磁致伸缩位移传感器应用研究

磁致伸缩位移传感器应用研究
作者：丁芳





       磁致伸缩线性位移传感器是利用磁致伸缩效应、电子技术、高精度时间间隔测量、电磁感应等多种技术组合而成的非接触式测量仪器。因其具有非接触式测量、传输距离远、适应恶劣环境且可靠性高等特点，在各种控制领域被广泛应用。随着电子技术的革新和新材料不断涌现，磁致伸缩位移传感器正朝着模块化、高智能化和远距离测量方向发展。相对于其他测量方式，基于磁致伸缩技术的位移传感器的优点主要有：

（1）精度高。传统位移传感器的测量精度只有 1%FS 左右，因磁致伸缩位移传感器将位移量转化为发射和返回脉冲的时间间隔进行测量，测量精度高到 0.002%FS。

（2）可靠性强。由于磁致伸缩位移传感器的非接触测量特性，被测物体与敏感元件不需要机械接触，没有摩擦磨损，而且其整个电路转换部分封闭在不锈钢管内，使其能承受高压、高温和强振动。

（3）量程大。磁致伸缩位移传感器的适用范围很广，测量范围很大，能胜任大型机械设备的测量任务。

（4）安装、维护简便。由于磁致伸缩位移传感器可以采用法兰安装方式，并且无需重新标定或定期维护，给使用者提供了方便。

（5）利于系统自动化。磁致伸缩位移传感器可以提供标准输出信号，便于微机进行联网信号处理工作，极大地提高了测量系统的自动化程度。

1、磁致伸缩现象及机理

       磁致伸缩现象是指铁磁晶体在外磁场中被磁化时，其长度尺寸及体积大小均发生变化，这一现象是由科学家 James Prescott 于1842 年发现的，这种现象有 3 种表现形式：（1）纵向磁致伸缩，是指沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化；（2）横向磁致伸缩，是指垂直于外磁场方向尺寸大小的相对变化；（3）体积磁致伸缩，是指铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化。

       横向或纵向磁致伸缩统称为线磁致伸缩。磁致伸缩效应与磁化过程存在一定的关系，只有在铁磁体磁化达到饱和以后的顺磁过程中，体积磁致伸缩才能明显地表现出来。当在极化条件下，磁晶体在受到外界交变应力作用时，在其内部将产生一个交变的磁场。无论是哪一种磁致伸缩，都是可逆的。其中主要的应用最广泛的是纵向磁致伸缩效应，因此，一般所说的磁致伸缩都是指纵向磁致伸缩。

       磁致伸缩材料的主要特性有：（1）维拉里（Villari）效应：即逆磁致伸缩现象，是指给磁性体施加外力作用，其磁化强度发生变化，

可用于制作磁致伸缩传感器。（2）焦耳（Joule）效应：磁性体被磁化时，其长度发生变化，可用来制作磁致伸缩制动器。（3）威德曼（Viedemann）效应：当有电流通过有适当磁路的磁性体时，磁性体发生扭曲变形，可用于扭转马达。（4）dE 效应：杨氏模量随磁场变化而变化，可用于声延迟线。（5）Anti-Viedemann 效应：使磁性体发生扭曲，且在二次线圈中产生电流，可用于扭转传感器。（6）Jump效应：当外加预应力时，磁致伸缩随外场而发生跃变式增加，磁化率相应改变。

2 磁致伸缩位移传感器设计原理

2.1 工作原理

       磁致伸缩位移传感器工作过程基本上按如下 3 个环节进行：（1）转波应变脉冲的产生：当有瞬时电流脉冲通过磁致伸缩波导丝时，将产生一个环形磁场，该环形磁场与永久磁铁的纵向磁场叠加，产生一个螺旋磁场；由于磁致伸缩周向效应，该磁场在一定条件下将引起该波导丝磁化点瞬时扭转形变，而且扭转应变的程度只与周向的波动磁场有关。（2）扭转波的传播：扭转形变采用超声波的形式沿波导丝向两边传播。（3）扭转波的接受：利用逆磁致伸缩效应原理，用线圈把扭转应变转换成电压信号，然后测试线圈的电势值。

2.2总体设计原理

       根据磁致伸缩位移传感器的测量机理，位移传感器的硬件电路系统包括模拟电路部分和数字电路部分，模拟电路部分包括激励脉冲产生、放大、回波接收和整形等，数字电路模块包括时间间隔测量、温度测量等。

       模拟电路包含 2 个部分，一部分是用来给波导丝提供驱动脉冲的电路。由磁致伸缩位移传感器的测量机理可知，驱动电流脉冲的时间间隔，电流脉冲的波形、脉宽以及电流强度都要有一定的要求。另一部分是对波导丝产生的扭转应力波进行检测，首先通过检测线圈将应力波转换为电脉冲，此电脉冲很弱，只有几毫伏，对此脉冲进行滤波放大后再输入到一个比较器，从比较器输出一定幅值的脉冲信号，最后送入脉冲整形电路，输出提供给数字电路部分。数字电路部分在接收到来自模拟电路输出的代表位移的电脉冲之后，送入到时间间隔测量电路计算出时间间隔测量并送入微处理器中，同时温度补偿电路检测到的温度值也送入微处理器，微处理器对时间值进行校正。另外，将结果在数码上进行显示。

