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    Fe-Ga 波導絲的磁致伸縮位移傳感器結構設計

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-03-12 14:54

      

            超精密儀器的研究用一直是工業、軍事、船舶等領域的熱點問題,磁致伸縮位移傳感器以其超精密性、非接觸性、高可靠性等優點而廣泛應用于超精密測量和監測等領域。目前,研究的主要熱點集中在不同導波材料的魏德曼效應強弱對比、大量程位移傳感器中應力波信號的衰減、檢測信號的理論計算、驅動電路和信號檢測裝置等硬件電路的設計 、回波信號的數值分析與處理方法等。
            為減小剩磁和脈沖電流對位移測量的影響,對檢測電壓信號的影響因素進行了分析,提出了一陣新的MDS結構,對新結構傳感器降低剩磁和脈沖電流對檢測信號的影響進行了分析。制作了MDS樣機,并與傳統結構傳感器的線性度、重復性和遲滯性進行了對比。
    1、傳感器的原理及結構改進方案
    1.1磁致伸縮位移傳感器原理
           傳統MDS的結構其主要由波導絲、永磁體、外部驅動模塊、信號采集及處理模塊、阻尼等組成。MDS的測量原理是利用波導絲材料的魏德曼效應在永磁體處發一個應力波信號,當應力波傳播到檢測線圈處時在磁致伸縮逆效應的作用下磁感應強度發生變化,此時檢測線圈產生電壓信號,根據法拉第電磁感應定律,可計算出感應電壓。通過檢測線圈采集到的電壓信號判斷出應力波從永磁體傳播到監測線圈之間的時間,根據應力波在波導絲內傳播的速度即可得到永磁鐵的位移信息。
    1.2檢測信號的分析
           傳統MDS的檢測線圈輸出的電壓信號主要由兩部分組成:1)有效電壓信號e1,即偏置磁場區域發生魏德曼效應激發的應力波傳播到檢測線圈處時產出的電壓;2)噪聲電壓信號△e,永磁鐵在波導絲上來回移動,在波導絲內產生剩磁,脈沖電流產生的周向激勵磁場與剩磁發生魏德曼效應產生應力波,此應力波傳播到檢測線圈處時,產生電壓e2,監測線圈覆蓋部分的波導絲流通過脈沖電流,電流產生的磁場在監測線圈中產生的感應電壓e3;檢測信號在傳輸過程中收到環境影響而產生的傳輸噪聲信號等。
           激勵磁場較小時,魏德曼效應不顯著,輸出電壓較小,隨著激勵磁場增加,魏德曼效應顯著增強,輸出的電壓隨激勵磁場的增加而逐漸趨于飽和。激勵磁場較大時,輸出的電壓大小主要由偏置磁場或剩余磁場決定;激勵磁場較小時,輸出的電壓大小主要由激勵磁場決定。剩余磁場越大,飽和激勵磁場越大,其輸出的電壓越大。偏執磁場和激勵磁場相等或接近且螺旋磁場較大時,可以獲得較大的輸出電壓。當激勵磁場與偏置磁場為3KA/m時,偏置磁場產生的電壓約53mV,此時由0.25KA/m的剩磁產生的電壓達7mV,所以剩磁對輸出電壓信號影響較大。
           脈沖電流產生的噪聲電壓與電流對時間的導數成正比,所以當脈沖電流的變化率較大時將影響到有效信號的提取。
    1.3位移傳感器的新結構
            MDS在工作時,將待測的位移量轉換成時間量。當環境溫度與常溫相差不大時可認為應力波在波導絲中的傳播速度v為常數,此時待測位移與應力波在永磁鐵與檢測線圈傳播的時間t成正比,即L=vt,只需利用監測安全輸出的電壓信號來確定應力波從永磁鐵傳播到檢測線圈的時間,所以檢測線圈輸出的電壓信號直接影響到應力波傳播的時間,故提高MDS的精度,需減小噪聲信號△e,根據上述分析,為降低噪聲信號△e。提高信噪比,需減小剩磁產生的電壓e2和脈沖電流產生的電壓e3.由Fe-Ga材料自身的磁特性,永磁體在Fe-Ga波導絲上移動,必然會產生剩磁,所以新結構MDS中將永磁體固定在波導絲頭部,位置線圈在波導絲上移動起位移改變作用,故謂之線圈輸出的電壓信號中沒有剩磁影響下產生的噪聲電壓e2.當脈沖電流不流過線圈覆蓋部分的波導絲時,才能減小脈沖電流對輸出電壓信號的影響,新結構MDS中將脈沖電流輸出端移至永磁體右端口處,此時脈沖電流只流過永磁體覆蓋部分的波導絲,減小脈沖電流產生的噪聲電壓 e3。在波導絲尾部增加一個校正線圈以實現回波速度的校正。
