磁致伸缩位移传感器反射波电压特性与阻尼参数优化

磁致伸缩位移传感器反射波电压特性与阻尼参数优化

孙 英 张耀松 陈 铮 任雷浩 郑 岩

 

 

 

 

 

       磁致伸缩材料中的铁镓合金在低磁场下能够产生较大的磁致伸缩应变，同时具有应力灵敏度高、抗拉能力强、材料成本较低和易于制备等优点，因此广泛应用于传感器、换能器、制动器、机器人等领域。磁致伸缩位移传感器以线圈为检测装置，其输出量为电压信号。研究主要集中在构建输出电压模型和扭转波衰减特性等方面。在提高磁致伸缩位移传感器稳定性和测量准确性、降低干扰信号，尤其是反射波信号对输出电压有效信号的影响等方面研究较少。本文基于材料力学分析波导丝所受摩擦力对应力波传播的影响，阐述阻尼与波导丝之间的摩擦力来源及其与阻尼参数之间的关系，进而推导不同阻尼直径、长度和邵氏硬度等参数下的磁致伸缩位移传感器反射波电压模型。基于该模型得到阻尼参数与反射波电压之间的关系，通过对该模型的分析计算确定阻尼参数的最优范围，通过实验对不同阻尼参数作用下的反射波电压幅值变化进行对比。

1 基本结构与工作原理

       当位移传感器工作时，脉冲驱动电流产生的环形激励磁场与活动永磁体产生的轴向偏置磁场叠加形成螺旋磁场。由魏德曼效应可知，在螺旋磁场的作用下，波导丝会发生形变产生扭转应力波，应力波以一定的速度向波导丝两端进行传播。当扭转应力波传播到检测线圈时，由于磁致伸缩的逆效应，扭转波信号将会导致波导丝内部的磁通发生改变，被检测线圈检测。

2 阻尼对传感器反射波电压的影响分析

2. 1 反射波信号的产生

         当脉冲电流产生的环形激励磁场传播到永磁体处时，将与永磁体产生的轴向磁场相叠加产生螺旋磁场。此时波导丝会产生扭转应力波，该应力波由永磁体处向波导丝两端传播，当应力波传播到固定端时，应力波会在两端都发生反射，发生反射后被检测线圈检测到形成反射波。由于传感器左右两端产生的反射波信号的过程相同，本文重点分析右端产生的反射及其造成的反射波电压。

        感器有效信号与右侧所产生的反射波信号的波形可以看出，当反射波信号幅值大于所设置的阈值电压时，反射波信号会被识别为有效信号造成误检测，影响磁致伸缩位移传感器工作的稳定性和测量准确性。

2. 2 阻尼作用下传感器反射波电压模型

        在磁致伸缩位移传感器中，螺旋磁场由激励磁场与偏置磁场两部分叠加而成，波导丝在螺旋磁场作用下产生应力波，螺旋磁场作用下磁致伸缩位移传感器的输出电压。传感器量程不大时，可以忽略应力波在波导丝中的自然衰减［22］，应力波从永磁体处产生并在波导丝中传播。当没有阻尼作用时，传感器输出电压在波导丝上各个位置相同均为 e1 ; 当阻尼作用在波导丝上时，应力波在阻尼作用下会发生衰减，导致传感器的输出电压减小。

        当检测线圈开路时，线圈中不存在感应电流，线圈自身不会产生磁场，线圈中磁感应强度 B 的变化来源于波导丝在机械应力作用下的磁感应强度变化。磁致伸缩位移传感器中阻尼通常采用橡胶等粘弹性材料，阻尼对应力波具有衰减作用，该作用来源于波导丝在扭转形变时与阻尼材料发生的摩擦。由于摩擦作用发生在波导丝与阻尼的接触面，利用微元法对波导丝表面的受力情况进行分析，弹性压力与阻尼长度、直径和邵氏硬度等参数密切相关。

        当确定了磁场、波导丝材料、检测线圈结构以及阻尼与波导丝之间的摩擦因数后，磁致伸缩位移传感器反射波电压主要取决于阻尼长度、直径及邵氏硬度等参数。分析阻尼参数对反射波电压的影响，并通过实验进行验证，选取合适的阻尼，使得反射波电压远远小于输出电压有效信号，最大程度上降低反射波信号对有效信号提取造成的影响。

