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    磁致伸縮位移傳感器波導絲扭轉超聲波衰減特性研究

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-01-04 13:42

      

           磁致伸縮位移傳感器波導絲扭轉超聲波衰減特性研究基于磁效應的測量儀表和精密儀器在工業生產中具有良好的應用前景。磁致伸縮位移傳感器因超精密性、非接觸性、可靠性高、抗干擾能力強和測量位移大等優點而在超精密儀器、數控機床、自動化生產中有廣泛的應用。國外的 MTS 系統公司已研制最大量程 18 m、精度可達 μm 級的大位移磁致伸縮位移傳感器,并且可以實現多參數的測量。國內對于磁致伸縮位移傳感器的研究正處于自主研究和開發階段,目前所能達到的最大量程為 6 m。因磁場與應力場、溫度場和聲場等之間存在復雜的耦合關系,要實現大位移磁致伸縮位移傳感器的制作仍較困難。
           科研人員已分別從輸出電壓模型、波導絲選材、傳感器結構、信號濾波、檢測線圈結構和驅動脈沖參數等方面對磁致伸縮位移傳感器進行了研究。本文在以上研究的基礎上,為實現大位移磁致伸縮位移傳感器的制作,對扭轉超聲波在波導絲內傳播時的衰減問題進行研究。文獻給出的檢測電壓計算式表明:檢測電壓受波導絲材料參數的影響,在波導絲的拉伸等過程中波導絲材料內部均一性變差,且扭轉超聲波在波導絲中的衰減較小,使得利用移動永磁體來研究扭轉超聲波衰減的方案是不可行的。利用本文提出的實驗方法對波導絲的材料、尺寸、超聲波的頻率和波導絲所受拉力與衰減系數的關系進行了研究。
    1  扭轉超聲波的波動方程及衰減系數的測量方法
    1.1  磁致伸縮位移傳感器原理 
           磁致伸縮位移傳感器主要由脈沖激勵模塊、扭轉超聲波產生模塊和檢測信號接收及處理模塊等組成。脈沖激勵模塊由電源、可調電阻和信號發生器及放大電路等組成,其產生一個幅值、頻率、脈寬等可調的脈沖電流。扭轉超聲波產生模塊由波導絲和永磁體組成,當脈沖電流產生的周向激勵磁場與永磁體產生的軸向偏置磁場相遇時發生魏德曼效應。由于施加的是瞬時周向激勵磁場,在波導絲內將產生瞬時形變,進而產生分別向波導絲兩端傳播的扭轉超聲波。檢測信號的接收及處理主要由檢測線圈和信號處理單元組成。當扭轉超聲波傳播到檢測線圈位置處,由于磁致伸縮逆效應,檢測線圈覆蓋部分的波導絲所受應力的變化會引起磁通變化,根據法拉第電磁感應原理,檢測線圈兩端的輸出電壓為e=-NSdB/dt,式中,e 為感應電壓;N 為檢測線圈的匝數;S 為檢測線圈的面積;B 為磁感應強度;t 為時間。
    1.2扭轉超聲波的無阻尼波動方程
           實驗所用波導絲材料的物理性質及線徑不超過1 mm,將其視為連續、均一和各向同性材料。將永磁體放在波導絲正中心位置,以波導絲中心為原點建立的坐標。
    1.3扭轉超聲波的衰減
           扭轉超聲波在波導絲中傳播會產生衰減,實驗中常以信號振幅的損失作為衰減程度的標準。扭轉超聲波在波導絲中傳播產生的衰減主要由錯位阻尼、磁疇阻尼、熱彈性的相互作用等產生的吸收衰減和發生在晶界處、夾雜物、微裂紋和宏觀裂紋等的散射衰減。
    1.4  衰減系數的測量方法 
           文獻建立的磁致伸縮位移傳感器檢測電壓數值解表明:輸出電壓與波導絲的角應變、檢測線圈參數、激勵磁場、波導絲材料的楊氏模量、泊松比、相對磁導率、密度等密切相關。在實驗中采用移動永磁體,再根據檢測信號幅值的變化來研究扭轉超聲波的衰減是不可行的。首先扭轉超聲波在波導絲內傳播短距離所產生的衰減較小,其次波導絲內部不均一會對檢測電壓產生影響。
