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磁致伸缩位移传感是利用磁致伸缩效应研制的传感器。该传感器可以实现非接触、绝对式测量,具有高精度、大量程的特点,特别是由于磁铁和传感器并无直接接触,因此传感器可应用在恶劣的工业环境,如易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的场合。此外,传感器能承受高温高压和高振荡的环境。传感器输出信号为绝对数值,所以即使电源中断重接也不会对数据收构成问题,更无尖重新调整零位。由于传感器组件都是非接触的,所以即使测量过程理不断重复的,也不会对传感器造成任何磨损。
研制中涉及的关键技术有:
(1)大电流周期激发电路的设计;
(2)微弱信号的检测、信号的滤波、放大、电压比较、峰值检验波、电压限幅等一系列电路的设计;
(3)基于单片机的高精度时间量测量。技术要求:测量范围0~8cm,精度0.1mm。测量范围不是很大,主要是受到实验所用波导钢丝本身长度的限制。
1 位移传感器的原理
磁致旋转波位移传感器,如图1所示。除位置磁铁外,所有其他元器件都安装在传感器壳体内,组成传感器的主体。位置磁铁通常装在一个运动部件A上,而传感器主体则装在一个固定的部件B上。
传感器工作时,电子信号和处理系统发给磁致波导钢丝间隔为T的激励脉冲电流ie该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝的旋转磁场。位置磁铁也产生一个固定的磁场。根据Widemanm效应,金属随其瞬间变形产生波导扭曲,使波导钢丝产生磁致弹性伸缩,即形成一个磁致旋转波。
由于G和ρ均为恒定(对于一定的波导管来说)的,所以传播速度也恒定。经过计算该旋转波沿着波导钢丝以2 800 m/s的速度向两边传播。当它传到波导钢丝一端的波检测器时被转换成电信号ua·通过测量磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间tL就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。这样,当部件A和B产生相对运动,通过磁致旋转波位移传感器就可以确定部件A的位置和速度。
在波导钢丝的另一端,磁致旋转波将通过减波元件被大大削弱,以避免反射的波形对测量精度造成影响。波反射器是用于改善电信号ua的波形和加强电信号的大小。
2 位移传感器的结构
根据这个原理,设计了总体的电子信号系统方案来检测这个磁致旋转波并送人到MCS51微型计算机处理。
(1)产生一个周期激励脉冲电流,该脉冲输入波导钢丝,以便围绕波导钢丝形成一个周期脉冲磁场。该脉冲的周期和宽度应通过微处理器编程来调节。为了获得较强的脉冲磁场,激励脉冲应具有足够的能量,即足够的电流。
(2)模拟信号处理,对从波检测器(检测线圈)输出的位置脉冲信号进行滤波和放大,以便比较处理。
(3)对放大后的位置脉冲信号进行零位或峰值检波,以便确定位置脉冲信号从位置磁铁传到检测线圈的时间。
(4)时间测量和信号处理(数字或模拟信号处理)。
(5)位置信号输出(数字电流和电压,模拟电流和电压)。
3 传感器性能指标测试及结果
为了给传感器系统进行定标,搭建了测试平台。测试平台由传感器主体、位置磁铁、螺旋测微器、印制电路板、LCD、FDPS-50BA型电源(输人220V,输出±15V,5 V)组成。
在搭建的平台上面对传感器的性能进行测量,主要包括传感器的线性度,迟滞和重复性。
3.1 传感器线性度
测量:在传感器测量整个0~80mm范围内,旋动螺旋测微器分别每隔5mm记一组数据,位置磁铁相应移动,连续取测量数据20组。
采用最小二乘法拟合直线的斜率为0.992,直线方程为Y = 0.15784+0. 992X,因此在0~80 mm范围内的线性度为0.387%。
3.2 传感器迟滞
将螺旋测微器在传感器的正反两个方向量程内来回移动,测量范围为0~80mm,测到的数据如图4。其中有正向测量和反向测量数值(每隔5mm测量1次),以及正反方向测量的差值△H。
3.3 传感器重复性
传感器在正行程和反行程测量各测2次的数据,其中还计算了重复性偏差。根据式(2)可计算出0~80mm满量程的重复性误差指标el=±0.287%.。
3.4 传感器其他静态特性
3.4.1 传感器的分辨力
经过测试系统测试,移动螺旋测微器±0.056mm,传感器LCD显示值改变±0.056mm。
3.4.2 稳定性
在测试时,将传感器设定在一固定点,然后分别在4h读取数据1次,测得值分别为31.62 mm, 31.56 mm, 31.56nm, 31.62mm。稳定性误差为0.06mm。传感器通、断电几次后在此位置读数,仍旧为31.62,验证了磁致伸缩传感器不受掉电影响。
温度稳定性是指传感器在外界温度变化下输出量发生的变化。测量传感器温度稳定性时,分别在房间温度为15℃和室外温度为1℃测量,读数变化为0.06 m,即温度稳定性误差为0.06 mm。
3.4.3 测试系统灵敏度
移动螺旋测微器0.05mm,测到传感器LCD屏上变化0.056mm,此测试系统的灵敏度为1.12。
综上,经过实验测得传感器的静态特性,可知传感器的线性度为0.387%,迟滞误差为0.256%,重复性误差为±0.287%,分辨力为0.056mm。磁致伸缩位移传感器的自身精度很高,理论可以达到μm级,现在实际分辨力只有0.056mm。
4 结束语
在搭建的平台上对磁致伸缩位移传感器进行了进一步的误差分析。误差主要还是在传感器的一些性能指标上。磁致伸缩传感器的主体部分及位置磁铁开发与研制,经实验测试,结果理想,位置磁铁在传感器不同的位置都有一不同的信号反_映。信号处理电路中占空比可调的脉冲激发控制信号电路部分设计,经实际的电路调试结果理想。脉冲激发电路用不同方案设计并综合考虑到实际电路实现,在ORCAD上模拟效果理想。进一步提高精度有几种方案。比如用DSP芯片来测量位移。40MHz的TMS320LF2407型DSP芯片,时钟周期t=1/40M=25ns, DSP无需分频,则位移分辨率为70μm,也可以用复杂可编程逻辑器件(CPLD),它具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点,CPLD可实现系统编程,而且能重复多次,使用CPLD器件进行开发,不仅可以提高系统的集成化程度、可靠性和可扩充性,而且还可大大缩短产品的设计周期。磁致伸缩位移传感器技术必将广泛应用于我国的各项工业领域中。
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