磁致伸縮位移傳感器

1、 1.概述2.設(shè)計(jì)建模3.分析驗(yàn)證1.磁致伸縮原理等基本概念 2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理闡述及儀器模型基本公式推導(dǎo) 3.儀器模型驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)位移 位移是指物體位置對(duì)參考點(diǎn)產(chǎn)生的偏移量，是指物體相對(duì)于某參考坐標(biāo)系一點(diǎn)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(cè)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(cè)量、精度高、重復(fù)性好、穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，一般應(yīng)用于液體的測(cè)量，經(jīng)過(guò)特殊封裝后也可用于其他測(cè)量場(chǎng)合。基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)

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(chǎng)和電場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致物體尺寸的伸長(zhǎng)或縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，其尺寸伸長(zhǎng)（或縮短），去掉外磁場(chǎng)后，其又恢復(fù)原來(lái)的長(zhǎng)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(cè)量系統(tǒng)基本原理 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)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(shí)間間隔的兩個(gè)脈沖，利用整形電路把兩個(gè)脈沖變成一個(gè)矩形脈沖，其寬度就是兩脈沖的時(shí)間間隔，根據(jù)時(shí)間間隔計(jì)算出位移。 該位移測(cè)量系統(tǒng)根

3、據(jù)輸入的位移量，引起時(shí)間間隔的變化，從而輸出相應(yīng)的電壓波形，從而計(jì)算得到位移量。 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)勢(shì) 該測(cè)量系統(tǒng)主要用來(lái)測(cè)量微小位移，普通的位移傳感器往往由于測(cè)量范圍小，在惡劣環(huán)境下 ( 振動(dòng) 、油污、壓力等 ) 的工作能力差，安裝困難等原因而達(dá)不到要求。 由于作為確定位置的活動(dòng)磁環(huán)和敏感元件并無(wú)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(jìn)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(hào)為絕對(duì)位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，更無(wú)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(cè)，也不會(huì)對(duì)傳感器造成磨損，可以大大地提高檢測(cè)的可靠性和使用壽命。 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖：基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) 激勵(lì)脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生激勵(lì)脈沖 S 1 ，經(jīng)過(guò)放大電路放大之后施加給波導(dǎo)絲，產(chǎn)生一 個(gè)圍繞波導(dǎo)絲的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。位置磁鐵也產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場(chǎng)，在這 2 個(gè)磁場(chǎng)的共同作用下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)螺旋狀磁場(chǎng)。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(hào)，傳感器信號(hào)處理電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理產(chǎn)生感應(yīng)脈沖 S 2 。由于發(fā)射的激勵(lì)脈沖電流以光速傳播，其傳播時(shí)間可以忽略，所以通過(guò)時(shí)間測(cè)量電路

5、測(cè)得激勵(lì)脈沖 S 1 和接收到感應(yīng)脈沖 S 2 的時(shí)間間隔，便可精確地計(jì)算出位置磁鐵的位置，即可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位移L 的測(cè)量?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)激勵(lì)電流脈沖S1 首先我們要在波導(dǎo)絲內(nèi)通激勵(lì)電流脈沖，該電流會(huì)激發(fā)周向磁場(chǎng)，同時(shí)在該電流脈沖發(fā)生的同時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)采用下列相關(guān)參數(shù)時(shí)，在磁致伸縮中加載瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖電流，當(dāng)在長(zhǎng)度為3.95m的磁致伸縮線中加載瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖電流=0.54A時(shí)，其接收到的彈性波電壓為約為12V，彈性波形比較明顯。基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) 表1 實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)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?；?/p>

