磁致位移传感器检测线圈和驱动脉冲优化设计
作者：张岚；卜雄洙；赵文




       在磁致伸缩式位移传感器中,检测线圈和驱动脉冲的设计直接影响整个系统的精度。基于弹性波理论和法拉第电磁感应定律,分析了加载在波导丝上的驱动脉冲和检测线圈的各项特性参数对感应波形的影响,通过试验选择了同时满足理论推导和实际应用的佳值并进行了相关参数优化设计。经试验验证,优化后的传感器系统能够输出高信噪比的前端感应信号。

0　引言

工业生产对位移测量提出了越来越高的要求。磁致伸缩位移传感器在大量程、高精度、多参数测量方面,以其稳定而优异的性能正逐渐取代传统的浮子式、电阻式、电容式和超声波等位移传感器。随着该技术的不断完善,磁致伸缩位移传感器在自动化控制领域有着广阔的应用前景。在磁致伸缩式位移传感器中,驱动脉冲和检测线圈的设计直接影响整个系统的精度。其中,优化驱动脉冲电流可增大线圈输出信号,提高线圈的信噪比;优化检测线圈可以提高线圈的磁电转换率和灵敏度,从而增大前端信号输出,方便后续调理电路对信号进行处理。本文主要介绍以上两个因素对线圈输出信号的影响,通过理论分析和试验验证,确定优参数,提高输出感应信号的信噪比。

1　磁致伸缩式位移传感器原理

      磁致伸缩式位移传感器的主要结构如图1 所示。

      它包括传感器头部、波导丝(磁致伸缩丝材) 、探测杆、活动磁铁和阻尼,其中传感器头部主要包括电路部分和检测线圈。

      当进行位置测量时,电子腔产生驱动脉冲并沿波导丝传播,同时产生环形磁场,当该磁场传播到活动磁铁位置时,与磁铁产生的轴向磁场相叠加,合成为一个螺旋磁场。由于磁致伸缩效应,波导丝发生瞬间形变产生扭转波,该波以超声波速度向两端传播。当传感器头部的检测线圈感应到扭转波信号时,该时刻与产生驱动脉冲时刻的时间间隔乘以扭转波波速即为活动磁铁的当前位置。传感器尾部装有吸收多余扭转波的阻尼,可避免由于波的反射干扰信号检测。

 

       根据法拉第电磁感应定律,检测线圈两端的扭转波感应电压与输入量变化的关系,N 为感应线圈匝数; S 为线圈截面积; Vs =Vs ( tu, d) ,其中tu为驱动脉冲脉宽, d为活动磁铁与波导丝的间距;λ为由扭转波引起的波导丝动态伸长量;He为因驱动脉冲电流Ie 而产生的环形磁场强度。由式(1)可知,对于已选定的波导丝,在活动磁铁磁场强度和间距d固定的前提下,输出感应电压主要取决于感应线圈的结构和脉冲电流的特性参数。在磁致伸缩传感器的实验平台中,驱动脉冲由脉冲发生器产生,经电流放大后加载到波导丝上。检测线圈的输出信号经调理电路放大后,通过数据采集卡直接导入PC中进行处理。

2　检测线圈分析和设计

      目前,检测扭转波的方式主要有压电陶瓷换能器、扭转片和线圈3 种[ 5 ]。本文采用了具有非接触测量、结构简单、成本低的线圈检测方式。线圈可检测到脉冲和扭转波两种感应电压。脉冲感应波形是由驱动脉冲引起的环向磁场使波导丝发生磁化而产生的,扭转波感应波形是由波导丝的磁致伸缩逆效应引起的交变磁场而产生的。这两种波形共同组成前端感应信号,送入后续电路中进行放大比较处理[ 6 ] 。感应线圈数学模型等效为一个欠阻尼二阶系统.

     为提高线圈的动态响应特性, 要求ξ在0. 6～0. 8之间, wn 大于脉冲电流频率的5 倍。因此,应综合考虑线圈的匝数、截面积及其他参数对这两种感应波形的影响。

2. 1　线圈结构参数

       线圈的结构参数包括线圈和骨架的材料、线圈线径、绕组长度以及线圈截面积。绕制线圈的材料要求有较好的导电性和导热性,机械性能较高,易于绕制,一般选择铜线作为线圈材料[ 8 - 9 ]。绕制线圈的骨架需要采用稳定性好、线膨胀系数小的非铁磁性材料,并要求有足够的耐热、抗潮性质和机械强度,故选用聚碳树脂作为骨架材料。要提高线圈的灵敏度和品质因数,需要增加线圈的电感,减少电阻,所以选择线径较粗的铜丝,但增大L 和减小R 会使ξ和ωn变小,使振荡持续时间增加。

       综合考虑后选择线径为0. 08 mm的漆包线绕制线圈。当扭转波传播到线圈处时,该处波导丝中的磁畴发生偏转,引起轴向磁通量的变化,由线圈感应到的线圈感应扭转波的起止时间间隔即为扭转穿过线圈所需的时间,将此段时间间隔乘以波速即得到绕组长度。当绕组长度为扭转波半波长的整数倍时,线圈恰能感应出大的电势差,而考虑到线圈结构尺寸的限制和绕制线圈的方便性,选定线圈的长度为2 cm。已知线圈截面积为S,波导丝截面积为Sr ,线圈内的气隙空间与磁滞损耗成正比,与线圈的灵敏度成反比。设γ= S /Sr 为线圈的填充系数,当γ≥1 /4 时,线圈的磁滞损耗较小,灵敏度较大[ 4 ]。现确定波导丝的截面积为π/4 mm2 ,考虑到骨架的厚度,选择线圈的截面积为πmm2。

