宽温域磁致伸缩位移传感器输出电压模型及特性分析

宽温域磁致伸缩位移传感器输出电压模型及特性分析

李海毅 李明明 刘亚南   翁    玲 黄文美

 

 

 

 

 

 

       磁致伸缩位移传感器利用磁致伸缩丝或带材的Wiedemann 效应实现绝对式位移测量，以其测量精度高、抗干扰能力强、使用寿命长等优点，广泛应用于工业领域。特别在核反应堆的棒位探测[1]、航空航天执行器精确位置控制[2]等体积质量受限的应用条件下，磁致伸缩位移传感器相较于目前广泛应用的线性可变差动式变压器传感器（LVDT）具有质量轻、体积小和精度高的优势[3-4]。随着能源电力、航空航天等领域的发展， 迫切需要能够在高温环境（300～500℃）下稳定工作的位移传感器，但磁致伸缩位移传感器工作环境温度高于室温时，存在输出电压减弱、信号衰减增大、测量精度下降等问题，限制其高温应用。

        磁致伸缩位移传感器的测量原理是通过检测扭转波的飞行时间(TOF)，即永磁体处产生的扭转波传导至检测线圈的时间，乘以扭转波波速即为被测位移[6]。国内外学者在磁致伸缩位移传感器输出特性的理论研究方面做了大量工作。E.Hristoforou 等[7-8]从能量、磁化强度的增量变化方面分析了与磁致伸缩位移传感器输出电压的关系。A.Affanni 等[9]分析电流产生的激励磁场，研究脉冲电流脉宽与幅值对磁致伸缩位移传感器输出电压的影响。赵辉等[10]基于Wiedemann效应和电磁定律进一步给出了激励磁场与输出电压表达式，并提出双丝差动型结构，提高位移传感器的检测精度与抗干扰能力。康宜华等[11]基于磁源波动效应解释磁致伸缩位移传感器的信号产生机理，提出铁磁屏蔽的接收线圈结构，最大输出电压可达16mV。周新志等[12]研究了磁致伸缩、磁滞特性、周向和纵向磁场对输出的影响，明确了Wiedemann 效应在波导丝中产生弹性波的机理。张露予等[13-14]根据磁机耦合原理构建室温下磁致伸缩位移传感器检测电压输出模型并实验验证，当激励磁场与偏置磁场均为3kA/m、螺旋磁场强度为4.24kA/m 时，输出最大电压18.09mV。王博文等通过研究输出电压与波导丝磁致伸缩差的线性相关性，用Wiedemann 效应和逆磁致伸缩效应解释了位移传感器中扭转波和电压信号的产生，并发现Fe-Ga 相比Fe-Ni 波导丝输出电压提高40mV，精度提高2 倍以上。

       然而，以上研究均未考虑温度对传感器输出特性的影响，实际上，温度会对磁性材料的力磁性能产生影响，改变传感器的输出特性。文献[13-15]根据位移传感器的输出电压与螺旋磁场的函数关系，通过分析有效场、应力场和磁化强度的关系，得到应力和磁场共同作用下的输出电压模型。文献从磁畴角度分析应力对Wiedemann 效应的影响，结合铁基合金的非线性模型和磁致伸缩逆效应建立磁致伸缩位移传感器的输出电压模型。但上述理论模型只适用于分析室温下传感器的输出电压，而变温下的输出特性还不明确，目前建立的输出电压模型和结构设计不适用于高温环境建立非等温条件下的输出电压模型，研究变温、高温下施加在传感器上的脉冲电流、偏置磁场与输出电压强度的关系。模型可作为传感器波导丝选型和激励参数设计的依据，预测宽温域传感器的输出特性。