6、磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)如果兩個(gè)導(dǎo)線并排放置，兩個(gè)導(dǎo)線之間有間隙，如下圖在兩根導(dǎo)線的中間位置磁場(chǎng)最強(qiáng)，該磁場(chǎng)會(huì)和位置磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用，形成扭轉(zhuǎn)波?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)魏德曼效應(yīng) 導(dǎo)磁材料在外加磁場(chǎng)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(shí)，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(cè)量系統(tǒng) 永久磁鐵的恒定磁場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)脈沖電流產(chǎn)生的周向磁場(chǎng)疊加后形成瞬間扭轉(zhuǎn)磁場(chǎng),如圖所示。磁疇在瞬間扭轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(diǎn)發(fā)生偏離平衡位置的振動(dòng),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(cè)量系

7、統(tǒng)根據(jù)測(cè)量的原理可知，我們是通過(guò)兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波來(lái)測(cè)量位移，所以如果我們知道扭轉(zhuǎn)波的速度和傳播時(shí)間，就可以扭轉(zhuǎn)波傳播的路程，從而得到被測(cè)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(zhǎng)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(shí)橫截面始終保持為平面，通過(guò)假設(shè)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)參量都可以簡(jiǎn)化為 x 和時(shí)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(cè)量系統(tǒng)扭矩與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系為：由動(dòng)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(dòng)方程為： 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) 由方程可得扭轉(zhuǎn)

8、波傳播速度為 ： 由此說(shuō)明一定的溫度范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)波的傳播速度是恒定的，對(duì)于某種特定的材料，可由查閱相關(guān)手冊(cè)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(cè)物位移，T是脈沖時(shí)間間隔，G是剪切模量， 是材料密度， 是零點(diǎn)位置 。 0LLsm/基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) 要達(dá)到測(cè)量位移的目的，必須將扭轉(zhuǎn)波有效地接收下來(lái)。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(guò)壓磁效應(yīng)把縱向應(yīng)變轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)，通過(guò)線圈轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) ?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) 在線的一端設(shè)有檢測(cè)線圈,當(dāng)彈性波到達(dá)檢測(cè)線圈時(shí),由于機(jī)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(cè)線圈兩端便產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其大小為：基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)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(shí)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(guò)測(cè)量激勵(lì)脈沖 S 1 與感應(yīng)脈沖 S 2 的時(shí)間間隔來(lái)確定位移的。所以，時(shí)間間隔的檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)傳感器高精度測(cè)量的關(guān)鍵所在。時(shí)間間隔的數(shù)字檢測(cè)方法有多種，其中直接計(jì)數(shù)法是將模擬信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量。在此采用直接計(jì)數(shù)法。基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)時(shí)間間隔測(cè)量即測(cè)量激勵(lì)脈沖 S 1 的產(chǎn)

10、生到感應(yīng)脈沖 S 2 的接收之間的時(shí)間間隔 T，采用同步時(shí)鐘脈沖對(duì)時(shí)間間隔 T 進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量。常用的方法如直接在產(chǎn)生激勵(lì)脈沖 S 1 的同時(shí)觸發(fā)計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)同步時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，接收的感應(yīng)脈沖 S 2 對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位，停止計(jì)數(shù) 。但該方法不易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榻邮盏降母袘?yīng)脈沖 S中有回波信號(hào)，對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位有干擾。故本文采用通過(guò)RS觸發(fā)器將激勵(lì)脈沖 S 1 與感應(yīng)脈沖 S 2 之間的時(shí)間間隔 T 轉(zhuǎn)化為 PWM 信號(hào)S 4 的寬度來(lái)測(cè)量。同時(shí)，為了消除感應(yīng)脈沖 S 2 中激勵(lì)脈沖 S 1 的干擾，引入了延時(shí)脈沖 S3 。最終將 S 4 作為閘門(mén)信號(hào)控制對(duì)同步時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可精確測(cè)量出時(shí)間間隔 T?；诖?/p>

11、致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) S3接R，S2接S基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) 本系統(tǒng)采用CPLD實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔測(cè)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(lái)的器件，相對(duì)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(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。整個(gè)時(shí)間間隔獲取電路均在 CPLD 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，有利于減少干擾，提高測(cè)量精度。CPLD 具有集成度高、工作速度快、編程方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。芯片本身具