2. 2　线圈匝数的确定

       由电磁感应理论可知,线圈的匝数与扭转波感应电压的输出成正比,增加感应线圈匝数可提高灵敏度。但匝数的增加也会带来不利的影响: ①输出噪声大阳城娱乐增长,从而降低信噪比; ②线圈的L、R、C也大阳城娱乐增加,使ωn减小,ξ变大,线圈响应脉冲后的振荡持续时间延长,脉冲感应波形振荡次数增多,动态响应变差。分别取线圈匝数N 为100、300、400 和500,经过相同的调理电路放大1 000 倍,记录不同线圈匝数对应的感应波形和扭转波形.

        由于后续调理电路的放大倍数为1 000 倍,所以图2中的部分信号已经饱和,但仍能看出线圈匝数分别与扭转波感应电压幅值和脉冲感应信号振荡持续时间成正比。因此,增加匝数虽能提高线圈灵敏度,但也会延长振荡持续时间。由于振荡时长直接影响到传感器有效行程起点的设置,振荡时间越长,起点设置就越靠后,有效量程也越小,所以通过对线圈灵敏度和振荡时长的权衡,选择线圈匝数为300匝的线圈。

3　驱动脉冲分析和设计

     本文中选用的波导丝材料是镍铁合金丝Fe60Ni40 ,其一阶扭转波波速为2 850 m / s,频率为72 kHz,波长λu = 4 cm,饱和磁致伸缩系数λs = 25 ×10 - 6。驱动脉冲参数的设计应与波导丝的磁弹特性相匹配,以获得好的信噪比。在此考虑的脉冲参数有频率、脉宽及幅值。

       对周期性窄脉冲电流进行傅里叶频谱分析可知,窄脉冲电流含有丰富的谐波信号,因此利用它来提高扭转波强度。脉冲频率f 应满足, L 为传感器量程, v为扭转波波速。当量程为1 m时,考虑到系统响应时间一般小于2 ms,脉冲频率范围应为0. 5～2. 8 kHz。本文设定的脉冲频率为1. 5 kHz。

3. 1　脉宽对感应信号的影响

        由式(1)可知,脉冲电流的脉宽直接影响着线圈感应信号的大小。根据本文的感应方式,当驱动波形为脉宽tu的窄脉冲时,输出的扭转波电压Vs 波形与tu 之间的关系.窄脉冲作为驱动波形可在其上升沿和下降沿处分别激发一次扭转波,且两次波形的相位刚好相反。由图3所示的脉宽与扭转波感应电压峰值关系可知,当脉宽tu < 5μs时,扭转波感应电压峰峰值与脉宽呈比例上升;当tu = 7μs时,两次波形的正半周期波形正好完全叠加在一起,合成出感应峰值好的扭转波,与tu =λ/ (2v)理论值相符;当tu > 14μs时,扭转波感应电压的幅值趋于稳定。

3. 2　脉冲幅值与感应电压关系

        由式(1)可知,扭转波感应电压的输出与He 的变化率成正比, (其中c为与材料的各项异性常数和饱和磁化强度有关的匹配常数) ,所以He的变化又引起材料磁致伸缩系数和磁化强度的变化,从而影响感应电压的输出。随着脉冲幅值的增加,扭转波感应电压幅值增加逐渐减缓,当脉冲幅值超过30 V时,感应电压趋于饱和,这与理论分析相符。考虑到传感器工业供电标准化,确定脉冲电流幅值为24 V。

4　试验与结果分析
      将优化后的驱动脉冲和检测线圈在磁致伸缩式位移传感器上测试,其中波导丝直径0. 5 mm,长1 m。当脉冲电压幅值为24 V、脉冲频率为1. 5 kHz、线圈长度为2 cm时,不同脉宽和匝数组合的感应电压曲线如图6所示。

      由图6可以看出,组合2虽然匝数与组合1相同,但受脉宽的影响,两次扭转波的正半周期没有完全线性叠加,扭转波幅值偏小;组合3虽然脉宽与组合1相同,且扭转波幅值比组合1 的还大,但受匝数的影响,脉冲感应波与扭转波的响应时间和振荡次数都大幅增加,使系统动态响应变差,也减小了传感器的有效量程;而组合1 在感应脉冲波时响应时间快、振荡次数,在感应扭转波时幅值也较大,能明显提高前端感应信号的质量。

5　结束语

      本文通过理论分析,讨论了磁致伸缩式位移传感器脉冲电流的脉宽、幅值以及线圈的绕组长度、匝数等对感应输出信号的影响,并通过试验对检测线圈和驱动脉冲的参数与结构进行了优化设计,减小了由于振荡、强度等对感应信号的影响。通过对比试验证实了优化设计的效果,为进一步提高传感器系统的检测精度和灵敏度提供了理论和试验依据。





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