基于应力波反射的磁致伸缩位移传感器测量方法及信号分析

基于应力波反射的磁致伸缩位移传感器测量方法及信号分析
作者：谢新良；王博文；张露予；李佳泽；韩建晖；柳杨；






       磁致伸缩位移传感器 ( magnetostrictive displacement sensor) 具有精度高、非接触性 、安装 简易、工作寿命长等优点，因而在精密仪器、自动化设备、水位监测等领域得到广泛应用。进年来 ，科研人员在磁致伸缩位移传感器原理、波导丝材料、结构优化、信号采集与处理等方面进行了研究 。但由于传感器测量方法的问题，其仍需要位移标定。传感器的传统测量方法是将永磁体与检测线圈的位移代替被测位移 ,通过测量驱动脉冲电流和感应信号的时间间隔实现位移的测量，但驱动脉冲电流和感应信号都有一定的宽度，应力波在永磁体与检测线圈之间传播的准确起始时间和终止时间无法确定，所以传统测量方法需要位移标定。本文针对以上问题提出一种基于应力波无阻尼反射的位移测量方法。

       检测线圈输出的电压信号是磁致伸缩位移传感器测量的根本，其所含杂波较多，信噪比低，所以需滤波。目前常使用傅里叶变换进行频域分析得到有效信号的频段，采用数字滤波或硬件滤波。但傅里叶变换反映的是信号在整个时间内的频域信息，其无法反映信号在局部时间里的频域信息，也无法反映某一频率出现的时间信息。当傅里叶变换后出现两段及两段以上的主频率时，其无法判断有效信号的频段。故本文提出利用希尔伯特黄变换 (HHT )对 回波信号进行分析及数字滤波， HHT 借助希尔伯特变换 (HT )求得相位函数，再对相位函数求导求出瞬时频率，得到回波信号中有效信号段的频率，这能弥补傅里叶分析局部时域信号的不足。

1、位移传感器的测量方法

       磁致伸缩位移传感器主要由永磁体、波导丝、检测线圈、阻尼、信号处理单元、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 。永磁体在波导丝上产生轴向偏置磁场，当传感器工作时，波导丝两端施加驱动脉冲电流，此时波导丝上产生的周向激励磁场与轴向偏置磁场合成螺旋磁场，在波导丝中发生魏德曼效应并产生应力波，应力波向波导丝两端传播，当应力波传播到检测线圈时，由磁致伸缩逆效应，检测线圈内的磁感应强度发生变化。

       应力波产生后向左传播到检测线圈产生电压 ,右端的阻尼无法完全吸收应力波，所以向右传播的应力波在右端发生阻尼反射后传播到检测线圈产生电压。由于电流的速度远大于应力波传播速度，故通过测量驱动脉冲和感应信号的时间间隔，可以计算出永磁体与检测线圈的位移。

       传统测量方法以永磁体与检测线圈的位移L无为被测量，再将位移量冗转换为所以传感器在测量时涉及到代替过程和转换过程。代替指将永磁体与检测线圈的位移代替需被测的位移转换指将永磁体与检测线圈的位移量转换为时间量。代替过程取决测最时操作是否规范，而转换过程则直接影响测量的准确性，将位移扯转换为时间量，涉及应力波传播起始时间和终止时间的确定。

       应力波的产生涉及到电－磁－机械能的转换 首先机械能的建立需要一 定的时间；其次，为获得较强的魏德曼效应，常调整脉冲电流的宽度，使电流上升沿和下降沿产生的应力波发生叠加，所以应力波是由电流的上升沿和下降沿共同决定的，仅以上升沿或下降沿作为应力波传播的起始时间必然产生误差，传统测最方法的起始时间较难确定。应力波到达检测线圈什么位置时电压达到峰值尤法确定；检测线圈有一定的几何尺寸，检测电压信号峰值对应的时间与应力波传播到检测线圈覆盖部分波导丝的位置无法准确对应；其次，检测线圈的匝数、材料、尺寸、绕制方法相同对检测信号的影响较大，输出的电压波形存在差异，所以传统测量方法的终止时间较难确定。

       针对以上问题，提出一种基千应力波无阻尼反射的位移测量方法，去掉右端的阻尼，并将永磁体距离波导丝右端的位移作为被测位移。应力波产生后分别向波导丝两端传播，假设应力波传播到距离检测线圈左端L-Ll 时，检测线圈输出的电压达到峰值，所以应力波产生后到峰值时刻传播的真实位移为 ,其对应的传播时间为t 仔 l 无；同理 ，应力波产生后到 峰值时刻传播的真实位移为 L1+L无，其对应的传播时间为t L1+Lx，其对应的传播时间为tL1+Lx。