12、有較強(qiáng)的抗干擾能力，內(nèi)部可實(shí)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(duì)固定，延時(shí)小且可預(yù)測(cè)，更利于器件在高頻下工作 ，從而提高系統(tǒng)的測(cè)量分辨率?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) 基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) 回波問(wèn)題 在時(shí)間間隔測(cè)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(hào)，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(hào)。隨著位置磁鐵的移動(dòng)，距離越來(lái)越大，二次回波會(huì)越來(lái)越弱，被濾波電路消除。但在小范圍測(cè)位移時(shí)

13、，二次回波經(jīng)過(guò)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(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的感應(yīng)脈沖信號(hào)處理電路能有效消除二次回波。由于時(shí)間測(cè)量只跟激勵(lì)脈沖與一次回波有關(guān)系，故通過(guò)在 CPLD 內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)，在一個(gè)測(cè)量周期里，只捕捉 S 5 的前 2 個(gè)高電平脈沖，將檢測(cè)到的第 2 個(gè)脈沖的高電平延時(shí)一定時(shí)間達(dá)到消除二次回波的目的，從而保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) 減小計(jì)數(shù)誤差： 在基于 CPLD 的時(shí)間間隔測(cè)量過(guò)程中，采用 CPLD 的基準(zhǔn)時(shí)鐘50 MHz 晶振。要想消除晶振帶來(lái)的隨機(jī)誤差，獲得

14、較準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)數(shù)值，提高系統(tǒng)的可靠性，則需對(duì)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該系統(tǒng)選擇平滑度高，適用于高頻振蕩的滑動(dòng)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(dòng)平均的點(diǎn)數(shù)， 為未經(jīng)過(guò)濾波的第(n i) 次采樣值該系統(tǒng)采用 8 級(jí) 16 位移位寄存器和 7個(gè)加法器和除法器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) 16 位計(jì)數(shù)器進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波。基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng) 16 位計(jì)數(shù)器對(duì) PWM 信號(hào) S4 計(jì)數(shù)得到的計(jì)數(shù)值為 ，對(duì) 計(jì) 數(shù) 值 采 樣 n 次， 采 樣 值 分 別 為 ，系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為 。故位移L的數(shù)學(xué)模型為：0/1 f? 在本設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘頻率為 =50 MHz，則時(shí)間間隔測(cè)量的分辨率為 2

15、0 ns。對(duì)于一般的波導(dǎo)絲來(lái)說(shuō)，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(duì)于本傳感器的材料，V =2 800 m/s，故對(duì)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(jì)數(shù)值無(wú)量綱，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率單位為s，零點(diǎn)的單位為m，故位移L為m?；诖胖律炜s效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合以上分析，可構(gòu)造出完整的測(cè)量系統(tǒng)，如下圖：基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)在本次實(shí)驗(yàn)中，在波導(dǎo)絲內(nèi)均勻取幾點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)裝置限制及傳感器固有死區(qū)，所以首先需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定零點(diǎn)位置 L，然后移動(dòng)傳感器上位置磁鐵，進(jìn)行測(cè)量。為了測(cè)試傳感器的分辨率，故將位置磁鐵在同一個(gè)位置固定不動(dòng)，進(jìn)行 4 次測(cè)量，再根據(jù)公式，進(jìn)行計(jì)算，即可得到所測(cè)得的位移值L 及對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔T。數(shù)據(jù)如下：基于磁致伸縮效應(yīng)的位移測(cè)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(diǎn)位置為 177.800 mm，根據(jù)在同一個(gè)固定位置所測(cè)得的4 組數(shù)據(jù)可知，測(cè)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(dá)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(zhǎng)時(shí)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(cè)量的準(zhǔn)確度。下一步的工作主要對(duì)溫度及晶