Fe-Ga磁致伸缩位移传感器驱动电流位置调整与回波速度校正

 Fe-Ga磁致伸缩位移传感器驱动电流位置调整与回波速度校正
作者：谢新良；张露予；王博文；管红立；





     磁致伸缩位移传感器 M DS (Magnetostrictive Displacement Sensor) 因精确度高、安全性好、易千安装和维护且能实现多参数测量、具有非接触性等优点，广泛应用于机器人、超精密仪器、机械自动化过程等领域 。传统磁致伸缩位移传感器都是将驱动脉冲电流输入端加在波导丝最前端驱动脉冲电流会流过整段波导丝，致使检测线圈输出的电压信号受驱动脉冲电流噪声的影响较大，目前没有文章对此问题展开研究。回波速度是影响传感器测量准确度的关键因素，温度变化较大时需对其进行校正。

       基于上述问题，本文提出将Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的驱动脉冲电流输入端移至检测线圈右端口处，并设计实验验证了此方案的有效性和合理性。提出了 一 种基于应力波无阻尼反射的回波速度校正法，通过理论推导和实验研究验证了此方法的正确性和有效性。

1 驱动脉冲电流位置调整

       磁致伸缩位移传感器主要由波导丝、永磁体、检测线圈、信号处理单元、阻尼、脉冲发生器及放大电路等组成。

        磁致伸缩位移传感器的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。其工作原理是永磁体产生的轴向偏置磁场和驱动脉冲电流产生的周向激励磁场合成一个螺旋磁场 使得波导丝内的磁畴发生局部瞬时扭转而产生一个应力波，应力波以一 个恒定速度向波导丝两端传播，当传播到检测线圈时，在磁致伸缩逆效应的作用下，波导丝内机械应力的改变导致磁感应强度发生变化根据电磁感应定律可知此时检测线圈两端有电压输出。传统磁致伸缩位移传感器的驱动脉冲电流流过整段波导丝，检测线圈位于波导丝最左端，其既能检测到应力波产生的磁通变化，也能检测到波导丝内驱动脉冲电流波动引起的磁通变化。

       磁致伸缩位移传感器的测量原理表明，应力波产生的电压信号 e l 为检测线圈输出的有效信号，驱动脉冲电流产生的电压信号e 2 为噪声信号。传感器工作时，检测线圈输出的电压信号送到信号处理装置，信号处理的目的是提取有效信号 e l ' 去除噪声信号ez'有效信号越大，噪声信号越小，传感器的精度越高。故驱动脉冲电流产生的噪声信号直接影响磁致伸缩位移传感器的精度，其噪声主要来源千以下3个方面：心元器件产生的固有噪声；＠来源于电路本身设计或安装工艺上的缺陷；＠来源复杂的干扰噪声如线路串扰噪声，传输噪声。

       想要提高传感器的测量精度，需减小e 2 或增大el 伈 比值。为此本文提出将传统结构中位于检测线圈左端口处的驱动脉冲电流输入端移动到检测线圈的右端口处，改进后结构如图2所示。此时，检测线圈覆盖部分的波导丝没有驱动脉冲电流流过，所以检测线圈输出的电压中不含驱动脉冲电流波动引起的噪声电压e 2 '检测线圈输出电压如式(4 ) '避免了驱动脉冲电流噪声对检测线圈输出电压信号的干扰。

2 回波速度校正

       传统位移传感器在测量时认为环境温度与常温相差较小时，回波速度为常数其测量原理。只需测量永磁体位置处的应力波向左传播到检测线圈的时间 t可计算永磁体与检测线圈间的位移L,'其中v为回波速度（应力波传播速度）。

       传感器测址的本质是将位移测量转换为时间测量，被测位移量与应力波在永磁体与检测线圈之间传播时间成正比，且其比例系数为应力波的传播速度v. 另入其中G为波导丝的剪切模量；p为波导丝的密度）。传统测量方法认为环境温度对回波速度影响较小，可忽略不计。然而波导丝的剪切模量G、密度p都与温度有想要使所设计的传感器具有较高的测量精度，需对回波速度进行校正。

