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考慮磁滯的鐵稼磁致伸縮位移傳感器輸出電壓模型及結構設計

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-07-26 14:00

  

       磁致伸縮位移傳感器因精度高、安裝簡易、可靠程度高、非接觸性能實現多參數測量等優點,廣泛應用于自動化工廠、超精密儀器、航天等領域,得到國內外眾多科研人員的關注?;贘iles-Atherton(J-A)模型、魏德曼效應和壓磁效應,建立了考慮磁致影響的磁致伸縮位移傳感器和輸出電壓模型.并針對磁致伸縮材料在磁化過程中的磁滯效應給位移測量帶來位移遲滯的問題,提出一種新的磁致伸縮位移傳感器結構,并對其進行實驗研究.實驗表明:新結構的傳感器不僅可以消除磁滯效應產生的位移遲滯,而且可以在很大程度上減小剩磁和激勵電流波動對位移測最帶來的不利影響,提高檢測信號的信噪比,改善了傳感器線性度、重復性、遲滯性和精度。
1、傳感器的輸出電壓模型及結構改進方案
1.1考慮磁滯影響的傳感器輸出電壓
       傳統磁致伸縮位移傳感器主要由檢測線圈、永磁體、波導絲、信號處理單元、阻尼、調節電阻、電源、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脈沖電流在波導絲 中傳播產生周向激勵磁場,與永磁體產生的軸向偏置磁場合成 一 個螺旋磁場 ,根據磁致伸縮材料的魏德曼效應 ,此時波導絲內磁疇發生局部偏轉繼而產生應力波.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,波導絲內機械應力的改變將導致磁感應強度發生變化, 根據法拉第電磁感應定律知,此時檢測線圈兩端產生感應電壓.
1. 2 位移遲滯產生的原因及結構改進
       根據 F e- G a 磁致伸縮材料的物理性質 ,在磁化過程中,外加磁場退回到零時其磁感應強度并不為零,此時波導絲內產生剩磁B,, 當原外加磁場在相反方向加上一 定大小的磁場才能使磁感應強度退 回到零 ,該磁場稱為矯頑力且,N和N,表示為永磁體的北極,S和S 表示為永磁體的南極.其中B曲線為初始磁化曲線,o和x曲線為第一 象限的磁滯 回線、在初始磁化狀態下,永磁體產生的軸向偏置磁場對波導絲進行磁化時,波導絲內的磁感應強度如曲線r,此時波導絲中心位置b處的磁感應強度最大,兩邊的磁感應強度關于中心位置b對稱且略有下降.當永磁體向左移動時,假設位置a、 b 、e 分別移動到 a,、b , 、C l 處 ,由于 F e- G a 材料 的磁滯 效應 ,此時 a,處的磁感應強度增加到A點,bl 處 的磁感應強度 由 D點增加到B點, c , 處的磁感應強度由B點下降到C點,所以此時 a l 和 C l 處 的磁感應強度不相等 ,此時波導絲內的磁感應強度分布如曲線f 2 所示.波導絲 內磁感應強度分布的變化 直接影響到輸出的電壓信號,所以由千 F e- G a 材料 自身 的磁滯效應會在測量過 程中產生位移遲滯現象.當永磁體向右移動時其磁感應強度變化剛好相反.