1 非等温磁致伸缩位移传感器输出电压模型

1.1 波导丝磁化理论研究

       磁致伸缩波导丝所受磁场是由永磁体产生的轴向偏置磁场Hb 和脉冲电流产生的环向激励磁场He 合成。不同磁场条件下，波导丝内磁畴分布状态变化如图1所示。考虑到磁畴壁运动和磁畴旋转，磁致伸缩波导丝的磁化过程十分复杂。由于磁致伸缩波导丝的软磁性能非常好，因此只需考虑可逆磁化过程。2 材料参数由输出模型可知，磁导率和模量较大的磁致伸缩材料有潜力获得更大的输出信号，Fe-Ga 系材料在低磁场下仍有较大的磁致伸缩系数且居里温度高，可应用于高温传感器。目前，参杂有Al 和B 元素后，Fe-Ga 材料具有更好的塑性，易于制备成丝材。

在氩气保护下，采用高纯金属（99.9wt%）通过感应熔炼制备标称成分为(Fe83Ga17)99.4B0.6、Fe82Ga13.5Al4.5 的铁基合金铸锭。两种铸锭分别在800℃和950℃下经过热锻和轧制加工成直径为8mm的线材，再由冷拔和热处理等多次加工，将线材直径减小到0.8mm。最后，用直流电源对(Fe83Ga17)99.4B0.6波导丝、Fe82Ga13.5Al4.5 波导丝分别施加8.5A 和8.8A的直流电，拉直条件下退火。通过综合物性测量系统（PPMS）测量了两种磁致伸缩材料的磁滞回线、磁致伸缩曲线和杨氏模量-温度关系。

       两种材料的磁滞回线如图2a 所示，插图为在低磁场下放大的磁化回路，可见在低磁场下曲线的斜率较大，并且其斜率越大对弱磁场越敏感，更有利于本研究中的传感器应用。图2b 使用标准应变仪技术测量材料的磁致伸缩系数，插图是所测试的应变片及波导丝样品，应变片附着在样品打磨光亮区域内且平行于丝轴。使用PPMS 测量样品的磁致伸缩系数时，磁场的施加方向垂直于测试样品打磨的一面。从所测结果来看，两种波导丝的饱和磁致伸缩系数较高，Wiedemann 效应较好。图2c 是所测得的两种Fe-Ga材料在20～400℃的杨氏模量变化曲线，可以发现杨氏模量E 在高温下的变化行为接近线性且有负的斜率，式（13）符合上述规律，并通过变化曲线确定L(c1/c)的值。应用于数值计算的材料参数见表1。磁致伸缩系数、磁化强度和杨氏模量取自测量值；磁化率和磁导率取自计算值；密度通过加权平均法获得；热膨胀系数、泊松比取自文献的[26]实验数据。

3 实验结果与分析

3.1 实验测试平台的搭建

        搭建了提供可调脉冲电流和轴向偏置磁场的变温测试装置如图3 所示，用于研究变温下波导丝的最佳激励参数。测试装置由波导丝、检测线圈、永磁体、示波器、直流电源、斩波电路和高温炉组成。波导丝通过陶瓷管的中心被铜夹拉直且两端装有阻尼，用于消除反射波造成的影响。检测线圈为直径0.1mm 的铜制漆包线绕制而成，内径3mm，外径7mm，高6mm，匝数为800 匝。采用SorensenXG600-1.4 可编程直流电源为斩波电路提供可调直流电。斩波电路为高带宽功率的MOSFET 电路，可向波导丝提供2～40A 的脉冲电流。脉冲电流的持续时间为7μs，周期为1ms。

       通过DSOX3024T 型的四通道示波器采集电压信号，示波器的通道1 与线圈的两个抽头相连，用于采集输出电压波形；通道2 与斩波电路输出端相连，用于控制脉冲激励电压。可以调节永磁体与陶瓷管距离的夹具。该装置分别将两块相同大小的、均沿平行于波导丝方向充磁的永磁体固定在两个基座上，把陶瓷管放在夹具中心，夹具的可调范围为5～45mm，通过调节夹具上两个基座之间的距离，从而测量不同偏置磁场下传感器的输出电压。永磁体选用Sm2Co17，规格为长度10mm，宽度10mm，厚度3mm（剩磁0.87T，矫顽力657.39kA/m）。使用F.W.Bell8030 霍尔效应高斯计沿波导丝轴向方向测量两个永磁体中心的磁场强度，两磁体之间的距离在12.40～29.60mm 范围内调节，波导丝上的轴向偏置磁场在5～30kA/m 范围内变化。