3 反射波电压计算

       利用计算传感器反射波电压。波导丝选用性能较好的 Fe Ga 波导丝，偏置磁场与脉冲激励磁场相同时能够产生较大的输出电压。因此，本文选择偏置磁场和激励磁场均为5 kA /m，两磁场作用能够产生磁场强度为7 kA /m 的螺旋磁场，此时磁致伸缩位移传感器可以产生较大的有效信号。

，阻尼参数中阻尼长度、直径和邵氏硬度等参数都会对反射波电压幅值造成影响。从式( 16) 可以看出，在阻尼参数 A 表达式中，阻尼长度、直径及邵氏硬度三者分别与阻尼参数 A 呈正比关系。经过分析计算发现阻尼直径从 10 mm 变为 5 mm 时 ln( d /H) 的值变化了 0. 03，说明阻尼直径的变化对阻尼参数 A 的影响很小，因此本文选择与塑料套管的内径相同、直径为 10 mm 的阻尼，进而分析该直径下阻尼长度和邵氏硬度的变化对反射波电压幅值的影响。

3. 1 阻尼长度与反射波电压的关系

        邵氏硬度为 25、30、35 下阻尼长度与反射波电压之间的关系可看出，在邵氏硬度为 25、30、35 时，随着阻尼长度的增加反射波电压幅值的变化情况基本相同，均随着阻尼长度的增加逐渐减小。当阻尼长度超过 4 mm 后，反射波电压幅值下降幅度增大。当反射波电压为零时，邵氏硬度为 25 所对应的阻尼长度为 16. 6 mm; 邵氏硬度为 30 所对应的阻尼长度为 15. 2 mm; 邵氏硬度为 35 所对应的阻尼长度为14. 2 mm。

3. 2 阻尼邵氏硬度与反射波电压的关系

        选取了阻尼长度分别为 5、10、15、20 mm 的阻尼，分析了各个长度下阻尼邵氏硬度与反射波输出电压之间的关系。由图 6 可看出，在阻尼长度为 5、10、15、20 mm的情况下，随着阻尼邵氏硬度的增加反射波电压幅值变化趋势基本相同，均随着邵氏硬度的增加反射波电压幅值逐渐减小，并且随着长度的增大，反射波电压幅值的变化幅度增大。还可以看出，当反射波电压为零时，长度为 5 mm 的阻尼邵氏硬度为 78; 长度为10 mm 的阻尼邵氏硬度为 58; 长度为 15 mm 的阻尼邵氏硬度为 33; 长度为 20 mm 的阻尼邵氏硬度为12.

        阻尼长度和邵氏硬度的变化都对反射波电压的幅值产生影响，阻尼长度和邵氏硬度的增大，均会使反射波电压幅值降低。分析反射波信号产生的原因及阻尼参数与反射波电压之间的关系，可以根据实际情况选择最佳的阻尼参数，使其能够大大降低反射波电压幅值。反射波电压幅值越小，反射波电压对有效信号提取的影响就越小。

4 实验与结果分析

4. 1 实验平台搭建

       实验选用直径为0. 8 mm、长度为 1 m 的铁镓丝，并将其固定在内径为10 mm、外径为 12 mm 的铁氟龙塑料管内，铁镓丝末端采用橡胶阻尼固定，然后再将其放入内径为 13 mm、外径为 15 mm、壁厚为 2. 5 mm 的 316L 的不锈钢探杆中。实验中使用的电源为稳压电源，能够为后续信号调理电路提供稳定的工作电压。信号发生器采用 TFG6092A 型，脉冲频率设定为 1 000 Hz，宽度为7 μs，高电平为 5 V。检测线圈采用直径 0. 06 mm 的铜漆包线绕制而成，其长度为 10 mm，平均半径为2 mm，匝数为 800 匝。检测线圈套在波导丝的头部用于接收信号，信号显示采用 DPO3014 型四通道示波器，显示输出的电压信号。

4. 2 阻尼长度对反射波电压的影响

       实验对半径为 10 mm 和邵氏硬度分别为 25、30、35 的阻尼进行研究，分析不同阻尼长度作用下的传感器反射波电压变化情况。在 3 种不同阻尼邵氏硬度下，反射波电压幅值均随着阻尼长度的增大而逐渐减小，其变化趋势基本相同。邵氏硬度越大，反射波降为零所需要的阻尼长度越短。邵氏硬度为 25、阻尼长度为 16 mm 时反射波电压幅值降低为零; 邵氏硬度为 30、阻尼长度为 14. 8 mm 时，反射波电压幅值降低为零; 邵氏硬度为 35、阻尼长度为 13. 7 mm 时反射波电压幅值降低为零。

