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磁致伸縮位移傳感器檢測信號分析

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-09-06 10:20

  

       位移傳感器一直是科研人員積極關注的熱點課題。磁致伸縮位移傳感器具有精度高、非接觸、可靠性高且適應千惡劣環境等優點,因而被廣泛應用千工業控制領域,如輪船的閥門控制、機械自動化數控裝置等[3]。MTS系統公司研制的量程為18m的大位移直線位移傳感器,其精度可達0.025%/sC4J, 并且可同時測量多種參數。研究學者從材料、原理、電路等方面對位移傳感器進行了諸多研究。為提高磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓與精度,本文研究了影響磁致伸縮位移傳感器檢測信號的因素,為研制新型的磁致伸縮位移傳感器提供了基本數據與指導。
2、磁致伸縮位移傳感器的結構和原理
       磁致伸縮式位移傳感器主要包括傳感器頭部、硬件電路系統、波導絲(磁致伸縮材料入探測桿、活動磁鐵和前后阻尼器等,其中硬件電路系統和檢測線圈放置在傳感器頭部。
       當位移傳感器工作時,傳感器頭部中的硬件電路產生驅動脈沖電流并沿波導絲傳播,該驅動脈沖電流可產生環形磁場,當環形磁場傳播到活動磁鐵位置時,與磁鐵產生的軸向偏置磁場疊加,形成一個螺旋磁場?;旱侣?,波導絲瞬間形變并產生扭轉波,扭轉波以一定的速度向波導絲兩端傳播。當傳感器頭部的檢測線圈感應到扭轉波信號時,該時刻與產生驅動脈沖電流時刻的時間間隔乘以扭轉波波速即為活動磁鐵的當前位置。傳感器尾部裝有吸收多余扭轉波的阻尼裝置,可減少反射波對檢測信號的干擾。
       扭轉波傳播到檢測線圈時,在磁致伸縮逆效應作用下扭轉波信號導致波導絲內部磁通發生改變,根據法拉第電磁感應定律,計算表明磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓由磁致伸縮波導絲的角應變引起的磁場變化率、相對磁導率、波導絲半徑、長度、楊氏模量、泊松比、密度、極慣性矩,檢測線圈匝數、橫截面積,磁通量軸向分量,偏置磁場和激勵磁場等參數決定??梢?,影響磁致伸縮位移傳感器輸出電壓的因素可分為與波導絲材料相關的參數和與磁場、檢測線圈相關的參數。因此,主要來討論波導絲的材料特性、驅動脈沖電流、檢測線圈參數對檢測電壓的影響。
3 磁致伸縮位移傳感器的實驗方法
       將直徑為0.5mm,長度為1 m的磁致伸縮波導絲固定在內徑為6 mm,外徑為8 mm的鐵氟龍塑料管內(使波導絲保持垂直,無任何彎折),底端穿過橡膠棒緊固(以減少有效信號被塑料管壁吸收),再套入內徑為9 mm,外徑為14 mm,壁厚為2. 5mm的316L不銹鋼探桿內。實驗中使用的電源為穩壓電源和可調電源,穩壓電源為后續的信號調理電路提供穩定的工作電壓,可調電源用千控制激勵脈沖的電壓幅值,電壓調節為0-32 V。采用TFG6920A型信號發生器產生激勵脈沖電流,脈沖頻率設定為11200Hz,寬度為7 μs , 高電平為15V。檢測線圈穿過波導絲,固定在探桿的首端,用于信號的拾取,信號顯示采用DP03014型的四通道示波器,同時顯示輸入激勵信號和輸出感應電壓信號。
       利用搭建的實驗平臺,研究了波導絲材料特性、驅動脈沖電流參數、檢測線圈參數等對磁致伸縮位移傳感器輸出電壓的影響。
4 實驗結果與分析
4.1波導絲材料對檢測電壓的影響
       波導絲是磁致伸縮位移傳感器電-磁-機械能轉換的核心部件。波導絲材料的魏德曼效應以及磁致伸縮系數對檢測電壓的大小有著重要影響,目前位移傳感器的波導絲主要為Fe-Ni波導絲。最近發現Fe-Ga波導絲具有顯著的魏德曼效應。鐵銖波導絲和鐵稼波導絲的魏德曼扭轉性能對比可以 出,與 F e-沁 波導絲相比,Fe-Ga波導絲具有較好的魏德曼效應和較高的飽和磁致伸縮系數。
       選用直徑為0. 5mm的Fe-Ga和Fe-Ni波導絲,在磁場、檢測線圈等相同的條件下,對兩種波導絲制作的位移傳感器的檢測電壓特性進行了研究,測得的激勵脈沖電流與檢測電壓的關系結果表明Fe-Ga波導絲的檢測電壓顯著高千Fe-Ni波導絲的檢測電壓,檢測電壓最大值大約為Fe-沁波導絲的檢測電壓的3倍。因此,選用Fe-Ga合金作為磁致伸縮位移傳感器的波導絲,能夠在較小的磁場下獲得設定的輸出電壓值。
4.2 激勵磁場對檢測電壓信號的影響
       激勵磁場H;(r)對磁致伸縮位移傳感器檢測電壓信號有重要影響,磁致伸縮位移傳感器的激勵磁場H. (r)是由激勵脈沖電流產生的。因此,激勵磁場對檢測電壓信號的影響可以歸千脈沖電流的頻率、幅值和寬度對檢測電壓信號的影響。
