正交實驗在磁致伸縮位置傳感器溫漂中的應用

       目前，在磁致伸縮位置傳感器的各種性能上，國產的產品始終與國外的產品存在 一 定的差異 ，當然這個性能是一種綜合指標，包括線性度、分辨率、溫度性能、抗干擾性能等，這些性能的差異受影響的因素太多。這里僅以溫度漂移這一項的指標進行正交實驗，尋找產品性能升級的最優實驗方案。目前國外MTS公司的產品在溫度漂移的指標是15 ppm/'t； 而國內生產此類型傳感器的廠家并不是很多，并且大部分的指標都在100 ppm/屯以上。國內煙臺拿度智能科技有限公司的同類型產品指標在70 ppm/'t之內，在國內算是性能最好的，該溫漂性能的指標提升至50 ppm/'t之內是實驗目標。

1、溫漂現狀及優化指標

1.1 磁致伸縮位置傳感器的原理簡介

       磁致伸縮是鐵磁材料受到磁場作用時鐵磁質的尺寸變化。1842年，焦耳發現了這 一 效應 ，因此取名為焦耳效應。 1858年，威德曼(Gustave Wiedemann)進 一 步觀察到浸沒在縱 向磁場中的鐵磁棒當攜帶電流時將產生扭轉。這種扭轉來源于組合的縱向磁場和圓形磁場，圓形磁場則由電流產生。由于趨膚效應，圓柱形導體中的電流在中心處最小，而在表面達到最大。因此磁場也是非均勻磁場，它與外場相互作用將產生局部畸變。威德曼效應是磁致伸縮式位置傳感器的基礎。位移傳感器主要由磁致伸縮線（波導絲）、測桿、電子倉和套在測桿上的非接觸磁環組成。當傳感器工作時，電子倉內的電子電路產生一 “起始脈沖”，此起始脈沖建立圓形磁場 ，并沿波導絲傳播，當該磁場與磁環的永磁體磁場相組合，威德曼效應使波導絲扭轉，產生一個以恒速（約2 830mis)并向兩個方向傳輸的扭轉應變脈沖，即機械波。這種扭轉在薄磁彈性條帶中被變換成橫向應力，根據維拉里效應，磁致伸縮材料發生物理變形時，會在磁致伸縮材料內引起磁場強度的變化，因此，通過傳感器線圈的磁通將發生變化，在傳感器線圈兩端將產生一 個可以被檢測到的感應電動勢。電路測星起始脈沖與接受信號（終止脈沖）之間的時間間隔，由此可以計算出到磁體的距離和速度。橡膠阻尼器防止來自波導絲末端的反射。

1.2 溫漂現狀

       溫度漂移即溫漂，一個產品的所有構成元件或者部件都對此指標產生影響，環境溫度會對電子元件內部參數造成影響，如電阻阻值變化、電容容量變化、晶體管參數變化等，溫度同時也會對外部材料的收縮膨脹產生影響而引起漂移。因為磁致伸縮位置傳感器的特殊安裝方式，電氣和材料這兩大因素因 為溫度的變化將會導致整個位置傳感器的溫漂指標產生嚴重的影響。

       考慮了成本的因素，所有的電子元器件特別是電容、電阻等都采用了25 ppm/"C的產品，而其他的芯片全部都是國外進口的，與國外廠家采用的是同一生產商的產品，暫時忽略了電氣方面的影響。因此，實驗思路集中在核心材料、工藝設計方面進行改良。

目前拿度公司磁致伸縮位置傳感器的產品溫漂性能指標在70 ppm/"C之內而且產品電氣元件全部是25 ppm/"C的，在當前的性能參數下，不可能馬上達到國外最好的水平15ppm/"C。把指標定在50 ppm/"C之內是可行并且能夠實現的，以此目標作為參數升級的追求。

2 實驗設計與分析

       忽略電氣方面的影響，主要從產品安裝工藝入手進行正交實驗，根據目前的生產工藝，確定了 4 項最大的影響因素。在實驗設計中分別用A,B,C,D表示核心材料的來源、保護材料配合的松緊、外殼與電氣材料之間的距離、供電電壓這 4 個主要因素，每個因素有 2個水平。用 1、2 表示因素水平采用正交表安排實驗。

       具體實驗過程：CD確定安裝的產品為同一量程，選用的電路板經過高低溫老化測試，并且溫度漂移滿足檢驗指標。＠根據正交實驗的配置方案對產品進行安裝，經過檢驗，保證產品在常溫下的輸出是正常且穩定的。＠把產品同時放入高低溫箱中進行高低溫測試，溫度范圍為-40'C- +85'C,??通過電腦記錄數據，再對數據進行分析，找出提升產品溫度漂移的最佳方案。

3、結果與討論

       由因素主次順序為核心材料的來源（因素A)>外殼與電氣材料之間的距離（因素B) >保護材料配合的松緊（因素C)>供電電壓（因素D), 同時根據各因素各水平的平均值確定最優水平，進而選出最優組合，按照平均值大小選取最優水平 A心 CzD,,即最佳為國外材料，對核心材料的保護要松，外殼與電路的距離遠些，采用12V供電。

       按此條件進行更多的試驗，得到的結果比原來的溫漂性能要好，通過此正交實驗以及后來的測試驗證，證明改變生產工藝會使得產品的性能得到進一步提高。

4、結語

       本文通過正交實驗對磁致伸縮位置傳感器的溫度漂移這一性能參數進行優化，通過少量的實驗次數，找出了在工藝安裝上對產品溫漂性能影響最大的因素，減少了技術人員摸索的時間，獲得了較好的配置方案，可以為產品的進 一 步提升提供捷徑。該種測試方法具有高效性和準確性，可以作為技術人員必須掌握的 一 種方法，并作為提高產品性能的高效的測試手段。