           保持激勵脈沖電流等參數不變,將永磁體向檢測線圈方向移動,扭轉超聲波從產生位置傳播到檢測線圈位置的距離減小,所以檢測線圈輸出的電壓應單調增大。移動永磁體時,檢測線圈輸出電壓信號的變化表明檢測線圈輸出的電壓信號并不是隨永磁體與檢測線圈之間位移的減小而單調增大,在移動永磁體的過程中,檢測線圈輸出的電壓信號受波導絲材料內部參數的變化大于扭轉超聲波傳播短距離的衰減,所以采用移動永磁體來研究扭轉超聲波衰減的方案是不可行的。
           針對上述問題,本文設計一個實驗方案。永磁體放置在波導絲正中間,去掉波導絲兩端的阻尼,在波導絲上施加驅動脈沖電流時,永磁體位置處產生的扭轉超聲波分別向波導絲兩端傳播。根據激勵條件和邊界條件相同,分別向波導絲兩端傳播的扭轉超聲波振幅相同。向檢測線圈方向傳播的扭轉超聲波經過檢測線圈覆蓋部分的波導絲時產生電壓信號,當傳播到波導絲兩端時,扭轉超聲波在波導絲兩端發生無阻尼反射??紤]反射時會產生一定的衰減,設反射衰減系數為r,,反射后兩個扭轉超聲波向反方向傳播,當傳播到檢測線圈處時產生的電壓信號分別為e1和e2.
    若只取峰值電壓,利用式計算扭轉超聲波的衰減系數,計算結果易受噪聲的影響,且對于衰減系數較小的波導絲材料,研究扭轉超聲波信號整體衰減程度,僅選取兩個峰值信號會增大實驗誤差。為減小測量可能出現的偶然誤差,提高測量準確度,采用矩形窗分別截取兩峰值附近區域的信號來計算衰減系數。
    2、試驗測試系統的搭建
           按照搭建的實驗測試系統去掉波導絲兩端的阻尼,并將永磁體置于波導絲的中間位置。用線徑為 0.06 mm 的銅線繞制成匝數為 600、長為 10 mm、內徑為 4 mm、按三層排列的檢測線圈。將檢測線圈套入線徑為 0.5 mm、長度為 1 m 的 Fe-Ga(Fe-Ni)波導絲中。將波導絲兩端拉直固定在內、外徑分別為 6 mm 和 8 mm的鐵氟龍管內,外部再套一根內、外徑分別為 9 mm和 14 mm 的不銹鋼??烧{電源主要用于調節激勵信號的大小,通過可調電阻調節電壓范圍為 0.36 V,穩壓電源主要為脈沖激勵模塊和信號處理模塊的持續穩定供電。TFG6920A 型信號發生器可方便實現對脈沖電流的控制,為減少上一脈沖產生的反射波對下一脈沖產生扭轉超聲波的影響,脈沖電流的頻率不易過大,實驗中設定脈沖電流頻率為 200 Hz、脈寬為 7 μs、高電平為 20 V。檢測線圈的輸出端接在 DPO3014 型數字示波器的通道 1 上,將放大電路的輸出端接在通道 2 上,用于顯示回路的電壓,示波器的最高采樣頻率為 2.5 GHz。永磁體為環形的釹鐵硼,安裝在環形的鋁環內。利用實驗所搭建的平臺,記錄移動永磁體時輸出電壓信號幅值的變化,證明采用移動永磁體研究扭轉超聲波衰減的不可行性。將永磁體移動到波導絲的中間位置,研究:①不同材料和同種材料不同尺寸的衰減系數;②扭轉超聲波的頻率與衰減系數的關系;③波導絲兩端所受拉力與衰減系數的關系。
    磁致伸縮位移傳感器
    3、試驗結果與分析
    3.1  移動永磁體對輸出電壓的影響 
           選用線徑均為 0.5 mm 的 Fe-Ni 和 Fe-Ga 波導絲,在相同偏置磁場、檢測線圈和激勵條件下,對兩種不同材料制作的傳感器進行實驗。結果表明:Fe-Ga 波導絲輸出的電壓幅值較 Fe-Ni 波導絲大;移動永磁體會使檢測線圈輸出電壓變化,且電壓變化非單調增大或減小,這與 1.4 節的分析一致。故將永磁體沿波導絲移動時,由波導絲材料的不均一性而引起檢測電壓的變化會給扭轉超聲波衰減系數的測量帶來較大的誤差。
