新型 F es3G a11波导丝在磁致伸缩位移传感器中的应用

新型 F es3G a11波导丝在磁致伸缩位移传感器中的应用
作者：周新志；余超；熊胤琪；赵光远；赵鸿斌；蒋鑫




       软磁材料进行磁化后，其形状或大小发生变化的现象，即为磁致伸缩效应或威德曼效应。这是磁致伸缩位移传感器弹性波的产生的基础。因此，与基千其他原理的传感器不同,只有磁致伸缩位移传感器才能实现非接触测量，这种明显优势使其被广泛应用千航天、石油、化工等工业领域] 。目前公开报道的磁致伸缩位移传感器(MDS)的波导丝大多由饱和磁致伸缩系数（沁）不足3X 10-5的Fe-Ni合金制成，此类MDS的位移检测量不超过5m。虽然有些超磁致伸缩材料的 从 超过1 X 10气 ，但它们基本上都是烧结类材料，不能制备为波导丝，因此尤法应用于MDscsJ 。

       21世纪以来，Clark提出Fes3Ga11材料在特殊的制备工艺条件下，其心可以达到4Xl0气虽然比烧结类材料的心小得多，但比现有Fe-Ni材料磁致伸缩性能优越，而且再加工性能良好。近期，李纪恒对Fes3Ga17波导丝的威德曼效应进行了研究，得到高达245 s/cm 的扭转角，在材料学上说明了其优越性 。

       为此，在对比前期研究的基础上，提出将Fes3 Ga11材料应用千大位移磁致伸缩位移传感器。由千MDS波导丝的效果不仅取决千它的沁和威德曼扭转角，还与其磁场特性密切相关。因此，笔者在掌握MDS原理，建立F es3G a11波导丝磁 场模 型 的基础上，利用MATLAB对其磁场特性进行了分析，并最终结合检测到的信号特性证明了 F es3Ga11 材 料应用于大位移MDS的可行性。

1、MDS原理

       磁致伸缩位移传感器波导丝在激励电流作用下产生的环形磁场中和永磁铁产生的稳恒磁场中m 相交时 ，便会瞬间合成一 个螺旋形 的扭转磁场中，根据磁致伸缩材料的威德曼效应，波导丝将会产生瞬间形变，由此形成 一 个向两端传播的扭转弹 性波。

       当接收线圈检测到扭转弹性波时，其磁通量强度 B 会发生相应变化 。假设从永磁铁到线圈的传输时间为t. 超声波的传输速度为v, 线圈和磁铁之间的距离L就可以用式(2)计算得到，从而实现位移的测量。

2 相关参数

       在建立磁场模型分析之前，需要确定激励信号和波导丝的参数以及波导丝的B-H特性。大量实验表明，激励信号为脉冲电流时威德曼效应最佳，作者在先前的工作中已经进行了大扯研究。

       波导丝的B-H特性曲线如图2所示。它直接影响着磁场特性的强弱和威德曼效应的效果，并对磁致伸缩位移传感器量程的改善起着决定性作用。

3 磁场模型

      在 一 般 的磁场 模 型分 析 中 ，可 以直 接 利 用 安 培环路定理来得出相关模型的磁场特性分布。但是，由千作用于波导丝的激励源并不是稳恒电流，而是脉冲电流，因此，并不能利用安培环路定理来对其进行分析。为了对波导丝在激励电流作用下产生的磁场特性进行数学分析，笔者首先利用信号与系统的傅里叶级数理论，将周期脉冲电流信号转换成 一 系列电磁学分析中常见的正弦电流信号，然后利用叠加原理将正弦电流信号产生时谐场进行叠加，从而得到所需要的磁场模型。

3.1 信号转换

       设激励电流I<t)的脉宽为''幅度为A, 周期为T。为了方便分析，选取电流信号中任意脉冲的中点时刻为参考零时刻。激励电流可以分解为一个直流信号和一系列不同频率的正弦信号。

