磁致伸缩位移传感器

1、 1.概述2.设计建模3.分析验证1.磁致伸缩原理等基本概念 2.系统设计原理阐述及仪器模型基本公式推导 3.仪器模型验证及数据分析基于磁致伸缩效应的位移测量系统位移 位移是指物体位置对参考点产生的偏移量，是指物体相对于某参考坐标系一点的距离的变化量，它是描述物体空间位置变化的物理量。位移传感器又称为线性传感器，是将位移转换成电量的传感器。 基于磁致伸缩效应的位移测量系统概述 磁致伸缩位移传感器是利用磁致扭转波作为传播媒质的磁致伸缩式传感器。该传感器具有非接触测量、精度高、重复性好、稳定可靠、环境适应性强等特点，一般应用于液体的测量，经过特殊封装后也可用于其他测量场合。基于磁致伸缩效应的位移测

2、量系统所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。其中线磁致伸缩效应是焦耳在1842年发现的，其逆效应是压磁效应。基于磁致伸缩效应的位移测量系统基本原理 基于磁致伸缩效应的位移测量系统的基本原理就是利用传感器探头把位移转换成与之成比例的时间间隔的两个脉冲，利用整形电路把两个脉冲变成一个矩形脉冲，其宽度就是两脉冲的时间间隔，根据时间间隔计算出位移。 该位移测量系统根

3、据输入的位移量，引起时间间隔的变化，从而输出相应的电压波形，从而计算得到位移量。 基于磁致伸缩效应的位移测量系统优势 该测量系统主要用来测量微小位移，普通的位移传感器往往由于测量范围小，在恶劣环境下 ( 振动 、油污、压力等 ) 的工作能力差，安装困难等原因而达不到要求。 由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就

4、算不断重复检测，也不会对传感器造成磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。 基于磁致伸缩效应的位移测量系统原理示意图：基于磁致伸缩效应的位移测量系统 激励脉冲发生电路产生激励脉冲 S 1 ，经过放大电路放大之后施加给波导丝，产生一 个围绕波导丝的旋转磁场。位置磁铁也产生一个固定的磁场，在这 2 个磁场的共同作用下，会产生一个螺旋状磁场。该波沿着波导丝以固定速度向两边传播，当它传到一端的阻尼器，该波被减弱吸收;当它传到波导丝一端的感应线圈，产生微弱的回波信号，传感器信号处理电路对回波信号进行处理产生感应脉冲 S 2 。由于发射的激励脉冲电流以光速传播，其传播时间可以忽略，所以通过时间测量电路

5、测得激励脉冲 S 1 和接收到感应脉冲 S 2 的时间间隔，便可精确地计算出位置磁铁的位置，即可实现绝对位移L 的测量。基于磁致伸缩效应的位移测量系统激励电流脉冲S1 首先我们要在波导丝内通激励电流脉冲，该电流会激发周向磁场，同时在该电流脉冲发生的同时，启动计时器计数。经过反复试验，当采用下列相关参数时，在磁致伸缩中加载瞬时驱动脉冲电流，当在长度为3.95m的磁致伸缩线中加载瞬时驱动脉冲电流=0.54A时，其接收到的弹性波电压为约为12V，弹性波形比较明显。基于磁致伸缩效应的位移测量系统 表1 实验装置参数基于磁致伸缩效应的位移测量系统 该系统的导线回路都被封装在波导丝内，如下图红框所示。基于

6、磁致伸缩效应的位移测量系统如果两个导线并排放置，两个导线之间有间隙，如下图在两根导线的中间位置磁场最强，该磁场会和位置磁铁产生的磁场作用，形成扭转波。基于磁致伸缩效应的位移测量系统魏德曼效应 导磁材料在外加磁场作用下发生变形的效应称为磁致伸缩效应，而当磁致伸缩效应是圆周上的扭转时，则称为周向磁致伸缩效应,又称魏德曼效应。 基于磁致伸缩效应的位移测量系统 永久磁铁的恒定磁场和驱动脉冲电流产生的周向磁场叠加后形成瞬间扭转磁场,如图所示。磁畴在瞬间扭转磁场的作用下,由于材料的磁致伸缩效应,磁致伸缩线中的质点发生偏离平衡位置的振动,从而在线中产生弹性波,并向线的两端传播。 基于磁致伸缩效应的位移测量系

7、统根据测量的原理可知，我们是通过两个磁场产生的扭转波来测量位移，所以如果我们知道扭转波的速度和传播时间，就可以扭转波传播的路程，从而得到被测物的位移。 首先我们分析扭转波的速度。在波导丝上取如图所示为长度为 dx 的等截面波导丝单元， 为扭转角，T 为扭矩，I 为极惯性矩， 为材料密度，G 为材料剪切模量。假设波导丝变形时横截面始终保持为平面，通过假设，各个运动参量都可以简化为 x 和时间 t 的函数。扭矩与扭转角的关系为：基于磁致伸缩效应的位移测量系统扭矩与扭转角的关系为：由动量矩定理可得扭矩与扭转角的关系为 即波导丝中扭转波传播的波动方程为： 基于磁致伸缩效应的位移测量系统 由方程可得扭转