       傳感器能實現某一段位移l的測量,本質上是將位移星轉換成時間蜇 . 當外界溫度變化較小時可以認為回波速度v(應力波在波導絲中的傳播速度)為常數,只需測擻應力波從永磁體傳播到檢測線圈的時間t. 而輸出的電壓信號直接影響到時間t的判定,所以提高傳感器的精度,需減小磁滯的影響。
磁滯是鐵磁材料反復磁化過程中,磁感應強度變化滯后千磁場強度的現象,所以要消除磁滯產生的位移遲滯,需使波導絲不被反復磁化.永磁體固定在波導絲頭部,位置線圈在永磁體與校正線圈之間移動,校正線圈安裝在波導絲尾部,脈沖電流的輸出端移動到永磁體右端口處 . 新結構 中永磁鐵 固定在波導絲 的頭部 ,僅作為軸向偏置磁場使用,其不再反復磁化波導絲,所以可以消除由磁致伸縮材料的磁滯效應帶來的位移遲滯;位置線圈在波導絲上移動,以實現位移改變的作用;校正線圈固定在波導絲尾部,以實現回波速度的校正;脈沖電流的輸入端不變,輸出端移至永磁體右端口處,脈沖電流的回路電阻大幅度減小,當回路需要同樣大小電流時,電源所需提供的電壓減小,可達到節能的目的 .
      根據上述的分析,新結構還能減小剩磁和脈沖電流波動產生的影響.由于Fe-Ga材料自身的磁特性,永磁體在波導上移動,必然會產生剩磁問題,新結構中位置線圈代替永磁體起位移改變作用,所以波導絲內不會產生軸向剩磁;新結構中將脈沖電流輸出端移至永磁體右端口處,此時脈沖電流僅流過永磁體覆蓋部分的波導絲,所以新結構能減小脈沖電流對輸出電壓信號的影響磁致伸縮位移傳感器的測鼠是將位移量轉換為時間量,位移與時間的對應關系是線性的且其比例系數為回波速度v(v=/G, 石,其中G為波導絲的剪切模量;p為波導絲的密度) . 波導絲 一 旦確定 ,其剪切模量和密度也就確定了,但是波導絲的剪切模量和密度都受到環境溫度的影響,在分辨率和精度要求不高或環境溫度與常溫相差不大的情況下,可認為回波速度是恒定的,但位移傳感器分辨率和精確度要求高或環境溫度與常溫相差較大的情況下則需對應力波的回波速度進行修正 . 新結構的傳感器其永磁體 固定在波導絲頭部,校正線圈固定在波導絲尾部,故可測量出兩者之間的位移l,'由校正線圈輸出的檢測信號可得到應力波在永磁體與校正線圈之間的傳播時間,可實現回波速度的實時校正.
2 實驗結果與分析
       本實驗采用的波導絲材料是Fe-Ga. 穩壓電源為信號處理電路提供穩定電壓,可調電源用來調節激勵脈沖的幅值.采用TFG6920A函數任意波形發生器及放大電路產生脈沖電流.采用DP03014型四通道示波采集和顯示電壓信號 . 將波導絲固定在鐵氝龍塑料管內,波導絲兩端用螺絲固定在傳感器兩端(保證波導絲尤彎曲)。 永磁體為欽鐵繃磁環 ,其 內徑和外徑分別為15 mm和20mm. 阻尼器安裝在波導絲兩端 . 檢測線圈采用線徑0. 06mm的細銅導線繞制而成,其匝數為600匝,繞制層數3層.信號發生器產生的脈沖電流頻率設定為l000Hz、寬度7,s 、高電平 20 V. 示波器最高采樣頻率為2.5xl0 s - 1, 采用兩通道,通道1采集檢測線圈輸出的電壓信號,通道2采集回路的電壓信號,示波器的采樣周期設定為0. 04 ,s ,采樣點數10000點.
2.1傳感器輸出電壓的數值計算
       當激勵磁場較小時,輸出的電壓較小,但較小的激勵磁場增加會產生較大的電壓增加;當激勵磁場與外加磁場接近時,輸出電壓接近飽和,此時輸出電壓隨激勵磁場的增加變化較?。梢妼嶒灲Y果與計算結果基本吻合.