3.2 分析直流分量磁场特性

       在对磁致伸缩波导丝的几何结构进行分析时，可将其看成半径为r的长直圆柱，分析稳恒电流信号对波导丝的作用，可将其看成圆柱体内通过电流为I'的直流信号，为了便千分析，选取圆柱坐标系0必》z为参考系，电流密度与c同向。

3.3 导丝磁场特性

       利用叠加原理分别将直流分量和正弦分量通过波导丝产生的磁场进行叠加便可求得波导丝的环形磁场H。

4 MATLAB分析

       利用数学软件MATLAB对磁场模型进行分析，不仅能够验证模型的正确性，还能直观反映Fea3 Ga17 波导丝的磁场特性。在MATLAB设计处理中，为了全面反映磁场特性，笔者采用了基于磁场强度H、时间t以及距离轴线的半径r的三维立体分析方案，最终得到的环形磁场H。

       由图可知，磁场强度H与时间t以及距离轴线半径r的关系比较复杂，并不是简单的线性关系，总的来说可以得到两点： 一 是磁场在波导丝上维系的时间很短；二是磁场强度在波导丝表面处聚集。为了更进一步对磁场的Ht关系进行分析，任意选取波导丝上不同位置的儿个参考点。

       在脉冲周期内激励电流刚作用千波导丝时，波导丝的磁场强度最大，并会因为激励脉宽的缘故维系一定时间，然后随着时间的增加逐步削弱直至消失，整个过程时间很短，在宏观上可以理解为瞬时。此外，波导丝外表面的磁场强度不仅最大，而且消失的最快，这种磁场特性有利于单一弹性波的产生，避免了信号间的干扰。这就为MDS测量的准确性奠定了基础。

        同样，为了更进一步对环形磁场的H-r关系进行分析，任选了儿个参考时刻。波导丝上的磁场强度随着离轴线的距离长度的增加而增强，并且增长幅度呈现先小后大的变化趋势，这主要是因为激励电流作用千波导丝产生了趋肤效应的缘故，这使得磁场线在波导丝表面处聚集。根据磁致伸缩位移传感器原理，波导丝表面处因威德曼效应而产生的微小形变是弹性波产生的基础。因此，磁场强度在波导丝表面处最强有利于加强威德曼效应的效果，进而起到增强弹性波，增大MDS量程的作用。此外可以看出，波导丝外表处的磁场强度不仅增加得快而且消失得也快，这有利千磁致伸缩的产生和消失，对后续回波信号的测试大有裨益。

5 信号特性测试

       信号特性测试是波导丝能否应用于磁致伸缩位移传感器最为关键的一步实验论证，其主要包括电子系统方案和信号测试结果两部分。磁致伸缩位移传感器信号测试系统主要由DSP微处理器，激励电流电路，波导丝单元，信号放大电路，AD采样电路以及通信电路等部分组成。

       测试长5m的波导丝前、中、末端时，示波器得到的回波信号如图8所示。由图可知，MDS采用Fes3Ga17波导丝后，不仅回波信号效果很好，而且波导丝对回波信号长距离传输过程中造成的衰减也很小。这不仅说明了Fes3Ga17波导丝具有良好的电磁特性，而且从电子学的角度对Clark的磁致伸缩特性研究和李纪恒的威德曼效应研究进行了论证。

6结语

      针对国产MDS因Fe-沁波导丝饱和磁致伸缩系数过小而导致的量程过短的问题，在Clark研究的基础上，提出了将Fes3Ga17波导丝应用千MDS的新方案，并从傅里叶分析和电磁学理论的角度建立了Fes3Ga17波导丝新的磁场模型。MATLAB对磁场模型的分析表明，Fes3Ga11波导丝的电磁特性有利于增强MDS的威德曼效应，这就为新方案提供了理论基础；测试系统对信号特性的测试结果表明，基于Fes3Ga,1波导丝的MDS具有回波信号强，长距离传输衰减小的特征，从而有助千增加MDS的最程，这在电子学上证明了方案的可行性。







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