磁致伸縮位移傳感器

1、 1.概述2.設(shè)計建模3.分析驗證1.磁致伸縮原理等基本概念 2.系統(tǒng)設(shè)計原理闡述及儀器模型基本公式推導(dǎo) 3.儀器模型驗證及數(shù)據(jù)分析基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)位移 位移是指物體位置對參考點產(chǎn)生的偏移量，是指物體相對于某參考坐標(biāo)系一點的距離的變化量，它是描述物體空間位置變化的物理量。位移傳感器又稱為線性傳感器，是將位移轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)概述 磁致伸縮位移傳感器是利用磁致扭轉(zhuǎn)波作為傳播媒質(zhì)的磁致伸縮式傳感器。該傳感器具有非接觸測量、精度高、重復(fù)性好、穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應(yīng)性強等特點，一般應(yīng)用于液體的測量，經(jīng)過特殊封裝后也可用于其他測量場合。基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測

2、量系統(tǒng)所謂磁致伸縮是鐵磁物質(zhì)(磁性材料）由于磁化狀態(tài)的改變，其尺寸在各方向發(fā)生變化。大家知道物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外，磁場和電場也會導(dǎo)致物體尺寸的伸長或縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下，其尺寸伸長（或縮短），去掉外磁場后，其又恢復(fù)原來的長度，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象（或效應(yīng)）。其中線磁致伸縮效應(yīng)是焦耳在1842年發(fā)現(xiàn)的，其逆效應(yīng)是壓磁效應(yīng)。基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)基本原理 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)的基本原理就是利用傳感器探頭把位移轉(zhuǎn)換成與之成比例的時間間隔的兩個脈沖，利用整形電路把兩個脈沖變成一個矩形脈沖，其寬度就是兩脈沖的時間間隔，根據(jù)時間間隔計算出位移。 該位移測量系統(tǒng)根

3、據(jù)輸入的位移量，引起時間間隔的變化，從而輸出相應(yīng)的電壓波形，從而計算得到位移量。 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)優(yōu)勢 該測量系統(tǒng)主要用來測量微小位移，普通的位移傳感器往往由于測量范圍小，在惡劣環(huán)境下 ( 振動 、油污、壓力等 ) 的工作能力差，安裝困難等原因而達不到要求。 由于作為確定位置的活動磁環(huán)和敏感元件并無直接接觸，因此傳感器可應(yīng)用在極惡劣的工業(yè)環(huán)境中，不易受油漬、溶液、塵?；蚱渌廴镜挠绊?。此外，傳感器采用了高科技材料和先進的電子處理技術(shù)，因而它能應(yīng)用在高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境中。傳感器輸出信號為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會丟失，更無須重新歸零。由于敏感元件是非接觸的，就

4、算不斷重復(fù)檢測，也不會對傳感器造成磨損，可以大大地提高檢測的可靠性和使用壽命。 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)原理示意圖：基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 激勵脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生激勵脈沖 S 1 ，經(jīng)過放大電路放大之后施加給波導(dǎo)絲，產(chǎn)生一 個圍繞波導(dǎo)絲的旋轉(zhuǎn)磁場。位置磁鐵也產(chǎn)生一個固定的磁場，在這 2 個磁場的共同作用下，會產(chǎn)生一個螺旋狀磁場。該波沿著波導(dǎo)絲以固定速度向兩邊傳播，當(dāng)它傳到一端的阻尼器，該波被減弱吸收;當(dāng)它傳到波導(dǎo)絲一端的感應(yīng)線圈，產(chǎn)生微弱的回波信號，傳感器信號處理電路對回波信號進行處理產(chǎn)生感應(yīng)脈沖 S 2 。由于發(fā)射的激勵脈沖電流以光速傳播，其傳播時間可以忽略，所以通過時間測量電路

5、測得激勵脈沖 S 1 和接收到感應(yīng)脈沖 S 2 的時間間隔，便可精確地計算出位置磁鐵的位置，即可實現(xiàn)絕對位移L 的測量?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)激勵電流脈沖S1 首先我們要在波導(dǎo)絲內(nèi)通激勵電流脈沖，該電流會激發(fā)周向磁場，同時在該電流脈沖發(fā)生的同時，啟動計時器計數(shù)。經(jīng)過反復(fù)試驗，當(dāng)采用下列相關(guān)參數(shù)時，在磁致伸縮中加載瞬時驅(qū)動脈沖電流，當(dāng)在長度為3.95m的磁致伸縮線中加載瞬時驅(qū)動脈沖電流=0.54A時，其接收到的彈性波電壓為約為12V，彈性波形比較明顯?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 表1 實驗裝置參數(shù)基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 該系統(tǒng)的導(dǎo)線回路都被封裝在波導(dǎo)絲內(nèi)，如下圖紅框所示。基于