           永磁體放置在波導絲中間,檢測線圈距離波導絲左端 100 mm 時,輸出的電壓波形如圖 7 所示。檢測線圈位于永磁體左側,故e1較e2先產生,且產生e1時超聲波傳播的距離較產生e2時超聲波傳播的距離短,其衰減較小,所以輸出的電壓幅值較大,利用公式即可求出扭轉超聲波的衰減系數。
    3.2  不同波導絲材料的衰減系數 
            當波導絲兩端不受拉力作用、扭轉超聲波頻率為 65 kHz、線徑為 0.5 mm 的 Fe-Ga 和 Fe-Ni的衰減系數擬合曲線。電壓的衰減分貝與位移差呈正比例關系。為減小實驗誤差,移動檢測線圈多次測量,采用正比例函數對數據進行最小二乘擬合,擬合直線的斜率即為扭轉超聲波在波導絲內傳播的衰減系數。斜率越大表示衰減系數越大。擬合得到 Fe-Ga 和 Fe-Ni 的衰減系數分別為 1.34 dB/m 和 1.57 dB/m。表明 Fe-Ga 材料作為超聲波傳播導體時對波的衰減較小,當波導絲內產生的聲源聲壓相等時,Fe-Ga 作為波導絲材料能將超聲波傳播到更遠的距離,應選擇超聲波衰減系數較小的材料以制作大位移的磁致伸縮位移傳感器。
    3.3波導絲尺寸對衰減系數的影響 
            線徑分別為 0.4 mm、0.5 mm、0.8 mm 和1 mm 的 Fe-Ga 波導絲的衰減系數擬合曲線,與 3.2節中實驗方法一致,波導絲兩端不受拉力作用,扭轉超聲波的頻率為 65 kHz。表明隨波導絲線徑的增大,擬合直線的斜率增大,即波導絲線徑的增大會使扭轉超聲波的衰減系數增大。故在制作大位移的磁致伸縮位移傳感器時波導絲的線徑不宜過大。
    3.4  超聲波頻率對衰減系數的影響 
            為得到不同頻率的扭轉超聲波,通過改變永磁體的尺寸和調節激勵脈沖電流的脈寬,使在波導絲內產生不同頻率的扭轉超聲波, Fe-Ga 和Fe-Ni 波導絲作為導波介質時衰減系數與扭轉超聲波頻率的關系表明隨扭轉超聲波頻率的增大,扭轉超聲波在兩種不同材料波導絲內傳播的衰減系數都略有增大。故在制作大位移的磁致伸縮位移傳感器時,扭轉超聲波的頻率不宜太高。
    3.5  波導絲兩端的拉力對衰減系數的影響 
            Fe-Ga 波導絲兩端受 20 Mpa 和 50 Mpa拉力作用下的衰減系數擬合曲線,表明波導絲兩端受到 50 Mpa 拉力時擬合直線的斜率較小,即衰減系數比受到 20 Mpa 拉力作用時略有減小。衰減系數與波導絲兩端拉力的變化關系曲線,表明隨波導絲兩端所受拉力的增大,扭轉超聲波的衰減系數略有減小,當波導絲兩端的拉力達到 60 Mpa 后,衰減系數趨于穩定。故在制作大位移磁致伸縮位移傳感器時,為減小扭轉超聲波在傳播過程中的衰減,可適當施加一定的拉力。
    4  結論 
            基于扭矩振動方程和聲波傳播理論,建立了扭轉超聲波在波導絲中的波動方程。對于檢測信號受波導絲材料內部不均一的影響,提出實驗方案,利用該方案測試了扭轉超聲波在 Fe-Ga 和 Fe-Ni 波導絲中的衰減系數,得到扭轉超聲波在線徑為 0.5 mm的 Fe-Ga 和 Fe-Ni 波導絲的衰減系數分別為 1.34 dB/m 和 1.58 dB/m。實驗對比了不同線徑 Fe-Ga 波導絲的衰減系數,得到扭轉超聲波的衰減系數隨波導絲線徑的增大而增大;研究了衰減系數與扭轉超聲波頻率的關系,得到扭轉超聲波的衰減系數與其頻率呈正相關;研究了衰減系數與波導絲兩端拉力的關系,得到波導絲兩端拉力的增大使扭轉超聲波的衰減系數先略有減小后趨于穩定。本文研究可為研制大位移磁致伸縮位移傳感器提供指導作用。
     


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