4. 3 邵氏硬度对反射波电压的影响

       实验对半径为 10 mm 和长度分别为 5、10、15、 20 mm 的阻尼进行研究，记录了不同邵氏硬度的阻尼作用下反射波电压幅值的变化情况。在不同阻尼长度下，反射波电压幅值随着邵氏硬度的增大而逐渐减小，且阻尼长度越长，反射波幅值随阻尼邵氏硬度的增大变化的幅度也越大。阻尼长度越长，使得反射波电压幅值降为零所需的邵氏硬度越小。阻尼长度为 5 mm、邵氏硬度为 74 时反射波电压幅值降为零; 长度为10 mm的阻尼在邵氏硬度为 56 时反射波电压降为零; 阻尼长度为 15 mm、邵氏硬度为 31 时反射波电压幅值降为零; 阻尼长度为 20 mm、邵氏硬度为 10时反射波电压降为零。反射波电压幅值越小，反射波电压对有效信号提取的影响越低。

       实验发现，当阻尼长度小于 5 mm 时，其对应的邵氏硬度大于 80，此时阻尼类似于固定端，在阻尼作用处会有新的反射波干扰出现。因此在对阻尼进行选择时，应避免阻尼长度过短和邵氏硬度过大。 

4. 4 阻尼实验误差分析

       阻尼长度和邵氏硬度变化对反射波电压的影响，实验分析与理论计算中的反射波电压幅值变化情况基本相同。实验结果与理论计算。当反射波电压幅值为零时，阻尼长度与邵氏硬度存在一些误差，实验数据比理论计算值均偏小。阻尼长度和邵氏硬度变化的误差主要是由扭转应力波在波导丝中传播时衰减以及应力波在末端经过反射产生的衰减造成。

4. 5 阻尼参数选择

       在实际情况下由于电磁干扰等噪声信号的存在，一般电压在 5 mV 以下都不在提取范围。从理论计算与实验分析中发现，为使反射波电压幅值降为 5 mV 以下，在阻尼直径为 10 mm 的情况下，阻尼长度和邵氏硬度的取值可以为: 长度 5 mm、邵氏硬度 75; 长度 10 mm、邵氏硬度 50; 长度 15 mm、邵氏硬度 30; 长度 20 mm、邵氏硬度 15 等。

       考虑到阻尼长度对位移传感器量程的影响，在能够使得反射波电压不影响有效信号的情况下，阻尼长度应越短越好。当阻尼长度小于 5 mm 时，此时邵氏硬度较大，会有新的干扰产生。因此给出了阻尼长度取值范围为 5 ～ 10 mm，邵氏硬度取值范围为 50 ～ 75。

       利用实验室所搭建的平台对不同阻尼参数作用下反射波电压幅值变化进行比较，得到的输出电压波形可以看出，在无阻尼时反射波电压幅值约为 75 mV; 在直径为 10 mm 时，长度 10mm 和邵氏硬度 20、长度 15 mm 和邵氏硬度20、长度 10 mm 和邵氏硬度 40、长度 10 mm 和邵氏硬度 50 的阻尼作用下反射波电压幅值分别约为50、37、18、4 mV; 在所选最优阻尼( 直径 10 mm、长度10 mm、邵氏硬度 50 ) 作用下有效信号电压约为100 mV并保持不变，反射波电压幅值从 75 mV 降至4 mV 左右，约为原来的 1 /15，远小于传感器有效电压信号，不会对传感器造成干扰。

5 结论

( 1) 基于磁致伸缩位移传感器输出电压模型及阻尼对应力波的吸收衰减作用，构建了阻尼作用下磁致伸缩位移传感器反射波电压模型，获得阻尼参数与反射波电压之间的关系。通过理论分析与实验验证发现，阻尼参数对反射波电压幅值有很大影响，随着阻尼长度和邵氏硬度的增加，反射波电压幅值逐渐减小。

( 2) 考虑到阻尼长度对传感器量程影响及阻尼长度较短、邵氏硬度较大带来的干扰等因素，确定了阻尼长度取值范围为 5 ～ 10 mm、邵氏硬度取值范围为 50 ～ 75，通过实验对不同阻尼参数作用下的反射波电压幅值变化进行比较。在长度为 10 mm、直径10 mm 和邵氏硬度为 50 的最优阻尼作用下反射波电压幅值从 75 mV 降至 4 mV 左右，对反射波电压起到了很好的抑制作用，基本消除了反射波对有效信号提取造成的影响，提高了传感器的稳定性与测量准确性。

 

 

 

 

 

 

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