3.2 变温下传感器最佳激励参数分析

        为了得到变温下传感器最大输出电压的脉冲电流和偏置磁场，需选取较宽范围的激励参数研究。实验过程中脉冲电流施加范围为15～40A，每次调节5A；偏置磁场设置范围为5～30kA/m，每次增加5kA/m。测得25℃ 、150℃ 、250℃ 和350℃ 四个温度，(Fe83Ga17)99.4B0.6 波导丝、Fe82Ga13.5Al4.5 波导丝在不同Hb 和Ie 下实测（黑点）和计算（彩色填充面）的输出信号强度如图4 所示。从两种波导丝的输出电压随激励参数变化情况来看，实测值与计算值吻合较好，表明式（14）可以用于预测变温下传感器的输出电压幅值，从理论分析和实验结果上验证了模型的准确性。在较高的Hb 和Ie下，这两个结果之间存在较大偏差，这是由于在考虑热力磁耦合特性的模型简化中忽略了磁化的不可逆和非线性过程造成的。

       由图4 可知，(Fe83Ga17)99.4B0.6 波导丝的输出电压幅值较高，输出特性较好，但两组波导丝的输出电压幅值随着温度升高都呈下降趋势。因为温度升高，波导丝的磁化强度下降，导致磁化率和磁导率下降；同时波导丝的磁致伸缩系数、杨氏模量也会随着温度升高而减小。因此，在以上材料参数变化的影响下，导致输出电压幅值下降。

4 传感器结构优化与输出特性分析

4.1 传感器结构优化设计

       根据(Fe83Ga17)99.4B0.6 波导丝在变温下较大的输出信号，设计位移传感器样机验证高温输出性能。传感器硬件电路如图6 所示，主要包括信号发生模块和信号处理模块。由Boost 电路升压至70V，然后通过高带宽功率MOSFET 斩波为24.6A、脉宽为10μs、周期为10ms 的脉冲电流， 加载到波导丝两端满足(Fe83Ga17)99.4B0.6 最佳脉冲电流。MOSFET 驱动信号为高电平作为开始事件，检测线圈两端信号经过滤波和放大后，与触发电压（防止杂波干扰造成非移动位置磁铁的误触发）比较作为停止事件。通过TDC 测量两事件的时间差， 从而得到扭转波的飞行时间（TOF）。MCU 发出Boost 电路和MOSFET 的驱动信号，并将接收的TOF 时间计算位移通过串口发出。

        基于最佳脉冲电流设计的硬件电路可以实现扭转波飞行时间的精确测量，提高传感器的测量精度。传感器测量杆长度为2 400mm，有效测量范围为0～2 200mm，内部放置(Fe83Ga17)99.4B0.6 波导丝，外部为保护套管，起到电磁屏蔽的作用。测量杆外侧设置移动位置磁铁，其内部永磁体材质为Sm2Co17，尺寸为高8mm、直径3mm 的圆柱体，按最佳偏置磁场设计永磁体与波导丝之间的距离d。使用AnsysElectronics Desktop 软件构建传感器移动位置磁铁，结构如图7a 所示，其中永磁体轴向充磁，平行放置在波导丝上下两侧；磁轭材质为电工纯铁，形状为弯曲半径为d 的圆柱体极靴。参数化扫描距离d 与波导丝中心位置磁场强度的关系如图7b，磁场强度随着距离d 的增加呈指数下降。按照(Fe83Ga17)99.4B0.6 波导丝的最佳偏置磁场确定距离d 为16.7mm。图7c 显示移动位置磁铁周围磁场分布，偏置磁场方向与波导丝轴向方向一致，磁轭极靴使磁力线束更好的集中在波导丝上，提高传感器输出特性。

