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    基于無阻尼扭轉波干涉的磁致伸縮位移傳感器

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-01-11 11:07

      

           磁致伸縮位移傳感器具有測量精度高、安裝簡易、非接觸性、抗干擾能力強等優點,因而在機械自動化工廠、鋼軌縱向位移在線監測和并聯急切人回零操作等領域的應用越來月光。研究人員分別從傳感器輸出電壓模型、彈性波模型、波導絲材料、檢測信號的影響因素、傳感器的結構以及信號的分析與處理等方面做了諸多研究,但由于阻尼無法完全吸收扭轉波,扭轉波的反射應縣關檢測信號的信噪比,進而影響傳感器精度?;诖?,本文提出一種基于無阻尼扭轉波干涉的位移測量方法,即通過取出波導絲兩端的阻尼,使扭轉波發生無阻尼反射,并調整驅動脈沖電流的頻率,實現扭轉波與反射波發生干涉,磁致伸縮位移傳感器能實現位移測量的本質是將位移量轉換為時間量,故扭轉波的時間定為直接影響傳感器的精度,為此,本文提出一種動態雙側閾值法的時間定位。
    1、傳感器的原理及測量方法
    1.1傳統測量方法及原理
           磁致伸縮位移傳感器的工作原理是基于磁致伸縮材料的魏德曼效應和磁致伸縮逆效應。當傳感器工作時,由傳感器硬件電路模塊產生的脈沖電流沿波導絲傳播,當脈沖電流流經光標磁鐵處的波導絲時,脈沖電流產生的周向磁場與光標磁鐵產生的軸向磁場合成一個螺旋磁場?;诖判圆牧系奈旱侣?,波導絲發生局部瞬時形變并產生扭轉波,扭轉波發生后分別以一定的速度向相反的兩個方向傳播,扭轉波傳播到檢測線圈覆蓋部分的波導四處,有磁致伸縮逆效應,波導絲內的磁感應強度發生變化,此時監測線圈兩端產生感應電壓。
           磁致伸縮位移傳感器的測量方法是將被測位移量以光標磁鐵與檢測線圈的位移S等效代替,然后再將位移量轉換為扭轉波船舶的時間ts,其中L為波導絲長度,電流的速度遠大于扭轉波的速度,認為脈沖電流與扭轉波的產生是同一時刻,所以ts為感應信號eLi(扭轉波產生后向左傳播到監測線圈時產生的電壓信號)與脈沖電流的時間間隔,t2l-s為感應信號er1(扭轉波產生后向右傳播,并在右端發生反射后傳播到檢測線圈時產生的電壓信號)與脈沖電流的時間間隔,故位移s的計算表達式如式(1)所示,其中v為扭轉波在波導絲中的傳播速度。
           根據以上分析可知,檢測信號中只有el1為有效信號,其余由于阻尼未完全吸收扭轉波而發生發射產生的電壓信號都認為是噪聲信號,故檢測信號的信噪比低,提高脈沖電流的幅值可增大有效信號el1,但與此同時由反射波產生的噪聲信號也增大,故增加脈沖電流幅值無法提高信號的信噪比。
    1.2基于扭轉波干涉的測量方法
           為增大有效信號幅值,提高信號的信噪比,結構基礎上去除波導絲兩端的阻尼,并將光標磁鐵距離波導絲右端的位移S作為被測位移的等效位移量,假設扭轉波產生的時間為零時刻,當傳播到檢測線圈處產生的電壓分別為el1和el2,傳播的時間分別為tl-s和t3l-s;當傳播到監測線圈處產生的電壓分別為er1和er2,傳播的時間分別為tl+s和t3l+s。忽略材料的響應速度和噪聲變化,經過t2l時間,兩個不同方向的扭轉波都經歷兩次反射,反射相位損失相同,所以兩個不同方向的波傳播到初始位置時相位相同,此時在波導絲兩端加載下一個驅動脈沖電流,則上一個脈沖產生的扭轉波與此脈沖產生的扭轉波疊加發生相長干涉現象,并使扭轉波振幅增大,進而增大檢測線圈輸出的信號。
           基于扭轉波干涉的測量方法其優點在于:①監測線圈輸出的電壓幅值增大,有利于信號峰值的檢測;②傳統測量方法的有效信號el1,由反射波產生的電壓信號為噪聲信號,而新測量方法的有效型號為esl和ensr。故其信噪比明顯提高;③當傳感器采樣頻率一定時,根據式(1)得傳統各測量方法的位移分辨力△s=v*△t,根據式(2)得新測量方法的位移分辨力△s=v/2*△t,所以位移分辨力提高1倍;④監測線圈有一定的集合尺寸,所以傳統測量方法需要位移標定,新測量方法改變測量對象,檢測線圈的幾何尺寸對測量結果沒有影響,故其不需要位移標定。
    2、動態雙側閾值法的時間定位
