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双丝差动型磁致伸缩位移传感器结构设计

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2021-12-06 13:59

  

        磁致伸缩位移传感器是利用磁致伸缩材料的威德曼 (W iedeman)效应和威拉里 (V illary)效应实现位移的测量 ,它具有量程大、非接触、精度高、速度快、防护等级高、成本低等卓越特性 ,因而广泛应用于机械、建筑、机床等行业。国外量程高达 18m的磁致伸缩位移传感器精度可达 0. 025 % FS或01508 mm,并且可同时测量位移、液位、温度、等多个参数 ,形成了系列产品 。由于这种传感器是依靠电磁信号工作的 ,因此不可避免地受到空间电磁场的电磁干扰的影响 ,从而使得检测线圈中引入各种不同规律的干扰信号 (即电噪声 ) 。另一方面 ,波导丝本身受到激励后将产生随机振动 ,也会导致电噪声信号的产生。因此 ,降低噪声是磁致伸缩位移传感器必须解决的问题。目前大多数是采用电路处理技术来减小噪声影响 ,提高测量精度和稳定性。
       这种方法的问题是没有从信号源头处提高信噪比,因而降低噪声的效果大大削弱。而且电路变得很复杂 ,调整困难 ,很难进一步提高精度。本文针对现有技术的不足 ,提出一种双丝差动结构型式的磁致伸缩位移传感器 ,采用独特的差动结构形式和磁屏蔽技术 ,不仅可以直接降低感应组件输出信号的噪声 ,提高原始测量信号的信噪比 ,提高抵抗空间电磁场干扰的影响 ,而且可以在很大程度上削弱传感器内部干扰与误差的影响 ,缩短死区 ,提高测量的精度 ,结构简单 ,易于实现。
1、传感器结构及工作原理
       传感器由法兰、连接导线、双波导丝、感应线圈、骨架、屏蔽器、保护套管、磁铁组件、外壳、阻尼器、连接线、固定块和测量电路几个部分组成。在每根波导丝的同侧端部分别设有感应线圈 ,感应线圈缠绕在高稳定性骨架上 ,屏蔽器分别包围在感应线圈外部 ,波导丝穿过骨架内孔 ,两端分别与连接导线电气连接 ,在波导丝的另一侧端部则分别设有阻尼器并用连接线相连。
       由测量电路产生的激励脉冲通过连接导线加载到波导丝上 ,激励脉冲同时伴随产生一个垂直于波导丝的环形磁场以光速沿波导丝传递 ,当激励脉冲环形磁场与磁铁组件固有磁场相遇 ,二者的磁场矢量相叠加形成螺旋磁场 ,产生瞬时扭力并在波导丝上形成一个机械扭力波以声速传递返回到两端的感应线圈 ,使各自的线圈两端产生感应脉冲 ,在另一端则被阻尼器所吸收。通过测量出激励脉冲与扭力波返回产生的感应脉冲之间的时间差 ,就可以准确地计算出磁铁组件的位置 ,从而可以实现定位磁铁组件位移大小的测量。
2、双丝差动式感应线圈的设计
     本设计的独特之处在于采用了双丝差动型式的设计。每个传感器内都设有两根等同的波导丝 6,这两根波导丝是平行排列的 ,在每根波导丝 6的同侧端部则分别设有感应线圈 14和感应线圈15,这里感应线圈 14和感应线圈 15的形状、大小、匝数等参数和绕法是完全一样的。感应线圈 14的头 16和感应线圈 15的头 18经线圈连接导线 2电气连接 ,感应线圈 14的尾 17和感应线圈 15的尾 19则连接至测量电路 13。由于激励电流在感应线圈 14和感应线圈 15中的波导丝内的流向是相反的 ,因此感应出的脉冲 U1 和脉冲 U2 极性也相反 ,又因为两个感应线圈是反向串联连接在一起 ,即构成差动形式 ,因此总的       输出信号 U是两个感应线圈信号相减 ,总的信号强度是每个感应线圈输出信号 U1 或 U2 的两倍。由于两个感应线圈中存在的来自外部空间的电磁干扰和内部电源波动、波导丝 6振动等因素产生的噪声信号是相同的 ,因此在总的信号中上述干扰与噪声显著降低 ,从而达到提高精度的目的 。
另外 ,为了在线圈组件周围空间形成一个强大而稳定的直流内部磁场 ,我们采用了特殊的屏蔽器 ,它不是采用常规的导磁性材料制成 ,而是直接采用磁性材料制成 ,即屏蔽器本身就是一个磁铁 ,这样可以有效地抵抗外来空间电磁干扰 ,也可以抵抗传感器的磁铁组件靠近线圈组件时对线圈产生的影响 ,从而缩短死区长度。另一方面 ,该屏蔽器采用圆环形状 (因此可称为磁环 ) ,磁极分布在两段位置 ,从而在磁环内部形成与磁环轴线平行的稳定磁场 。该磁场可以对波导丝被磁环包围的部分产生磁化 ,从而有益于改善线圈中感应信号的质量。在磁环外部包围有一个铁磁材料制成的保护套 ,可以防止磁场外泄 ,对其它部件产生影响。