4.2 优化后的传感器输出特性分析

        为测试磁致伸缩位移传感器样机高温输出，搭建高温输出测试实验平台如图8a 所示。陶瓷棒炉外一端与光栅尺读数头相连，炉内一端固定在位移传感器的移动位置磁铁上，从而实现位移传感器和光栅尺的联动测量。移动位置磁铁、陶瓷棒和测量杆1 400～2 200mm 的部分在高温炉内工作。电脑与位移传感器串口相连输出位移量，示波器用来记录传感器在高温下线圈两端的输出电压波形。为了消除扭转波的声速随温度升高而降低的影响，采用无阻尼扭转波干涉的位移测量方法[27]，即通过取出波导丝两端的阻尼，使扭转波发生无阻尼反射，并调整脉冲电流的频率，实现扭转波与反射波发生干涉。在20～500℃下测量的传感器输出电压波形如图8b 所示。实验结果表明：20℃时输出电压最高，可达595.32mV，当温度升至500℃时，输出电压仍有254.67mV。输出电压不经放大就能达到较高幅值，说明传感器输出特性较好。

        除了获得较高的输出幅值外，设计传感器时还需要考虑噪声对扭转波检测的影响[28-29]。信噪比（SNR） 用于评估扭转波的有效性， 公式表示为SNR=20lg(P/Q)。其中，P 和Q 分别代表一个触发周期内有效信号强度和噪声信号强度，噪声信号为激励脉冲电压和检测电压之间的最大电压。噪声信号过大器需要较高的信噪比。通过设置合适的触发电压，可以得到检测电压和时间的坐标如图8b 所示。经计算得到，20℃ 时传感器信噪比为13.74dB，500℃ 为6.11dB，满足高温传感器的设计要求。

       通过光栅尺在零点和满量程标定后，在位移传感器测量杆的1.6m、1.8m 和2.0m 三个测量点，测量传感器随温度变化的非线性误差。如图8c 所示，位移传感器在20～500℃范围内由温升造成的测量误差为±1.3mm，在最大允许误差范围内。从图中可知，随着测量点位置的增加，测量误差逐渐变大，这与移动位置磁铁和检测线圈之间的距离有关。当移动位置磁铁距离检测线圈越远，扭转波的反射时间就越长，衰减情况越明显，输出电压的峰值变小，造成测量误差增大；同样，随着温度的升高导致传感器输出信号减弱，测量误差也会增大。

5 结论

       本文为拓展磁致伸缩位移传感器在高温、变温下的应用范围，通过提高传感器的输出电压消除温度升高引起的信号减弱和噪声干扰等不利影响，研究宽温域磁致伸缩位移传感器的输出特性。基于玻耳兹曼统计量、磁弹性耦合效应和德拜模型建立了非等温条件下磁致伸缩位移传感器输出电压模型。理论模型表明：随着温度的升高，磁致伸缩材料的磁化强度和杨氏模量降低，力磁耦合特性发生改变，传感器输出电压下降。故选用居里温度高、磁弹性能好的Fe-Ga 波导丝，从实验和理论上得到了变温下传感器的最佳激励参数。研究表明：在不同温度下，当激励磁场与偏置磁场相等或接近时，可获得最大输出幅值。

       基于建立的模型，确定波导丝的材料和最佳激励参数，制作磁致伸缩位移传感器样机。通过高温实验证明了制作的传感器工作温度范围宽、输出特性好、信噪比高、测量误差小，可以应用到高温、变温环境监测位置信息。研究结果可为工作在宽温域的磁致伸缩位移传感器设计优化提供理论指导。

 

 

 

 

 

 

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