       要实现回波速度的校正，需测出应力波在某段已知位移的传播时间，实现回波速度的校正，传统位移测量方法无法满足这 一 要求。本文提出去除波导丝右端的阻尼, 致使向右传播的应力波在波导丝右端发生无阻尼反射后传播到检测线圈时输出电压信号。

       基于应力波无阻尼反射的回波速度校正法，克服了引入辅助磁铁带来测量范围减小和输出信号信噪比降低的缺点，避免了基于最小二乘拟合法需要大量高精度测星实验和对于不同材料或不同尺寸的波导丝需重新拟合的问题。

3、实验结果分析

       采用课题组设计的样机（按照前文所述方法加载脉冲电流）进行了实验，实验中采用的波导丝为 Fe-Ga材料 ，电源为稳压 电源和可调 电源，采用TFG6920A 型信号发生器 ，电压信号的采集显示装置为 DP03014 型的四通道示波器，其时间分辨率能够达到 0.4 ns。脉冲频率设置为 200 Hz, 宽度为 7 s,高电平为 20V ,波导丝半径为 0.25 mm,波导丝长 500 mm, 检测线圈匝数为 600,线径为 0.06 mm, 单匝线圈面积 15.89 mm 2 0

3.1驱动脉冲电流位置调整前后输出电压对比

       课题组研究结果表明采用周向激励磁场与轴向偏置磁场相等且磁场强度均为 3 kA/m, 可获得较大的电压信号本实验仍采用上述方式加载磁场。驱动脉冲电流输入端位置变化前后输出的电压信号。

        实验结果表明：心由千波导丝材料的磁导率较大，检测线圈输出的电压信号会受到脉冲电流产生磁场的影响，但从脉冲电流产生的感应电压幅值减小可知，将脉冲电流输入端移动到检测线圈右端口后，检测线圈受到脉冲电流影响减小；＠驱动脉冲电流输入端位置变化时，应力波产生的电压波形基本 一 致，表现在应力波产生的电压峰值、相位相同，但传统结构输出电压信号的毛刺（杂波）较多，这是由检测线圈覆盖部分的波导丝有驱动脉冲电流流过造成的。

3.2 回波速度校正实验

        永磁体在不同位置时，检测线圈输出的电压信号如图7所示。电压波形中存在两个峰值与理论分析一 致 ，但第 1 个峰值大于第 2 个峰值 ，主要与应力波反射时产生了 一 定的衰减有关。其 中，检测线圈输出的第1个峰值电压是由永磁体处的应力波向左传播时产生的，第2个峰值电压是由永磁体处的应力波向右传播经右端无阻尼反射后产生的。

        当永磁体缓慢地向检测线圈方向移动（位移L 兀逐渐减小），检测线圈输出电压信号的第1个峰值向左移动，第2个峰值向右移动，但是两者的时间之和不变为 360 s。在应力波传播速度不知道的前提下。实验之前的回波速度为2 777.2 mis, 此时测量结果的最大误差达 0.07 mm, 

由校正后的回波速度为 2 777.8 mis, 此时最大误差为 0.013 mm, 所以校正后的最大测量误差约减小到原来的 1/5。

4 结束语

        对传统Fe-Ga磁致伸缩位移传感器驱动脉冲电流输入端位置进行了改进，降低了驱动脉冲电流噪声对检测线圈输出电压的影响，并使检测线圈输出电压信噪比由 15.5 dB 提高至 23.7 dB。基于应力波无阻尼反射原理提出一种新的回波速度校正法，确立了回波速度与波导丝长度、应力波传播时间、反射波传播时间的数学关系，并给出此表达式适用的驱动脉冲电流频率范围。制作了样机，并通过实验验证了基于应力波无阻尼反射的回波速度校正法的有效性，可使最大位移测址误差减小到原来的 1/5。




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