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    磁致伸縮位移傳感器應用研究

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2020-11-16 11:19

      

           磁致伸縮線性位移傳感器是利用磁致伸縮效應、電子技術、高精度時間間隔測量、電磁感應等多種技術組合而成的非接觸式測量儀器。因其具有非接觸式測量、傳輸距離遠、適應惡劣環境且可靠性高等特點,在各種控制領域被廣泛應用。隨著電子技術的革新和新材料不斷涌現,磁致伸縮位移傳感器正朝著模塊化、高智能化和遠距離測量方向發展。相對于其他測量方式,基于磁致伸縮技術的位移傳感器的優點主要有:
    (1)精度高。傳統位移傳感器的測量精度只有 1%FS 左右,因磁致伸縮位移傳感器將位移量轉化為發射和返回脈沖的時間間隔進行測量,測量精度高到 0.002%FS。
    (2)可靠性強。由于磁致伸縮位移傳感器的非接觸測量特性,被測物體與敏感元件不需要機械接觸,沒有摩擦磨損,而且其整個電路轉換部分封閉在不銹鋼管內,使其能承受高壓、高溫和強振動。
    (3)量程大。磁致伸縮位移傳感器的適用范圍很廣,測量范圍很大,能勝任大型機械設備的測量任務。
    (4)安裝、維護簡便。由于磁致伸縮位移傳感器可以采用法蘭安裝方式,并且無需重新標定或定期維護,給使用者提供了方便。
    (5)利于系統自動化。磁致伸縮位移傳感器可以提供標準輸出信號,便于微機進行聯網信號處理工作,極大地提高了測量系統的自動化程度。
    1、磁致伸縮現象及機理
           磁致伸縮現象是指鐵磁晶體在外磁場中被磁化時,其長度尺寸及體積大小均發生變化,這一現象是由科學家 James Prescott 于1842 年發現的,這種現象有 3 種表現形式:(1)縱向磁致伸縮,是指沿著外磁場方向尺寸大小的相對變化;(2)橫向磁致伸縮,是指垂直于外磁場方向尺寸大小的相對變化;(3)體積磁致伸縮,是指鐵磁體被磁化時其體積大小的相對變化。
           橫向或縱向磁致伸縮統稱為線磁致伸縮。磁致伸縮效應與磁化過程存在一定的關系,只有在鐵磁體磁化達到飽和以后的順磁過程中,體積磁致伸縮才能明顯地表現出來。當在極化條件下,磁晶體在受到外界交變應力作用時,在其內部將產生一個交變的磁場。無論是哪一種磁致伸縮,都是可逆的。其中主要的應用最廣泛的是縱向磁致伸縮效應,因此,一般所說的磁致伸縮都是指縱向磁致伸縮。
           磁致伸縮材料的主要特性有:(1)維拉里(Villari)效應:即逆磁致伸縮現象,是指給磁性體施加外力作用,其磁化強度發生變化,
    可用于制作磁致伸縮傳感器。(2)焦耳(Joule)效應:磁性體被磁化時,其長度發生變化,可用來制作磁致伸縮制動器。(3)威德曼(Viedemann)效應:當有電流通過有適當磁路的磁性體時,磁性體發生扭曲變形,可用于扭轉馬達。(4)dE 效應:楊氏模量隨磁場變化而變化,可用于聲延遲線。(5)Anti-Viedemann 效應:使磁性體發生扭曲,且在二次線圈中產生電流,可用于扭轉傳感器。(6)Jump效應:當外加預應力時,磁致伸縮隨外場而發生躍變式增加,磁化率相應改變。
    磁致伸縮位移傳感器
    2 磁致伸縮位移傳感器設計原理
    2.1 工作原理
           磁致伸縮位移傳感器工作過程基本上按如下 3 個環節進行:(1)轉波應變脈沖的產生:當有瞬時電流脈沖通過磁致伸縮波導絲時,將產生一個環形磁場,該環形磁場與永久磁鐵的縱向磁場疊加,產生一個螺旋磁場;由于磁致伸縮周向效應,該磁場在一定條件下將引起該波導絲磁化點瞬時扭轉形變,而且扭轉應變的程度只與周向的波動磁場有關。(2)扭轉波的傳播:扭轉形變采用超聲波的形式沿波導絲向兩邊傳播。(3)扭轉波的接受:利用逆磁致伸縮效應原理,用線圈把扭轉應變轉換成電壓信號,然后測試線圈的電勢值。
    2.2總體設計原理
           根據磁致伸縮位移傳感器的測量機理,位移傳感器的硬件電路系統包括模擬電路部分和數字電路部分,模擬電路部分包括激勵脈沖產生、放大、回波接收和整形等,數字電路模塊包括時間間隔測量、溫度測量等。
