孔 寧，王 娟，鮑丙豪，曹一涵

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

0 引 言

磁致伸縮位移傳感器是利用力磁耦合產(chǎn)生的磁彈性波在磁伸波導(dǎo)絲中傳播延時(shí)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。該傳感器具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、非接觸測(cè)量以及適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)［1］，已被美歐等發(fā)達(dá)國家廣泛地應(yīng)用于石油、化工和機(jī)械制造等領(lǐng)域。美國MTS 公司開發(fā)的量程為2 000 mm 的R 系列位移傳感器，分辨力高達(dá)2 μm，線性度達(dá)±0.01%，平均無故障時(shí)間高達(dá)20 年［2］，我國在磁致伸縮位移傳感器研究方面雖與西方國家還有較大差距，但也正在積極探索，并取得一定成就［3］。

本文闡述了力磁耦合扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波的產(chǎn)生和感應(yīng)線圈檢測(cè)磁彈性波產(chǎn)生電信號(hào)機(jī)理，優(yōu)化了磁致伸縮位移傳感器的激勵(lì)信號(hào)參數(shù)和檢測(cè)信號(hào)脈寬調(diào)制(PWM)處理電路，所得傳感器信號(hào)更易處理和控制，實(shí)現(xiàn)待測(cè)量D/A 顯示，并對(duì)優(yōu)化后傳感器性能進(jìn)行相關(guān)分析。

1 磁致伸縮位移傳感器的相關(guān)理論

1.1 力磁耦合扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波產(chǎn)生分析

磁致伸縮材料具有優(yōu)異的電磁性能，當(dāng)其同時(shí)受到縱向磁場(chǎng)和軸向環(huán)形磁場(chǎng)共同作用時(shí)，磁疇排列發(fā)生改變，在宏觀上表現(xiàn)為材料的扭轉(zhuǎn)［4］，圖1 是單個(gè)磁疇受到磁場(chǎng)作用時(shí)的取向變化分析。

此處不考慮溫度變化影響，則磁疇的自由能僅由自身內(nèi)應(yīng)力和外界磁場(chǎng)決定［5］。圖1(a)所示為磁伸材料未施加激勵(lì)電流時(shí)，環(huán)形磁場(chǎng)Hp=0，此時(shí)磁疇僅受到內(nèi)應(yīng)力和永久磁體產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)He作用，M1為磁疇平衡時(shí)取向。圖1(b)是磁伸材料施加周期性瞬時(shí)激勵(lì)電流Ip時(shí)，根據(jù)右手定則，在波導(dǎo)絲周圍產(chǎn)生周期性的瞬時(shí)環(huán)形磁場(chǎng)Hp，其與軸向磁場(chǎng)He耦合疊加并共同作用于磁疇，M2為此時(shí)磁疇平衡時(shí)取向，使磁疇取向在空間上偏轉(zhuǎn)一定角度，磁疇的偏轉(zhuǎn)引起材料宏觀上扭轉(zhuǎn)變形，使待側(cè)位置處形成振動(dòng)源，即產(chǎn)生力磁耦合扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波，實(shí)現(xiàn)電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

圖1 內(nèi)應(yīng)力、偏置磁場(chǎng)及脈沖磁場(chǎng)引起磁疇取向變化Fig 1 Change of internal stress，bias magnetic field and pulse magnetic field cause magnetic domain orientation

1.2 感應(yīng)線圈檢測(cè)磁彈性波產(chǎn)生電信號(hào)機(jī)理

力磁耦合扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波的檢測(cè)方法是采用磁致伸縮逆效應(yīng)實(shí)現(xiàn)［6］，當(dāng)待測(cè)位置處產(chǎn)生磁彈性波后，形成的振動(dòng)源沿磁伸材料以聲速v 向兩端傳播，傳向末端所引起的振動(dòng)經(jīng)阻尼裝置吸收，根據(jù)逆磁致伸縮效應(yīng)，傳向前端的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)式?jīng)_擊波，致使檢測(cè)線圈處磁伸材料內(nèi)部磁疇變化，進(jìn)而引起其周圍磁場(chǎng)改變。

圖2 所示為彈性波拾取裝置，線圈直接纏繞到波導(dǎo)絲的一端，偏置磁鐵用于整形檢測(cè)線圈感應(yīng)的激勵(lì)脈沖信號(hào)。當(dāng)磁伸材料周圍磁場(chǎng)變化時(shí)，反映待測(cè)位置處磁感應(yīng)強(qiáng)度B、感生磁場(chǎng)強(qiáng)度M 和介質(zhì)磁場(chǎng)強(qiáng)度H 之間關(guān)系