6、磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)如果兩個導(dǎo)線并排放置，兩個導(dǎo)線之間有間隙，如下圖在兩根導(dǎo)線的中間位置磁場最強，該磁場會和位置磁鐵產(chǎn)生的磁場作用，形成扭轉(zhuǎn)波。基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)魏德曼效應(yīng) 導(dǎo)磁材料在外加磁場作用下發(fā)生變形的效應(yīng)稱為磁致伸縮效應(yīng)，而當(dāng)磁致伸縮效應(yīng)是圓周上的扭轉(zhuǎn)時，則稱為周向磁致伸縮效應(yīng),又稱魏德曼效應(yīng)。 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 永久磁鐵的恒定磁場和驅(qū)動脈沖電流產(chǎn)生的周向磁場疊加后形成瞬間扭轉(zhuǎn)磁場,如圖所示。磁疇在瞬間扭轉(zhuǎn)磁場的作用下,由于材料的磁致伸縮效應(yīng),磁致伸縮線中的質(zhì)點發(fā)生偏離平衡位置的振動,從而在線中產(chǎn)生彈性波,并向線的兩端傳播。 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系

7、統(tǒng)根據(jù)測量的原理可知，我們是通過兩個磁場產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波來測量位移，所以如果我們知道扭轉(zhuǎn)波的速度和傳播時間，就可以扭轉(zhuǎn)波傳播的路程，從而得到被測物的位移。 首先我們分析扭轉(zhuǎn)波的速度。在波導(dǎo)絲上取如圖所示為長度為 dx 的等截面波導(dǎo)絲單元， 為扭轉(zhuǎn)角，T 為扭矩，I 為極慣性矩， 為材料密度，G 為材料剪切模量。假設(shè)波導(dǎo)絲變形時橫截面始終保持為平面，通過假設(shè)，各個運動參量都可以簡化為 x 和時間 t 的函數(shù)。扭矩與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系為：基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)扭矩與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系為：由動量矩定理可得扭矩與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系為 即波導(dǎo)絲中扭轉(zhuǎn)波傳播的波動方程為： 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 由方程可得扭轉(zhuǎn)

8、波傳播速度為 ： 由此說明一定的溫度范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)波的傳播速度是恒定的，對于某種特定的材料，可由查閱相關(guān)手冊得到其扭轉(zhuǎn)波的傳播速度。本系統(tǒng)采用的波導(dǎo)絲材料為具有磁致伸縮特性的鐵鎳合金，速度V=2800 。 故儀器的數(shù)學(xué)模型為 是被測物位移，T是脈沖時間間隔，G是剪切模量， 是材料密度， 是零點位置 。 0LLsm/基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 要達到測量位移的目的，必須將扭轉(zhuǎn)波有效地接收下來。這里采用的方法是，將波導(dǎo)表面的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變轉(zhuǎn)換成縱向應(yīng)變，再通過壓磁效應(yīng)把縱向應(yīng)變轉(zhuǎn)化為磁場，通過線圈轉(zhuǎn)換成電壓信號 ?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 在線的一端設(shè)有檢測線圈,當(dāng)彈性波到達檢測線圈時,由于機械

9、應(yīng)力的改變導(dǎo)致線中的磁疇發(fā)生變化,因此磁通密度也隨之變化。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,在檢測線圈兩端便產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。其大小為：基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 在得到扭轉(zhuǎn)波的速度后，我們需要確定扭轉(zhuǎn)波的傳播時間。根據(jù)磁致伸縮位移傳感器的工作原理分析可知，傳感器是通過測量激勵脈沖 S 1 與感應(yīng)脈沖 S 2 的時間間隔來確定位移的。所以，時間間隔的檢測是實現(xiàn)傳感器高精度測量的關(guān)鍵所在。時間間隔的數(shù)字檢測方法有多種，其中直接計數(shù)法是將模擬信號輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，通過對數(shù)字信號進行計數(shù)測量來實現(xiàn)高精度時間測量。在此采用直接計數(shù)法?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)時間間隔測量即測量激勵脈沖 S 1 的產(chǎn)

10、生到感應(yīng)脈沖 S 2 的接收之間的時間間隔 T，采用同步時鐘脈沖對時間間隔 T 進行計數(shù)測量。常用的方法如直接在產(chǎn)生激勵脈沖 S 1 的同時觸發(fā)計數(shù)器開始對同步時鐘脈沖計數(shù)，接收的感應(yīng)脈沖 S 2 對計數(shù)器復(fù)位，停止計數(shù) 。但該方法不易實現(xiàn)，因為接收到的感應(yīng)脈沖 S中有回波信號，對計數(shù)器復(fù)位有干擾。故本文采用通過RS觸發(fā)器將激勵脈沖 S 1 與感應(yīng)脈沖 S 2 之間的時間間隔 T 轉(zhuǎn)化為 PWM 信號S 4 的寬度來測量。同時，為了消除感應(yīng)脈沖 S 2 中激勵脈沖 S 1 的干擾，引入了延時脈沖 S3 。最終將 S 4 作為閘門信號控制對同步時鐘脈沖進行計數(shù)，即可精確測量出時間間隔 T?；诖?/p>