           模擬電路包含 2 個部分,一部分是用來給波導絲提供驅動脈沖的電路。由磁致伸縮位移傳感器的測量機理可知,驅動電流脈沖的時間間隔,電流脈沖的波形、脈寬以及電流強度都要有一定的要求。另一部分是對波導絲產生的扭轉應力波進行檢測,首先通過檢測線圈將應力波轉換為電脈沖,此電脈沖很弱,只有幾毫伏,對此脈沖進行濾波放大后再輸入到一個比較器,從比較器輸出一定幅值的脈沖信號,最后送入脈沖整形電路,輸出提供給數字電路部分。數字電路部分在接收到來自模擬電路輸出的代表位移的電脈沖之后,送入到時間間隔測量電路計算出時間間隔測量并送入微處理器中,同時溫度補償電路檢測到的溫度值也送入微處理器,微處理器對時間值進行校正。另外,將結果在數碼上進行顯示。
    3 磁致伸縮位移傳感器優化測量精度分析及措施
           影響磁致伸縮傳感器測量精度的因素是多方面的,如使用環境、材料因素、溫度等,它們分別以不同方式對測量精度產生影響。 
    3.1 波導絲對精度的影響及改進措施
           磁致伸縮液位傳感器是基于維拉里效應和威德曼效應原理來工作的,扭轉波接收薄帶和磁致伸縮波導絲作為其 2 個重要的敏感元件,均采用磁致伸縮材料制成,因此磁致伸縮材料的設計和選材是傳感器的基礎和關鍵部分。波導絲材料對測量精度影響主要表現在:(1)材料成分:由前述可知,磁致伸縮材料主要分為鐵氧體磁致伸縮材料、金屬磁致伸縮材料和稀土鐵磁致伸縮材料 3 大類。其中不同材料的磁致伸縮系數差別很大,如稀土超磁致伸縮材料的飽和磁致伸縮系數高達 1 000×10-6,而金屬磁致伸縮材料其飽和磁致伸縮系數較低,僅有 20×10-6~100×10-6。(2)波導絲加工工藝:波導絲表面加工工藝精密程度也影響到測量精度,例如波導絲表面有凹陷、凸起以及局部彎曲等不連續性表現,這些不連續性或不均勻)表現會引起超聲波干涉、反射等現象,波導絲的不連續性直接導致了信號檢測的不確定性,即波導絲在不同位置上時檢測信號的幅值大小各不相同,有時甚至檢測不到信號。(3)波導絲安裝:波導絲的安裝方式有差動線圈檢測、線圈直接檢測、扭轉片檢測等方式,不同的檢測裝置接收到信號強度一般明顯不同,比如線圈直接檢測方式接收到回波信號強度不如差動檢測方式,這些都會影響到傳感器測量精度。
    要減小波導絲對測量精度的影響,首先在選材上應盡可能選擇飽和磁致伸縮系數大的金屬或合金等作為波導絲的材料,這樣不僅可以增加接收到的回波信號幅度,而且還能增強系統的抗干擾能力。其次是改善波導絲表面工藝,使缺陷盡可能的少。最后選用扭轉片檢測、差動線圈檢測或者更好的波導絲安裝方法。
    3.2 溫度對精度的影響及改進措施
           一方面,溫度的變化影響扭轉波傳播速度和飽和磁致伸縮系數,這些參數的變化將產生測量誤差。例如超磁致伸縮材料 Tb27Dy73Fe2。在一定的預壓力下,隨著溫度由低溫上升到室溫(20 ℃),磁致伸縮系數隨之上升較快。另一方面,溫度變化對回波速度產生影響,原因在于扭轉波在磁致伸縮波導線中的傳播速度 v 是關于波導絲密度、應力、材質、溫度等多個物理量的函數,并且磁性材料的所有磁性參數都與溫度有密切關系,特別是對物理結構敏感的參數隨溫度變化更加顯著,所以扭轉波在波導絲上的傳播速度并不是恒定的,而是相應變化的。改進措施之一是降低波導絲材料對溫度的敏感性,在材料中加入其他稀有元素,如用 Al、Be 或 Si 替代 Fe,會降低材料對溫度的敏感度;改進措施之二是進行軟件校正,通過軟件編程對測量值進行修正,最大程度地減小誤差。
    3.3 時間間隔測量對精度的影響及改進措施
           考慮到時間測量精度直接關系到距離計算結果,所以測量精度便取決于我們究竟能把飛行時間分得多細,時間分辨率越高,測量精度也就越高。采用由計數器與高頻晶振構成的時間量檢測電路可以達到很高的分辨率,但是前提要求高頻晶振頻率必須非常穩定,計數器的晶振頻率決定了傳感器的測量的分辨力,計數頻率越高,單個計數脈沖所表示的時間量就越小,分辨力也就越高,但晶振頻率發生漂移時就會引起相應的測量誤差。改進措施是改進測量方法或盡可能選用高分辨率的時間測量器件。
    3.4 干擾對系統的影響
           所謂干擾,一般是指有用信號以外的其他噪聲,它在信號輸入、傳輸和輸出過程中會出現一些有害的電氣變化現象。這些電氣變化現象迫使信號的指示值、傳輸值或輸出值出現不可預料誤差,甚至出現假象。干擾對電路的影響很大,輕則降低信號的通訊傳輸質量,影響系統信號傳輸的穩定性;重則破壞電路運行的正常功能,甚至造成電路之間邏輯關系混亂,電路邏輯控制失靈的嚴重現象。
    4 結語
           本文主要介紹了磁致位移傳感器的工作原理及優化其測量精度的各項分析及措施,包括波導絲、溫度、時間間隔、干擾等對磁致位移傳感器測量精度的影響。本文對提高磁致位移傳感器測量精度,普及其應用作出了有益的探討。


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