式中 μ0為真空磁導(dǎo)率。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，檢測(cè)線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電磁能，其大小如式(7)所示［8］

式中 N 為檢測(cè)線圈匝數(shù)，S 為線圈等效橫截面積，m2。

2 磁致伸縮位移傳感器測(cè)量原理

圖2 彈性波信號(hào)拾取裝置Fig 2 Device of elastic wave signal pickup

圖3 是傳感器的工作原理示意圖，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)模塊產(chǎn)生的脈沖電流Ip施加于磁伸材料波導(dǎo)絲時(shí)，脈沖沿磁伸材料向前傳播，根據(jù)電磁理論，其周圍產(chǎn)生周向環(huán)形磁場(chǎng)Φa，該磁場(chǎng)與游標(biāo)磁環(huán)產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)Φb耦合得到瞬間扭轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Φc，由于磁致伸縮效應(yīng)，導(dǎo)致合成磁場(chǎng)處的磁致伸縮線內(nèi)部磁疇發(fā)生瞬間形變，在波導(dǎo)絲表面形成力磁耦合磁彈性波，并沿軸向以聲速v 向波導(dǎo)絲兩端傳播，傳向末端的磁彈性波被阻尼器件吸收，傳向激勵(lì)端的信號(hào)則被檢波裝置接收［9］。

圖3 磁致伸縮位移傳感器工作原理示意圖Fig 3 Diagram of magnetostrictive displacement sensor working principle

感應(yīng)線圈感應(yīng)產(chǎn)生的輸出信號(hào)通過檢測(cè)信號(hào)調(diào)理電路，得到正比于測(cè)量位移的PWM 信號(hào)。圖4 是時(shí)間差測(cè)量示意圖，設(shè)磁彈性波的傳播速度為v，通過計(jì)算磁彈性波從發(fā)生位置至測(cè)量基點(diǎn)間的時(shí)間t 得出待測(cè)位移量，故磁鐵至感應(yīng)線圈間的距離為［10］

圖4 時(shí)間差測(cè)量示意圖Fig 4 Diagram of time difference measurement

3 傳感器電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 是磁致伸縮位移傳感器電路結(jié)構(gòu)框圖，主要由激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路、檢測(cè)信號(hào)處理電路和D/A 顯示部分組成。

3.1 激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)

圖5 磁致伸縮傳感器電路結(jié)構(gòu)框圖Fig 5 Structure block diagram of magnetostrictive sensor circuit

激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路主要包括脈沖信號(hào)發(fā)生電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路和脈沖功率放大電路組成。本實(shí)驗(yàn)選用的鐵鎳合金材料直徑0.75 mm、長度92 cm，分析鐵鎳合金材料本身性能和相關(guān)理論，實(shí)驗(yàn)選用NE555 組成的多諧振蕩器產(chǎn)生周期為1.5 ms 的矩形波信號(hào)。為了方便后續(xù)電路脈寬可調(diào)，需給鐵鎳合金施加6 ～12 μs 的窄脈沖，本實(shí)驗(yàn)選用10 μs 的窄脈沖信號(hào)，如圖6 中a 曲線所示。

圖6 單穩(wěn)態(tài)和功放電路輸出波形Fig 6 Output waveforms of monostable and power amplifier circuits

由于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的窄脈沖信號(hào)帶負(fù)載能力弱，不足以直接驅(qū)動(dòng)波導(dǎo)絲產(chǎn)生磁彈性波。本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了由TDA1514 構(gòu)成的窄脈沖功率驅(qū)動(dòng)放大電路，圖6 中a 曲線所示為脈沖功率放大信號(hào)，從圖中可知，輸出的窄脈沖信號(hào)幅值達(dá)10.3 V，實(shí)驗(yàn)所用鐵鎳合金直流電阻器為2.43 Ω，將激勵(lì)脈沖信號(hào)加載到波導(dǎo)絲材料，其脈沖電流幅值高達(dá)4.24 A，滿足實(shí)驗(yàn)激勵(lì)要求。

3.2 傳感器輸出信號(hào)電路設(shè)計(jì)

