基于應力波反射的磁致伸縮位移傳感器測量方法及信號分析

       磁致伸縮位移傳感器 ( magnetostrictive displacement sensor) 具有精度高、非接觸性 、安裝 簡易、工作壽命長等優點，因而在精密儀器、自動化設備、水位監測等領域得到廣泛應用。進年來 ，科研人員在磁致伸縮位移傳感器原理、波導絲材料、結構優化、信號采集與處理等方面進行了研究 。但由于傳感器測量方法的問題，其仍需要位移標定。傳感器的傳統測量方法是將永磁體與檢測線圈的位移代替被測位移 ,通過測量驅動脈沖電流和感應信號的時間間隔實現位移的測量，但驅動脈沖電流和感應信號都有一定的寬度，應力波在永磁體與檢測線圈之間傳播的準確起始時間和終止時間無法確定，所以傳統測量方法需要位移標定。本文針對以上問題提出一種基于應力波無阻尼反射的位移測量方法。

       檢測線圈輸出的電壓信號是磁致伸縮位移傳感器測量的根本，其所含雜波較多，信噪比低，所以需濾波。目前常使用傅里葉變換進行頻域分析得到有效信號的頻段，采用數字濾波或硬件濾波。但傅里葉變換反映的是信號在整個時間內的頻域信息，其無法反映信號在局部時間里的頻域信息，也無法反映某一頻率出現的時間信息。當傅里葉變換后出現兩段及兩段以上的主頻率時，其無法判斷有效信號的頻段。故本文提出利用希爾伯特黃變換 (HHT )對 回波信號進行分析及數字濾波， HHT 借助希爾伯特變換 (HT )求得相位函數，再對相位函數求導求出瞬時頻率，得到回波信號中有效信號段的頻率，這能彌補傅里葉分析局部時域信號的不足。

1、位移傳感器的測量方法

       磁致伸縮位移傳感器主要由永磁體、波導絲、檢測線圈、阻尼、信號處理單元、信號發生器及放大電路等組成。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 。永磁體在波導絲上產生軸向偏置磁場，當傳感器工作時，波導絲兩端施加驅動脈沖電流，此時波導絲上產生的周向激勵磁場與軸向偏置磁場合成螺旋磁場，在波導絲中發生魏德曼效應并產生應力波，應力波向波導絲兩端傳播，當應力波傳播到檢測線圈時，由磁致伸縮逆效應，檢測線圈內的磁感應強度發生變化。

       應力波產生后向左傳播到檢測線圈產生電壓 ,右端的阻尼無法完全吸收應力波，所以向右傳播的應力波在右端發生阻尼反射后傳播到檢測線圈產生電壓。由于電流的速度遠大于應力波傳播速度，故通過測量驅動脈沖和感應信號的時間間隔，可以計算出永磁體與檢測線圈的位移。

       傳統測量方法以永磁體與檢測線圈的位移L無為被測量，再將位移量冗轉換為所以傳感器在測量時涉及到代替過程和轉換過程。代替指將永磁體與檢測線圈的位移代替需被測的位移轉換指將永磁體與檢測線圈的位移量轉換為時間量。代替過程取決測最時操作是否規范，而轉換過程則直接影響測量的準確性，將位移扯轉換為時間量，涉及應力波傳播起始時間和終止時間的確定。

       應力波的產生涉及到電－磁－機械能的轉換 首先機械能的建立需要一 定的時間；其次，為獲得較強的魏德曼效應，常調整脈沖電流的寬度，使電流上升沿和下降沿產生的應力波發生疊加，所以應力波是由電流的上升沿和下降沿共同決定的，僅以上升沿或下降沿作為應力波傳播的起始時間必然產生誤差，傳統測最方法的起始時間較難確定。應力波到達檢測線圈什么位置時電壓達到峰值尤法確定；檢測線圈有一定的幾何尺寸，檢測電壓信號峰值對應的時間與應力波傳播到檢測線圈覆蓋部分波導絲的位置無法準確對應；其次，檢測線圈的匝數、材料、尺寸、繞制方法相同對檢測信號的影響較大，輸出的電壓波形存在差異，所以傳統測量方法的終止時間較難確定。

       針對以上問題，提出一種基千應力波無阻尼反射的位移測量方法，去掉右端的阻尼，并將永磁體距離波導絲右端的位移作為被測位移。應力波產生后分別向波導絲兩端傳播，假設應力波傳播到距離檢測線圈左端L-Ll 時，檢測線圈輸出的電壓達到峰值，所以應力波產生后到峰值時刻傳播的真實位移為 ,其對應的傳播時間為t 仔 l 無；同理 ，應力波產生后到 峰值時刻傳播的真實位移為 L1+L無，其對應的傳播時間為t L1+Lx，其對應的傳播時間為tL1+Lx。