磁致伸縮位移傳感器
2.2檢測信號的數值計算
       當外磁場與周向磁場相等.傳統結構輸出的電壓波形中雜波含最較多.輸出的電壓信號由四部分產生的,分別是脈沖電流、應力波、反射波和剩磁.應力波產生的電壓幅值為53 mV 時,由反射波產生的電壓幅值達20 mV,由剩磁產生的電壓幅值達6 mV,所以傳統結構的檢測線圈輸出電壓信號信噪比低,影響傳感器的精度.與傳統結構輸出的電壓波形相比,新結構所含雜波明顯減少,其表現在:(1)輸出的電壓受到剩磁的影響顯著減??; (2)輸出的電壓信號受脈沖電流的影響減??; (3)輸出的電壓信號受到反射波的影響明顯減?。虼诵陆Y構的傳感器能有效減小雜波信號的含量.
信噪比是描述信號中有效信號與噪聲信號的比例,其值越大代表信號失真越少,得結構改進前后輸出電壓信號的信噪比分別為14. 7dB和27. 6dB,故電壓信號的信噪比SNR約提高了1倍.
2.3、位移遲滯實驗
       對傳統結構傳感器的位移遲滯現象進行實驗,將永磁體緩慢地移動,每次移動位移50mm,正反行程重復實驗兩次,同理對新結構進行實驗.所得結構改進前后的位移遲滯曲線如圖7所示,實際位移用光學編碼器測定,其精確度可達2m.
       由于磁致伸縮材料磁化過程的磁滯效應會在位移測量中表現為位移遲滯,傳統結構的位移遲滯曲線寬度達90m. 而新結構中磁滯回線明顯減小,最大偏差為12 m. 在新結構單次正或反行程中,測量偏差在零附近波動,所以新結構的測量偏差的主要來源不是材料的磁滯效應,而是傳感器的溫漂和系統誤差帶來的.
2.4結構改進前后的性能測試實驗
       針對于磁致伸縮位移傳感器的幾個性能指標進行實驗,包括線性度實驗、重復性實驗和遲滯性實驗,比較結構改進前后的各項性能指標.傳感器的線性度又稱非線性誤差,指傳感器的輸入輸出曲線與理論擬合直線的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比.將永磁體(位置線圈)從同 一 方 向上做全量程連續10次測試實驗,并用最小二乘法線性擬合輸入量與輸出量的特性曲線.由實驗得傳統結構的非線性誤差 t =0.05%,新結構的非線性誤差'Y 2 = 0.013%,新結構的非線性誤差約降低為傳統結構的1/4,傳感器的線性度顯著提高.
傳感器的重復性指在相同的工作條件下,傳感器輸入量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.按同一方向做全量程重復實驗10次,得傳統結構重復性w, =0.038%, 結構改進后的重復性w2 = 0. 013%. 故新結構的重復性誤差約降低為傳統結構的113, 傳感器的重復性顯著提高.
       傳感器的遲滯是指傳感器在正反行程期間輸入和輸出特性曲線不重合的程度.當輸入信號相等時,傳感器正反行程輸出信號大小不相等.正反行程重復10次實驗,得傳統結構的遲滯 g= 0. 072%, 新結構的遲滯=0. 01%, 結構改進后傳感器的遲滯約降低為結構改進前的1/7'傳感器的遲滯性顯著減?。?/div>
3、結論
(1)考慮鐵磁材料的磁滯,建立了磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型,計算值與實驗值之間變化趨勢吻合,表明所建立的模型能夠描述輸出電壓與偏置磁場、激勵磁場、波導絲材料、檢測線圈之間的關系.
(2)設計了一種新的磁致伸縮位移傳感器結構,通過理論分析和實驗驗證了新結構能有效消除磁滯效應產生的位移遲滯,并且使電壓信號的信噪比由14 dB提高到27.6dB, 提高了傳感器的測量精度.
(3)制作了樣機,對比了傳感器結構改進前后的性能指標,證明了新結構能改善傳感器的線性度、重復性、遲滯性.本研究工作可為磁致伸縮位移傳感器的研究、優化、生產提供理論依據和實驗基礎.


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