一种铁镍合金磁致伸缩位移传感器设计
作者：孔宁；王娟；鲍丙豪；曹一涵





0 引言

      阐述了基于铁锦合金材料的磁致伸缩位移传感器的工作原理，通过在磁伸材料两端施加电流脉冲信号，产生的纵向环形磁场与永磁产生的大阳城娱乐耦合产生磁弹性波，激励电流与反射弹性波在 检测线圈中产生两脉冲信号，其时差与永磁位移呈线性关系。设计了脉冲激励电流发生和检测线圈感应信号处理电路，将反映位移的两脉冲信号时差转换成脉宽调制(PWM)信号，从而实现了用时差和模拟电压反映位移量的两种输出形式。通过对量程 84 cm的铁锦合金材料实验2结果表明：当激励脉冲信号脉宽为10μs, 功放幅值为10. 3 V, 检测线圈匝数为600 匝时，时差和模拟电压测量位移量的线性度分别为0.165 %FS和0.175%FS。

      磁致伸缩位移传感器是利用力磁耦合产生的磁弹性波在磁伸波导丝中传播延时效应来实现位移测量。 该传感器具有测量精度高、测量范围大、重复性好、稳定性高、非接触测趾以及适用于恶劣环境等优点已被美欧等发达国家广泛地应用于石油、化工和机械制造等领域。美国MTS公司开发的最程为2 000 mm的R系列位移传感器，分辨大阳城娱乐达2 μ,m,线性度达土0.01% , 平均无故障时间高达20 年我国在磁致伸缩位移传感器研究方面虽与西方国家还有较大差距，但也正在积极探索，并取得一定成就.本文阐述了力磁耦合扭转应力波的产生和感应线圈检测磁弹性波产生电信号 机理，优化了磁致伸缩位移传感器的激励信号参数和检测信号脉宽调制(PWM)处理电路，所得传感器信号更易处理和控制，实现待测量DIA显示，并对优化后传感器性能进行相关分析。

1 磁致伸缩位移传感器的相关理论

1.1 力磁耦合扭转应力波产生分析

      磁致伸缩材料具有优异的电磁性能，当其同时受到纵向磁场和轴向环形磁场共同作用时，磁畴排列发生改变，在宏观上表现为材料的扭转，是单个磁畴受到磁场作用时的取向变化分析。此处不考虑温度变化影响，则磁畴的自由能仅由自身内应力和外界磁场定。磁伸材料未施加激励电流时，环形磁场H p =0, 此时磁畴仅受到内应力和永久磁体产生的轴向磁场凡作用，M1为磁畴平衡时取向。 是磁伸材料施加周期性瞬时激励电流IP 时，根据右手定则，在波导丝周围产生周期性的瞬时环形磁场与轴向磁场凡耦合叠加并共同作用于磁畴，机为此时磁畴平衡时取向，使磁畴取向在空间上偏转一定角度，磁畴的偏转引起材料宏观上扭转变形，使待侧位置处形成振动源，即产生力磁耦合扭转应力波，实现电磁能转换为机械能。

1.2 感应线圈检测磁弹性波产生电信号机理

      力磁耦合扭转应力波的检测方法是采用磁致伸缩逆效应实现 当待测位置处产生磁弹性波后，形成的振动源沿磁伸材料以声速v向两端传播，传向末端所引起的振动经阻尼装置吸收，根据逆磁致伸缩效应，传向前端的振动会产生扭转式冲击波，致使检测线圈处磁伸材料内部磁畴变化，进而引起其周围磁场改变。弹性波拾取装置，线圈直接缠绕到波导丝的一端，偏置磁铁用于整形检测线圈感应的激励脉冲信号。