           新結構的MDS將待測位移量用位置線圈與永磁鐵之間的位移等效替代,位置線圈在波導絲上移動起到改變位移的作用,永磁鐵固定在MDS頭部,當施加激勵脈沖電流時,脈沖電流只留經波導絲首端的一小部分,激發的應力波沿著波導絲傳播到檢測線圈位置處時被檢測線圈感應到,將姜策信號傳輸到信號處理電路進行濾波處理和時間定位,確定應力波從永磁體傳播到位置線圈所用的時間。由應力波傳播的時間和應力波在波導絲內的傳播速度即得到位置線圈與永磁鐵的位移。MDS是將位移量轉換成時間量的測量,位移與時間成正比關系,且其比例系數為應力波的傳播速度v,材料的剪切模量和密度都受環境溫度的影響,要使MDS在不同環境下具有高可靠性和測量精度,須在測量時對應力波的傳播速度進行校正。永磁鐵固定在波導絲頭部,校正線圈固定在波導絲尾部,利用長度測量工具測的兩者之間的位移Ld,由校正線圈輸出的電壓信號可得到應力波在永磁體與校正線圈之間的傳播時間,計算知時應力波的傳播速度對測量結果么有影響。
    磁致伸縮位移傳感器
    2、 傳感器試驗平臺搭建及實驗結果分析
    2.1傳感器實驗平臺搭建
           通過調節電子調節波導絲兩端的驅動電壓,進而改變買產電流的大小,TFG6920A型任意函數信號發生器的輸出端接在放大電路的信號輸出端,脈沖信號的頻率、寬度和幅值分別設定為1000Hz,7μs和5V,放大電路的輸出端接在波導絲兩端;線圈的兩端接在DP03014型示波器的信號輸入端,示波器采用兩通道,通道1采集監測線圈輸出的電壓信號,通道2采集驅動回路的電壓信號,用于顯示波導絲兩端的電壓大??;Fe-Ga波導絲固定在鐵氟龍塑料管內,使其兩端固定且保證無彎曲;永磁體安裝在內外徑分別為15mm 和20mm 的環狀結構圓柱內;橡膠阻尼安裝在波導絲兩端。
    2.2結構改進前后的輸出電壓對比當軸絲最左端為5mm時(此時環形永磁體剛好全部覆蓋波導絲)輸出的電壓峰值最大達到80mV,這是因為此時在左端的反射波恰好與向x軸正方向傳播的應力波疊加,應力波振幅達到最大。當位移繼續增加時,輸出的電壓峰值逐漸降低,當反射波與向x軸正方向傳播的應力波彼此完全分開時,輸出的最大峰值區域穩定。
    2.4結構改進前后的性能對比實驗
           為獲得結構改進前后傳感器的各項性能指標如線性度、重復性和遲滯性,對傳感器進行實驗。傳統結構轉給你,在量程范圍內,按同一方向移動永磁體連續做30次測試實驗,對于新結構,按同一方向移動位置線圈連續做30次測試實驗,由于波導絲長500mm,檢測電壓波形有一定的寬度且受反射波的影響,當傳統結構的永磁鐵或者新型結構的檢測線圈位于波導絲末端時,監測電壓波形在反射波的影響下會產生畸變,故其最大量程只能達到400mm。由實驗測定應力波在波導絲中的傳播速度為2774m/s,此時滿量程輸出為144.1961μs。
    1)線性度表征了傳感器輸入輸出擬合曲線與校準直線的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比,根據實驗數據和校準曲線,傳統結構的最大非線性誤差為0.057%,新結構的最大非線性誤差為0.018%,線性度顯著提高。
    2)重復性指在相同的測量環境、測量儀器及在段時間內的重復按同一方向作全量程連續多次測試時所得輸入輸出特性曲線不重合的程度。重復性誤差取正反行程偏差中較大者與滿量程輸出的百分比,按同一方向作全量程重復實驗30次,根據實驗數據,得傳統結構重復性為0.048%,結構改進后的重復性為0.017%,故重復性顯著提高。
    3)遲滯是指傳感器在正反行程期間輸入和輸出特性曲線補充和的程度,當輸入信號相等時,傳感器正反行程輸出信號大小不相等。根據實驗數據,得傳統結構遲滯為0.064%,結構改進后的遲滯為0.023%,故結構改進后傳感器的遲滯性顯著減小。
    3、結論
    1)移動線圈式新型MDS結構將永磁體暗賬在波導絲最左端,應力波和反射波相互疊加,使得應力波振幅增大,架構改進后輸出的最大峰值電壓由52mV增加到80mV。
    2)結構改進后輸出的電壓信號受脈沖電流和剩磁的影響顯著減小,通過實驗得到結構改進后的電壓信號的信噪比由13.4dB提高到25.2dB。
    3)對比了傳感器結構改進前后的性能指標,證明了新結構能有效改善傳感器的線性度、重復性和遲滯性,且新結構能通過校正線圈實現回波速度的實時校正,提高了傳感器的抗干擾力。


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