磁致伸縮位移傳感器
4.2.1激勵脈沖電流幅值對檢測電壓信號的影響
       驅動脈沖電流為頻率可調的周期信號,通過調節脈沖電流的頻率可以控制電流作用在波導絲上的時間間隔。脈沖的頻率較低時,傳感器的頻響較低,靈敏度較差。如果頻率過高,檢測信號的諧波含量過高,可能出現 2 個 測量 周 期 檢 測 信 號的重疊現象。
       其中:J為脈沖電流的頻率,L為位移傳感器的量程,v 為波 導 絲 內彈性 波 的傳 播 速 度 ???慮 實 驗平臺量程為 1 m,測得彈性波在波導絲內的傳播速度約為 2 650 m/s, 可設定電流脈沖的頻率為1.2kHz。
       圖4所示為磁致伸縮位移傳感器脈沖電流幅值與檢測電壓的關系,波導絲為 F e-G a 波 導 絲 ,激勵脈沖電流頻率為1. 2kHz,脈沖電流寬度為5s。 脈沖電流 幅值小于6 A 時 ,檢測電壓隨著脈沖電流幅值的增大而增大。當脈沖電流幅值繼續增大時,檢測電壓的幅值緩慢增加。表明隨著脈沖電流幅值的增大,波導絲中的磁場達到飽和。因此波導絲中的脈沖電流幅值應設為6A左右。
4.2.2激勵脈沖電流的寬度對檢測電壓信號的影響
       是由脈沖電流的上升沿和下降沿分別激勵產生的。脈沖 電流寬度為30 s 時檢測 電壓的波形。檢測電壓的波形分為脈沖電壓的上升沿對應的檢測波形和脈沖電壓下降沿對應的檢測波形。兩部分檢測電壓的相位相反,其峰峰值相距 30 s,與脈沖的寬度相同。研究脈沖電流寬度對檢測電壓的影響時,選取 F e-G a 波 導絲 直 徑 為 0 . 5mm,激勵脈沖電流的值為6 A,頻率為1. 2kHz。從圖中可以看出,當脈寬在 16 s 時 ,檢測電壓幅值隨著脈寬的增大而增大,當繼續增加脈寬的寬度時,檢測電壓的幅值會隨著脈寬的增加而降低,當脈寬大于15s時,檢測壓的幅值 會 趨 于 穩 定 。脈沖寬度在 6 s 時 ,檢測電壓的幅值最大。
4.3 檢測線圈參數對檢測電壓信號的影響
       檢測線圈是磁致伸縮位移傳感器進行信號檢測的關鍵部件,可等效為二階欠阻尼電路系統。阻尼比和衰減系數越大,系統越靈敏,越易趨于穩定。e應在0. 6-0. 8之間, Wn 大于脈沖電流頻率的 5倍。系統的阻尼 比、衰減系數和檢測線圈參數相關。阻尼比和衰減系數與線圈的電阻成正比,與電感成反比,因此,線徑較小時,檢測線圈的衰減系數與阻尼比都較高。且線徑增大會導致線圈的諧振頻率降低,電容兩端電壓變化的周期時間變大,線圈的響應速度變慢,因此在線徑的選擇上,盡可能選擇線徑較小的漆包線來纏繞線圈。
        分別取線徑為0.06和0.1 mm 的漆包線制作檢測線圈,線圈匝數均為600, 長度為1 cm, 內徑為 3 mm 。實驗得到 F e-G a 位移傳感器激勵 電壓與檢測電壓的關系如圖8所示。線徑為0. 06 mm線圈的檢測電壓高于線徑為 0.15 mm的檢測電壓,實驗結果驗證了理論分析的正確性。不同線圈匝數條件下 F e-G a 位移傳感器激勵電壓與檢測電壓的關系。實驗所用線圈線徑為0. 06 mm,長度為1 cm,內徑為3 mm,匝數分別為200、400、600和800匝。隨著匝數的增加,檢測電壓也相應的增加。線圈匝數從200增加到800時,檢測電壓明顯增大。
4.4 檢測信號的數字分析
        實驗測得的 F e-N i 和 F e-Ga 波導絲位移傳感器的檢測 電壓波形 ,F e-G a 波導絲傳感器檢測電壓波形中雜波含量較少,檢測電壓幅值比 F e-N i波導絲提高了約 40 mV。綜合以上實驗數據確定 F e-G a 磁致伸縮位移傳感器參數為:波導絲直徑0.5 mm,長度1 m;驅動脈沖電流頻率1. 2kHz,脈寬7, 脈沖電壓幅值24V;檢測線圈匝數800匝,線徑0.06mm,長度1cm,內徑1mm。
4.5磁致伸縮位移傳感器的精度分析
        檢測信號經過濾波電路處理之后被送往信號處理電路,檢測信號與及時邊角電路的閾值進行比較,從而得到計時的終點。較大的檢測信號幅值可以設置較高的閾值電壓。
5、結論
        本文研究了波導絲材料、驅動脈沖參數和檢測線圈參數對傳感器檢測電壓的影響。對檢測線圈進行了優化設計,確定了磁致伸縮位移傳感器的各項參數。發現磁致伸縮系數大、魏德曼效應顯著的Fe-Ga材料作為波導絲,可明顯提高電磁-機械能的轉換效率,獲得了較大的檢測電壓信號,信噪比顯著提高,檢測電壓信號的幅值比Fe-Ni波導絲提高了40mV,位移傳感器精度可提高2倍以上。本研究可為新型磁致伸縮位移傳感器的優化設計提供指導與基礎數據。


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