2 磁致伸缩位移传感器测量原理

      传感器的工作原理，当激励信号模块产生的脉冲电流IP 施加于磁伸材料波导丝时，脉冲沿磁伸材料向前传播，根据电磁理论，其周围产生周向环形磁场(/Ja ' 该磁场与游标磁环产生的纵向磁场(/Jb 耦合得到瞬间扭转磁场ti>,'由于磁致伸缩效应，导致合成磁场处的磁致伸缩线内部磁畴发生瞬间形变，在波导丝表面形成力磁耦合磁 弹性波，并沿轴向以声速v向波导丝两端传播，传向末端的磁弹性波被阻尼器件吸收，传向激励端的信号则被检波装 置接收。 感应线圈感应产生的输出信号通过检测信号调理电路，得到正比于测量位移的信号，设磁弹性波的传播速度为V，通过计算磁弹性波从发生位置至测量基点减的时间T得出待测位移量，故磁铁至感应线圈的距离。

3 传感器电路系统设计

      磁致伸缩位移传感器电路结构框图，主要由激励信号产生电路、检测信号处理电路和DIA显示部分组成。

3.1 激励信号发生电路设计

      激励信号发生电路主要包括脉冲信号发生电路、单稳态触发电路和脉冲功率放大电路组成。本实验选用的铁镌合金材料直径0.75 mm、长度92 cm , 分析铁锦合金材料本身性能和相关理论，实验选用NE555 组成的多谐振荡器产 生周期为1.5 ms的矩形波信号。 为了方便后续电路脉宽可调，需给铁铢合金施加6-12μs的窄脉冲，本实验选用10μs的窄脉冲信号。由于单稳态电路输出的窄脉冲信号带负载能力弱，不足以直接驱动波导丝产生磁弹性波。 本文实验设计了由TDA1514构成的窄脉冲功率驱动放大电路，a曲线所示为脉冲功率放大信号，从图中可知，输出的窄脉冲信号幅值达10.3V, 实验所用铁镌合金直流电阻器为2.430,将激励脉冲信号加载到波导丝材料，其脉冲电流幅值高达 4.24 A, 满足实验激励要求。

3.2 传感器输出信号电路设计

      由于检测线圈的感应信号十分微弱，仅有几亳伏，且频率较高，还有杂坡干扰，故需将其进行滤波、放大等处理，曲线是感应信号滤波放大波形图，前两个信号分别为感应到的激励信号和磁弹性波信号，第三个信号是由磁弹性波信号传至传感器末端反射而形成的，故通过电压滞回比较电路得到三个脉冲信号。考虑到末端反射波脉冲信号对后续时间测量的影响，设计了PWM电路，采用CD4013构成D 触发器通过捕捉参考脉冲信号和比较电路的磁弹性波信号的脉冲上升沿而产生PWM信号，为了使参考脉冲信号与感应信号相位一致，本实验选用单稳态触发信号作为参考脉冲信号，且需调节合适的脉宽，使其大于感应信号激励波的脉宽，这样通过硬件电路有效地消除了末端反射波造成的影响，提高信号质蜇，触发信号的响应快，方便后续处理。

4 传感器性能测试与分析

       在实验环境下对传感器性能进行测试，本实验选用92cm铁铢合金材料实验，去除传感器检测线圈端和末端测量盲区，该传感器有效测量量程84cm,滑动磁铁组件，每隔3cm记录一组数据，同时，记录模拟式电压值和数字式时间示数，测得数据分别通过Matlab软件最小二乘法进行数据拟合，分别为数字式和模拟式最小二乘法拟合曲线，通过数字式和模拟式拟合曲线 可以看出：实验测得数据均匀地分布在拟合直线上，且在该传感量程范围内拟合 线性度高。

5 结束语

      本文设计了一种数字／模拟式铁铢合金磁致伸缩位移传感器，研究并分析力磁耦合扭转应力波产生和感应线圈检测磁弹性波产生电信号机理，在PWM电路设计中，通过触发电路很好地消除了波导丝末端反射波信号。 根据传感器相应参数标定实验，当激励脉冲信号脉宽为 10μs,激励功放幅值达10.3 V, 检测线圈匝数为600匝时，该传感器的激励脉冲信号驱动铁锦合金波导丝效果理想，两种反映铁铢合金磁致伸缩位移传感器测量线性度的输出方式线性度 相当基本能够满足设计的整体要求，该传感器系统设计成本低，结构简单，为后续基于磁致伸缩效应的相关位移传感器的开发研制奠定了基础。





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