2、试验结果及分析

       试验中使用的电源为稳压电源和可调电源，TFG6920A型信号发生器，脉冲频率设置为1kHz，宽度为7μs，采用DPO3014型四通道示波器采集和显示检测线圈输出的电压信号，波导丝为Fe-Ga材料，长600mm，半径0.25mm，检测线圈长12mm，匝数为600，线径0.06mm。检测线圈穿过波导丝，固定在磁致伸缩位移传感器的头部，永磁铁在波导丝上起位移改变作用。

2.1传统测量方法

       传感器输出的点在在波导丝两端两端施加驱动脉冲电流，传感器输出的电压信号由4部分产生，分别为驱动脉冲电流、应力波、反射波及剩磁。传统测量方法以脉冲电流的时间为应力波在永磁体与监测线圈传播的其实时刻，以应力波产生的峰值电压时间为终止时刻，故应力波在永磁体与监测线圈传播的时间为TLX。

       采样点没有落在理论直线上，拟合直线与理论直线总相差一段时间，其产生的原因是：应力波产生过程设计到电-磁-机械能的转换，所以盈利波的产生需要一定的时间，监测线圈有一定的几何尺寸，传统测量方法的其实时间和终止时间判断有误，因此，传统测量方法需要位移标定。

2.2基于应力波无阻尼反射的测量方法

      采样打你落在理论直线上，利用最小二乘法对采样点进行数据拟合得到拟合直线，拟合直线与理论直线近似重合，所以新测量方法能避免传统此类那个方法需要位移标定的问题。

3、回波信号的 H H T 分析及滤波

       电压信号采集和显示装置为 DP03014 型四通道示波器，带宽100 MHz, 采样率达 2.5 GS/s, 采样周期设置为 40 ns, 采样点数 10 000 个。滤波处理前的电压波形和其频谱图表明，该信号的频率出现 2 个峰值段 ，分别为 0-120 kHz 和 300-500 kHz, 同时还参杂了少数的高频干扰。傅里叶变换反映的是信号在整个时间内的频域信息，即傅里叶变换缺少时间和频率的定位信息，所以此时傅里叶变换无法确定信号中有效信号的频段，这给滤波造成一定的影响。

       对于傅里叶变换缺少时间和频率的定位信息，本文采用 HHT 对信号进行分析。将电压信号进行希尔伯特变换求得其相位函数，再对相位函数求导得其瞬时频率。

       反射波段(280-305 us) 的瞬时频率，应力波段和反射波段的瞬时频率在 150 kHz 以下，所以 300-500 kHz 之间的主频段为噪声信号，滤波时设置为低通滤波，滤除 150 kHz 以上所有的高频噪声。

       利用 HHT 对信号处理 ：首先利用经验模态分解(EMD)将信号分解为若干固有模态函数 (IM F),在本实验中将原信号分解成十二阶 IM F,此时最高阶的IMF 频率接近零 ，由希尔伯特黄变换可知，其阶数越大频率越低，取其低频段的 IM F 进行信号合成 ，实现信号的低通滤波。经过滤波后 ，信号的时域波形毛刺减少，光滑性增强，信号的高频段噪声已滤除。

       将滤波后的电压信号进行希尔伯特变换求得其相位函数，再对相位函数求导得到其瞬时频率，滤波后的瞬时频率的毛刺显著减少，应力波段和反射波段的瞬时频率变得连续光滑，且频率都集中在 60 kHz, 与傅里叶频谱分析结论一致。

4 结束语

(1)在原传感器结构基础上，通过去除波导丝右端的阻尼，改变位移测量方法，提出一种基于应力波无阻尼反射的测量方法，新测量方法不需要位移标定，而且位移分辨率提高了1倍。

(2)利用傅里叶变换对信号的频域进行分析，出现两段峰值频率，故无法判断有效信号的频段，在此基础上提出一种基于HHT的回波信号分析方法，得到电压信号的瞬时频率，结果表明检测电压中有效电压信号的频率在60 kHz左右。

(3)对电压信号进行经验模态分解，然后根据有效信号的频段进行信号的重构，实现数字滤波，信噪比由12.4 dB提高到23.5 dB。






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