2、試驗結果及分析

       試驗中使用的電源為穩壓電源和可調電源，TFG6920A型信號發生器，脈沖頻率設置為1kHz，寬度為7μs，采用DPO3014型四通道示波器采集和顯示檢測線圈輸出的電壓信號，波導絲為Fe-Ga材料，長600mm，半徑0.25mm，檢測線圈長12mm，匝數為600，線徑0.06mm。檢測線圈穿過波導絲，固定在磁致伸縮位移傳感器的頭部，永磁鐵在波導絲上起位移改變作用。

2.1傳統測量方法

       傳感器輸出的點在在波導絲兩端兩端施加驅動脈沖電流，傳感器輸出的電壓信號由4部分產生，分別為驅動脈沖電流、應力波、反射波及剩磁。傳統測量方法以脈沖電流的時間為應力波在永磁體與監測線圈傳播的其實時刻，以應力波產生的峰值電壓時間為終止時刻，故應力波在永磁體與監測線圈傳播的時間為TLX。

       采樣點沒有落在理論直線上，擬合直線與理論直線總相差一段時間，其產生的原因是：應力波產生過程設計到電-磁-機械能的轉換，所以盈利波的產生需要一定的時間，監測線圈有一定的幾何尺寸，傳統測量方法的其實時間和終止時間判斷有誤，因此，傳統測量方法需要位移標定。

2.2基于應力波無阻尼反射的測量方法

      采樣打你落在理論直線上，利用最小二乘法對采樣點進行數據擬合得到擬合直線，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此類那個方法需要位移標定的問題。

3、回波信號的 H H T 分析及濾波

       電壓信號采集和顯示裝置為 DP03014 型四通道示波器，帶寬100 MHz, 采樣率達 2.5 GS/s, 采樣周期設置為 40 ns, 采樣點數 10 000 個。濾波處理前的電壓波形和其頻譜圖表明，該信號的頻率出現 2 個峰值段 ，分別為 0-120 kHz 和 300-500 kHz, 同時還參雜了少數的高頻干擾。傅里葉變換反映的是信號在整個時間內的頻域信息，即傅里葉變換缺少時間和頻率的定位信息，所以此時傅里葉變換無法確定信號中有效信號的頻段，這給濾波造成一定的影響。

       對于傅里葉變換缺少時間和頻率的定位信息，本文采用 HHT 對信號進行分析。將電壓信號進行希爾伯特變換求得其相位函數，再對相位函數求導得其瞬時頻率。

       反射波段(280-305 us) 的瞬時頻率，應力波段和反射波段的瞬時頻率在 150 kHz 以下，所以 300-500 kHz 之間的主頻段為噪聲信號，濾波時設置為低通濾波，濾除 150 kHz 以上所有的高頻噪聲。

       利用 HHT 對信號處理 ：首先利用經驗模態分解(EMD)將信號分解為若干固有模態函數 (IM F),在本實驗中將原信號分解成十二階 IM F,此時最高階的IMF 頻率接近零 ，由希爾伯特黃變換可知，其階數越大頻率越低，取其低頻段的 IM F 進行信號合成 ，實現信號的低通濾波。經過濾波后 ，信號的時域波形毛刺減少，光滑性增強，信號的高頻段噪聲已濾除。

       將濾波后的電壓信號進行希爾伯特變換求得其相位函數，再對相位函數求導得到其瞬時頻率，濾波后的瞬時頻率的毛刺顯著減少，應力波段和反射波段的瞬時頻率變得連續光滑，且頻率都集中在 60 kHz, 與傅里葉頻譜分析結論一致。

4 結束語

(1)在原傳感器結構基礎上，通過去除波導絲右端的阻尼，改變位移測量方法，提出一種基于應力波無阻尼反射的測量方法，新測量方法不需要位移標定，而且位移分辨率提高了1倍。

(2)利用傅里葉變換對信號的頻域進行分析，出現兩段峰值頻率，故無法判斷有效信號的頻段，在此基礎上提出一種基于HHT的回波信號分析方法，得到電壓信號的瞬時頻率，結果表明檢測電壓中有效電壓信號的頻率在60 kHz左右。

(3)對電壓信號進行經驗模態分解，然后根據有效信號的頻段進行信號的重構，實現數字濾波，信噪比由12.4 dB提高到23.5 dB。