           當檢測線圈和永磁體確定,檢測線圈輸出電壓信號的波形也就確定了,檢測線圈輸出電壓信號的波形也就確定了,所以要想提高傳感器的測量精度,需增大平均斜率,故本文提出動態雙側閾值法。動態閾值是在峰值附近找到斜率最大的一個電壓作為雙側閾值電壓,閾值需滿足兩個條件:①閾值電壓必須在對稱電壓的區域內;②斜率最大。此方法的優點在于精度高和穩定性好,在檢測信號相同干擾噪聲情況下,可以較準確的進行時間定位,還可以補償由于扭轉波衰減引起幅值降低帶來的誤差,但此方法僅適用于對稱型的檢測信號。
    磁致伸縮位移傳感器
    3、實驗結果及分析
           實驗產生脈沖信號的驅動裝置為TFC6920A型信號發生器及放大電路;采用DP03014型的四通道示波器采集和顯示電壓信號,采樣周期設置為4ns,采樣點數為100000點;波導絲為長500mm,直徑0.5mm的Fe-Ga材料;檢測線圈用線徑為0.06mm的漆包線繞制3層,線圈長12mm,匝數600匝,內徑4mm;波導絲固定在鐵氟龍塑料管內,在套入316L不銹鋼內,阻尼安裝在波導絲兩端;永磁材料為釹鐵硼,安裝在環形的鋁環內,可實現位移的改變;檢測線圈固定在波導絲左端,根據之前的分析,為實現扭轉波的干涉,脈沖電流的周期為tsl,實驗室測得扭轉波的波速為2774m/s,所以設置脈沖電流頻率為2774Hz。
    3.1檢測信號的數字分析
           考慮加載驅動脈沖電流時Fe-Ga材料產生扭轉波的響應速度、扭轉波在傳播過程中收到材料的噪聲變化和反射波相位損失的影響,要使前后兩次激勵引發扭轉波發生相長干涉,則需要對脈沖電流的頻率進行準確的設置。當考慮材料的響應速度、噪聲變化和反射相位損失時,利用信號發生器調整激勵脈沖電流的頻率能實現前后兩次激勵引發的扭轉波同相位的條件,當脈沖電流的頻率與發生相長干涉時的頻率相差約60Hz時,監測線圈輸出的電壓發生畸變,并且電壓幅值較發生相長干涉時嚴重降低。
           測得傳統測量方法監測電壓的波形和扭轉波干涉時監測電壓的波形,傳統測量方法的檢測電壓中反射波和雜波含量較多,監測電壓的幅值約42mV,扭轉波干涉法獲得的扭轉波和反射波的檢測電壓幅值達65mV,由于實驗中得到的Fe-Ga材料長度較短,扭轉波在船舶過程中的衰減主要集中在扭轉波的反射衰減,當扭轉波在手段和末端產生的衰減與激勵時產生的振幅相同時,扭轉波干涉振幅達到最大,與此扭轉波與反射波產生穩定的干涉,即振幅不再增加,此時監測線圈輸出的扭轉波及其反射波的電壓幅值基本相等。
    3.2動態雙側閾值法的時間定位
           將采集到的電壓信號經過濾波處理,然后進行閾值比較或峰值查詢,對扭轉波額傳播時間進行定位。閾值法中閾值大小的確定較為主管,而且將閾值設置較大并接近峰值時,閾值法也就是峰值法,所以本實驗主要對比峰值法與動態雙側閾值法。
           由動態雙側閾值法中閾值需滿足的兩個條件,對價測信號進行求導分析,確定雙側閾值電壓為12mV時斜率最大,將示波器采集到的數據傳輸到電腦,對信號進行數字濾波后分別得到峰值法定位的時間和動態雙側閾值法定位的時間,將定位的時間乘上扭轉波速度即得位移,通過兩種方法所得位移誤差曲線可見:峰值法最大絕對誤差為51μm,但其最大相對誤差出現在70mm處,此時為0.064%;動態雙側閾值法最大絕對誤差為23μm,其最大相對誤差出線在70mm處,此時為0.029%,所以動態雙側閾值法的時間定位比峰值法被動幅度較小且精度提高了約1倍。
    3.3位移測量實驗及誤差分析
           利用反射波所得的位移與時間的關系曲線圖可以看出,數據點落在理論直線上,采用最小二乘法對數據點進行數據擬合得到擬合輸出直線,擬合直線與理論直線近似重合,所以新測量方法能避免傳統測量方法需要位移標定的問題。
    4、結束語
           在傳統磁致伸縮位移傳感器結構的基礎上,通過取出波導絲兩端的阻尼,調整脈沖頻率,是的扭轉波之間發生干涉,制作了Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器樣機,通過實驗驗證了此方法將監測電壓的幅值由42mV提高到了65mV,信噪比由11.6dB提高到22.5dB,位移分辨率提高1倍,在傳統時間定位方法基礎上,提出一種動態雙側閾值法的時間定位方法,給出其使用的條件和閾值選取的方法,通過理論推導出此方法所能提高測量精度表達式,實驗驗證了傳感器的測量精度提高了約1倍,本研究工作時磁致伸縮我惡意傳感器的研究和生產具有一定的積極作用。


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