磁致伸缩位移传感器
3、与传统单线圈之间的精度比较
       在基本电路及各种外部条件均完全相同的情况下 ,我们通过实验对比双丝和单丝两种结构的线圈的优劣。
3. 1 传感器电路系统
       MSP430的定时器模块可产生占空比和周期可调的控制脉冲 S1 ,经过功率放大后驱动波导丝 ;感应线圈接收到磁致伸缩效应产生的微弱回波信号 ,经过差动放大和滤波后 ,通过比较器将其整形为感应脉冲 S2 ;时间测量电路中先将控制脉冲 S1 和感应脉冲 S3 整合成与扭转波在波导丝中传播时间成正比的 PWM信号 ,再通过计数法测量出 PWM信号的宽度 ,即可得到相应位移值。所设计的传感器输出信号为 0 - 10V标准模拟电压。
3. 2 传感器电路信号测试比较
        第一个和第二个信号分别为激励信号和感应到的磁致伸缩扭转波信号 ,双丝结构所激发的激励信号具有左右对称的两个波峰 ,是区分单双丝结构的一个明显标志。两图中第二个信号后面的毛刺是扭转波信号经过传感器末端反射而形成感器组件末端的阻尼器无法将扭转波信号完全吸收 ,而会产生二次甚至多次的回波震荡。
        激励信号和回波感应型号都具有较大的幅值 ,特别是回波感应信号 ,起幅值较前者明显增大 ,而后面谐波噪声的幅值相应的却减小 ;相对于二次谐波 ,属于干扰信号 ,成因是实验装置中传用信号幅值较小 ,谐波的幅值比较大 ,接近有用信号的幅值 ,对滤波和有用信号的提取造成一定困难 ,很容易直接影响到传感器的有效输出。因此 ,双线圈差动结构对于有效的抑制回波噪声 ,提高传感器信号的信噪比起到了积极的作用 ,有利于有效信号的检测和拾取 。
3. 3 传感器精度测试比较
       为尽量准确地测量传感器精度 ,我们采用球栅带动测量元件 —磁铁 ,测量横向位移 ,球栅分辨率为0. 005 mm。在传感器量程范围内 ,移动磁铁组件 ,每隔 5 cm记录一组数据。
       在量程范围内传感器的输出模拟电压信号的误差曲线。该误差的形成原因主要有 :波导丝中遇阻尼器反射回的扭转波信号的干扰作用 ;温度的变化会使扭转波传播速度发生变化 ;波导丝材料的均匀性、波导丝表面的光滑度等。
       输出信号最大误差约为0. 0071 V,换算成位移约为 0. 21 mm,相对误差为±0. 071 %;输出信号误差约为 0. 003 3 V,相对误差为 ±0. 032 % ,远远小于双丝差动时的误差。由此可以看出 ,双丝差动结构的测量精度远远高于单丝时 ,这是因为差动结构在原理上就很好的抑制了震荡回波的干扰 ,同时起到了温度补偿的作用 。
3. 4 信号稳定性比较
       信号的时间轴向抖动是影响信号质量的关键因素。 抖动的大小一般在 20 ns~200 ns左右 ,抖动越小 ,信号的稳定性越好。抖动一般主要是由于电源纹波和经过二次反射存留在波导丝中的扭转机械波造成的 ,当抖动超过 100 ns时会严重影响精度。
        但是经过对信号的分析 ,我们发现抖动的大小和回波信号上升沿斜率的大小之间存在一定线性关系。在不同的感应幅值下我们分别用单丝结构组件和双丝结构组件测得两组信号抖动的数据。分析数据 ,我们发现的抖动的值与回波信号上升沿斜率的存在一种近似线性的关系。
       可以看出 ,回波信号上升斜率是影响调宽信号抖动的主要原因 ,它使信号幅值的波动对结果产生影响 ,斜率越大 ,抖动越小 ,越稳定 ,对比单双丝的情况 ,在斜率相同的情况下 ,双丝的抖动总体来说要小一些 ,线性关系也更明显 ;综合比较 ,双丝的稳定性要更好。
4、结论
        本文针对现有单波导丝磁致伸缩传感器技术上的不足提出了一种基于双丝差动方案的磁致伸缩位移传感器的设计 ,并通过实验论证了该设计在抑制信号噪声 ,增强抗干扰能力提高测量精度方面的显著作用。本文的研究工作为磁致伸缩位移传感器的产品化生产提供了一种实用可靠的方案 ,对磁致伸缩位移传感器技术的研究开发具有一定的积极作用。


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