e-N i 和 F e-Ga 波导丝位移传感器的检测 电压波形 ，F e-G a 波导丝传感器检测电压波形中杂波含量较少，检测电压幅值比 F e-N i波导丝提高了约 40 mV。综合以上实验数据确定 F e-G a 磁致伸缩位移传感器参数为：波导丝直径0.5 mm,长度1 m;驱动脉冲电流频率1. 2kHz,脉宽7, 脉冲电压幅值24V；检测线圈匝数800匝，线径0.06mm，长度1cm，内径1mm。

4.5磁致伸缩位移传感器的精度分析

        检测信号经过滤波电路处理之后被送往信号处理电路，检测信号与及时边角电路的阈值进行比较，从而得到计时的终点。较大的检测信号幅值可以设置较高的阈值电压。
5、结论

        本文研究了波导丝材料、驱动脉冲参数和检测线圈参数对传感器检测电压的影响。对检测线圈进行了优化设计，确定了磁致伸缩位移传感器的各项参数。发现磁致伸缩系数大、魏德曼效应显著的Fe-Ga材料作为波导丝，可明显提高电磁-机械能的转换效率，获得了较大的检测电压信号，信噪比显著提高，检测电压信号的幅值比Fe-Ni波导丝提高了40mV，位移传感器精度可提高2倍以上。本研究可为新型磁致伸缩位移传感器的优化设计提供指导与基础数据。






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