3 磁致伸缩位移传感器优化测量精度分析及措施

       影响磁致伸缩传感器测量精度的因素是多方面的，如使用环境、材料因素、温度等，它们分别以不同方式对测量精度产生影响。 

3.1 波导丝对精度的影响及改进措施

       磁致伸缩液位传感器是基于维拉里效应和威德曼效应原理来工作的，扭转波接收薄带和磁致伸缩波导丝作为其 2 个重要的敏感元件，均采用磁致伸缩材料制成，因此磁致伸缩材料的设计和选材是传感器的基础和关键部分。波导丝材料对测量精度影响主要表现在：（1）材料成分：由前述可知，磁致伸缩材料主要分为铁氧体磁致伸缩材料、金属磁致伸缩材料和稀土铁磁致伸缩材料 3 大类。其中不同材料的磁致伸缩系数差别很大，如稀土超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数高达 1 000×10-6，而金属磁致伸缩材料其饱和磁致伸缩系数较低，仅有 20×10-6～100×10-6。（2）波导丝加工工艺：波导丝表面加工工艺精密程度也影响到测量精度，例如波导丝表面有凹陷、凸起以及局部弯曲等不连续性表现，这些不连续性或不均匀）表现会引起超声波干涉、反射等现象，波导丝的不连续性直接导致了信号检测的不确定性，即波导丝在不同位置上时检测信号的幅值大小各不相同，有时甚至检测不到信号。（3）波导丝安装：波导丝的安装方式有差动线圈检测、线圈直接检测、扭转片检测等方式，不同的检测装置接收到信号强度一般明显不同，比如线圈直接检测方式接收到回波信号强度不如差动检测方式，这些都会影响到传感器测量精度。

要减小波导丝对测量精度的影响，首先在选材上应尽可能选择饱和磁致伸缩系数大的金属或合金等作为波导丝的材料，这样不仅可以增加接收到的回波信号幅度，而且还能增强系统的抗干扰能力。其次是改善波导丝表面工艺，使缺陷尽可能的少。最后选用扭转片检测、差动线圈检测或者更好的波导丝安装方法。

3.2 温度对精度的影响及改进措施

       一方面，温度的变化影响扭转波传播速度和饱和磁致伸缩系数，这些参数的变化将产生测量误差。例如超磁致伸缩材料 Tb27Dy73Fe2。在一定的预压力下，随着温度由低温上升到室温（20 ℃），磁致伸缩系数随之上升较快。另一方面，温度变化对回波速度产生影响，原因在于扭转波在磁致伸缩波导线中的传播速度 v 是关于波导丝密度、应力、材质、温度等多个物理量的函数，并且磁性材料的所有磁性参数都与温度有密切关系，特别是对物理结构敏感的参数随温度变化更加显著，所以扭转波在波导丝上的传播速度并不是恒定的，而是相应变化的。改进措施之一是降低波导丝材料对温度的敏感性，在材料中加入其他稀有元素，如用 Al、Be 或 Si 替代 Fe，会降低材料对温度的敏感度；改进措施之二是进行软件校正，通过软件编程对测量值进行修正，最大程度地减小误差。

3.3 时间间隔测量对精度的影响及改进措施

       考虑到时间测量精度直接关系到距离计算结果，所以测量精度便取决于我们究竟能把飞行时间分得多细，时间分辨率越高，测量精度也就越高。采用由计数器与高频晶振构成的时间量检测电路可以达到很高的分辨率，但是前提要求高频晶振频率必须非常稳定，计数器的晶振频率决定了传感器的测量的分辨力，计数频率越高，单个计数脉冲所表示的时间量就越小，分辨力也就越高，但晶振频率发生漂移时就会引起相应的测量误差。改进措施是改进测量方法或尽可能选用高分辨率的时间测量器件。

3.4 干扰对系统的影响

       所谓干扰，一般是指有用信号以外的其他噪声，它在信号输入、传输和输出过程中会出现一些有害的电气变化现象。这些电气变化现象迫使信号的指示值、传输值或输出值出现不可预料误差，甚至出现假象。干扰对电路的影响很大，轻则降低信号的通讯传输质量，影响系统信号传输的稳定性；重则破坏电路运行的正常功能，甚至造成电路之间逻辑关系混乱，电路逻辑控制失灵的严重现象。

4 结语

       本文主要介绍了磁致位移传感器的工作原理及优化其测量精度的各项分析及措施，包括波导丝、温度、时间间隔、干扰等对磁致位移传感器测量精度的影响。本文对提高磁致位移传感器测量精度，普及其应用作出了有益的探讨。






本文章转自爱学术（aixueshu.com），如有侵权，请联系删除