由于檢測(cè)線圈的感應(yīng)信號(hào)十分微弱，僅有幾毫伏，且頻率較高，還有雜波干擾，故必須將其進(jìn)行濾波、放大等處理，圖7 中a 曲線是感應(yīng)信號(hào)濾波放大波形圖，圖中前兩個(gè)信號(hào)分別為感應(yīng)到的激勵(lì)信號(hào)和磁彈性波信號(hào)，第三個(gè)信號(hào)是由磁彈性波信號(hào)傳至傳感器末端反射而形成的，故通過電壓滯回比較電路得到三個(gè)脈沖信號(hào)(圖7 中b 曲線所示)。

圖7 感應(yīng)信號(hào)放大、電壓比較、PWM 電路信號(hào)輸出波形Fig 7 Output waveforms of inductive signal amplification，voltage comparison and PWM circuits

考慮到末端反射波脈沖信號(hào)對(duì)后續(xù)時(shí)間測(cè)量的影響，設(shè)計(jì)了PWM 電路(圖8 所示)，采用CD4013 構(gòu)成D 觸發(fā)器，通過捕捉參考脈沖信號(hào)和比較電路的磁彈性波信號(hào)的脈沖上升沿而產(chǎn)生PWM 信號(hào)(圖7 中c 曲線所示)，為了使參考脈沖信號(hào)與感應(yīng)信號(hào)相位一致，本實(shí)驗(yàn)選用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)信號(hào)作為參考脈沖信號(hào)，且需調(diào)節(jié)合適的脈寬，使其大于感應(yīng)信號(hào)激勵(lì)波的脈寬，這樣通過硬件電路有效地消除了末端反射波造成的影響，提高信號(hào)質(zhì)量，觸發(fā)信號(hào)的響應(yīng)快，方便后續(xù)處理。

圖8 電壓比較與PWM 電路圖Fig 8 Voltage comparison and PWM circuit

4 傳感器性能測(cè)試與分析

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)傳感器性能進(jìn)行測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)選用92 cm鐵鎳合金材料實(shí)驗(yàn)，去除傳感器檢測(cè)線圈端和末端測(cè)量盲區(qū)，該傳感器有效測(cè)量量程84 cm，滑動(dòng)磁鐵組件，每隔3 cm 記錄一組數(shù)據(jù)，同時(shí)，記錄模擬式電壓值和數(shù)字式時(shí)間示數(shù)，測(cè)得數(shù)據(jù)分別通過Matlab 軟件最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，圖9 和圖10 分別為數(shù)字式和模擬式最小二乘法擬合曲線，通過數(shù)字式和模擬式擬合曲線可以看出:實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)均勻地分布在擬合直線上，且在該傳感量程范圍內(nèi)擬合線性度高。

圖9 數(shù)字式最小二乘法擬合直線Fig 9 Fitting straight line of digital least square method

數(shù)字式最小二乘法擬合曲線關(guān)系為

式中 T 為返回脈沖與激勵(lì)脈沖之間的時(shí)間差，μs;s 為活動(dòng)永久磁鐵的實(shí)際位移，cm。

可計(jì)算出數(shù)字式傳感器的線性度為

圖10 模擬式最小二乘法擬合直線Fig 10 Fitting straight line of analog least square method

式中 Δsmax為測(cè)量點(diǎn)中的最大偏差，YFS為測(cè)量值的滿量程輸出。

模擬式最小二乘法擬合曲線關(guān)系為

式中 U 為活動(dòng)磁鐵實(shí)際位移所對(duì)應(yīng)的電壓值，V;s 為活動(dòng)永久磁鐵的實(shí)際位移，cm。

可計(jì)算出模擬式傳感器的線性度為

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)字/模擬式鐵鎳合金磁致伸縮位移傳感器，研究并分析力磁耦合扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波產(chǎn)生和感應(yīng)線圈檢測(cè)磁彈性波產(chǎn)生電信號(hào)機(jī)理，在PWM 電路設(shè)計(jì)中，通過觸發(fā)電路很好地消除了波導(dǎo)絲末端反射波信號(hào)。根據(jù)傳感器相應(yīng)參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，當(dāng)激勵(lì)脈沖信號(hào)脈寬為10 μs，激勵(lì)功放幅值達(dá)10.3 V，檢測(cè)線圈匝數(shù)為600 匝時(shí)，該傳感器的激勵(lì)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)鐵鎳合金波導(dǎo)絲效果理想，兩種反映鐵鎳合金磁致伸縮位移傳感器測(cè)量線性度的輸出方式線性度相當(dāng)，基本能夠滿足設(shè)計(jì)的整體要求，該傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，為后續(xù)基于磁致伸縮效應(yīng)的相關(guān)位移傳感器的開發(fā)研制奠定了基礎(chǔ)。

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