11、致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) S3接R，S2接S基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 本系統(tǒng)采用CPLD實現(xiàn)時間間隔測量。 CPLD是指復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。整個時間間隔獲取電路均在 CPLD 內(nèi)部實現(xiàn)，有利于減少干擾，提高測量精度。CPLD 具有集成度高、工作速度快、編程方便、價格低廉等優(yōu)點。芯片本身具

12、有較強的抗干擾能力，內(nèi)部可實現(xiàn)硬件濾波算法和傳感器功能電路集成。此外與 FPGA 相比，CPLD 內(nèi)部連線相對固定，延時小且可預(yù)測，更利于器件在高頻下工作 ，從而提高系統(tǒng)的測量分辨率。基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 回波問題 在時間間隔測量中，磁致伸縮位移傳感器中的磁致扭轉(zhuǎn)波沿著波導(dǎo)絲向兩邊傳播，一端被阻尼器所吸收，另一端被感應(yīng)線圈吸收產(chǎn)生回波信號，經(jīng)放大濾波電路處理后產(chǎn)生感應(yīng)脈沖 S 2 。若阻尼器未能全部吸收磁致扭轉(zhuǎn)波，則未被吸收磁致扭轉(zhuǎn)波傳至感應(yīng)線圈而產(chǎn)生二次回波信號。隨著位置磁鐵的移動，距離越來越大，二次回波會越來越弱，被濾波電路消除。但在小范圍測位移時

13、，二次回波經(jīng)過放大電路放大后，其電壓幅值接近一次回波的電壓幅值，濾波電路消除不了，則影響感應(yīng)脈沖 S 2，對測量產(chǎn)生干擾?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 本系統(tǒng)設(shè)計的感應(yīng)脈沖信號處理電路能有效消除二次回波。由于時間測量只跟激勵脈沖與一次回波有關(guān)系，故通過在 CPLD 內(nèi)部編程實現(xiàn)，在一個測量周期里，只捕捉 S 5 的前 2 個高電平脈沖，將檢測到的第 2 個脈沖的高電平延時一定時間達到消除二次回波的目的，從而保證測量結(jié)果的準確性?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 減小計數(shù)誤差： 在基于 CPLD 的時間間隔測量過程中，采用 CPLD 的基準時鐘50 MHz 晶振。要想消除晶振帶來的隨機誤差，獲得

14、較準確的計數(shù)數(shù)值，提高系統(tǒng)的可靠性，則需對計數(shù)數(shù)據(jù)進行處理，該系統(tǒng)選擇平滑度高，適用于高頻振蕩的滑動平均濾波法。其數(shù)學(xué)公式為： 為第 n 次采樣經(jīng)濾波后的結(jié)果，N為濾波滑動平均的點數(shù)， 為未經(jīng)過濾波的第(n i) 次采樣值該系統(tǒng)采用 8 級 16 位移位寄存器和 7個加法器和除法器來實現(xiàn)對 16 位計數(shù)器進行滑動平均濾波。基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng) 16 位計數(shù)器對 PWM 信號 S4 計數(shù)得到的計數(shù)值為 ，對 計 數(shù) 值 采 樣 n 次， 采 樣 值 分 別 為 ，系統(tǒng)的時鐘頻率為 。故位移L的數(shù)學(xué)模型為：0/1 f? 在本設(shè)計中，時鐘頻率為 =50 MHz，則時間間隔測量的分辨率為 2

15、0 ns。對于一般的波導(dǎo)絲來說，在一定的溫度范圍內(nèi)，G和都是恒定的，根據(jù)式(2) 可知，扭轉(zhuǎn)波的傳播速度 V 是固定的，對于本傳感器的材料，V =2 800 m/s，故對應(yīng)的理論位移分辨率為 56 m。0f5.0)/(pGv 速度 的單位為m/s, 計數(shù)值無量綱，系統(tǒng)時鐘頻率單位為s，零點的單位為m，故位移L為m。基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)結(jié)合以上分析，可構(gòu)造出完整的測量系統(tǒng)，如下圖：基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)在本次實驗中，在波導(dǎo)絲內(nèi)均勻取幾點進行實驗測量。實驗裝置限制及傳感器固有死區(qū)，所以首先需要根據(jù)實驗測定零點位置 L，然后移動傳感器上位置磁鐵，進行測量。為了測試傳感器的分辨率，故將位置磁鐵在同一個位置固定不動，進行 4 次測量，再根據(jù)公式，進行計算，即可得到所測得的位移值L 及對應(yīng)的時間間隔T。數(shù)據(jù)如下：基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測量系統(tǒng)由以上數(shù)據(jù)可知： 磁致伸縮位移傳感器的零點位置為 177.800 mm，根據(jù)在同一個固定位置所測得的4 組數(shù)據(jù)可知，測量結(jié)果的有效數(shù)字顯示位數(shù)為0.001 mm，位移分辨率達到0.01 mm，量程為1000mm。 由于磁致伸縮位移傳感器通常安裝在戶外較惡劣的環(huán)境下，溫度變化比較大，且長時間使用晶振容易發(fā)生老化。系統(tǒng)晶振的溫漂及老化直接影響測量的準確度。下一步的工作主要對溫度及晶