8、波传播速度为 ： 由此说明一定的温度范围内，扭转波的传播速度是恒定的，对于某种特定的材料，可由查阅相关手册得到其扭转波的传播速度。本系统采用的波导丝材料为具有磁致伸缩特性的铁镍合金，速度V=2800 。 故仪器的数学模型为 是被测物位移，T是脉冲时间间隔，G是剪切模量， 是材料密度， 是零点位置 。 0LLsm/基于磁致伸缩效应的位移测量系统 要达到测量位移的目的，必须将扭转波有效地接收下来。这里采用的方法是，将波导表面的扭转应变转换成纵向应变，再通过压磁效应把纵向应变转化为磁场，通过线圈转换成电压信号 。基于磁致伸缩效应的位移测量系统 在线的一端设有检测线圈,当弹性波到达检测线圈时,由于机械

9、应力的改变导致线中的磁畴发生变化,因此磁通密度也随之变化。根据法拉第电磁感应定律,在检测线圈两端便产生感应电动势。其大小为：基于磁致伸缩效应的位移测量系统 在得到扭转波的速度后，我们需要确定扭转波的传播时间。根据磁致伸缩位移传感器的工作原理分析可知，传感器是通过测量激励脉冲 S 1 与感应脉冲 S 2 的时间间隔来确定位移的。所以，时间间隔的检测是实现传感器高精度测量的关键所在。时间间隔的数字检测方法有多种，其中直接计数法是将模拟信号输出转换为数字信号输出，通过对数字信号进行计数测量来实现高精度时间测量。在此采用直接计数法。基于磁致伸缩效应的位移测量系统时间间隔测量即测量激励脉冲 S 1 的产

10、生到感应脉冲 S 2 的接收之间的时间间隔 T，采用同步时钟脉冲对时间间隔 T 进行计数测量。常用的方法如直接在产生激励脉冲 S 1 的同时触发计数器开始对同步时钟脉冲计数，接收的感应脉冲 S 2 对计数器复位，停止计数 。但该方法不易实现，因为接收到的感应脉冲 S中有回波信号，对计数器复位有干扰。故本文采用通过RS触发器将激励脉冲 S 1 与感应脉冲 S 2 之间的时间间隔 T 转化为 PWM 信号S 4 的宽度来测量。同时，为了消除感应脉冲 S 2 中激励脉冲 S 1 的干扰，引入了延时脉冲 S3 。最终将 S 4 作为闸门信号控制对同步时钟脉冲进行计数，即可精确测量出时间间隔 T。基于磁

11、致伸缩效应的位移测量系统 S3接R，S2接S基于磁致伸缩效应的位移测量系统 本系统采用CPLD实现时间间隔测量。 CPLD是指复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。整个时间间隔获取电路均在 CPLD 内部实现，有利于减少干扰，提高测量精度。CPLD 具有集成度高、工作速度快、编程方便、价格低廉等优点。芯片本身具

12、有较强的抗干扰能力，内部可实现硬件滤波算法和传感器功能电路集成。此外与 FPGA 相比，CPLD 内部连线相对固定，延时小且可预测，更利于器件在高频下工作 ，从而提高系统的测量分辨率。基于磁致伸缩效应的位移测量系统 基于磁致伸缩效应的位移测量系统 回波问题 在时间间隔测量中，磁致伸缩位移传感器中的磁致扭转波沿着波导丝向两边传播，一端被阻尼器所吸收，另一端被感应线圈吸收产生回波信号，经放大滤波电路处理后产生感应脉冲 S 2 。若阻尼器未能全部吸收磁致扭转波，则未被吸收磁致扭转波传至感应线圈而产生二次回波信号。随着位置磁铁的移动，距离越来越大，二次回波会越来越弱，被滤波电路消除。但在小范围测位移时

13、，二次回波经过放大电路放大后，其电压幅值接近一次回波的电压幅值，滤波电路消除不了，则影响感应脉冲 S 2，对测量产生干扰。基于磁致伸缩效应的位移测量系统 本系统设计的感应脉冲信号处理电路能有效消除二次回波。由于时间测量只跟激励脉冲与一次回波有关系，故通过在 CPLD 内部编程实现，在一个测量周期里，只捕捉 S 5 的前 2 个高电平脉冲，将检测到的第 2 个脉冲的高电平延时一定时间达到消除二次回波的目的，从而保证测量结果的准确性。基于磁致伸缩效应的位移测量系统 减小计数误差： 在基于 CPLD 的时间间隔测量过程中，采用 CPLD 的基准时钟50 MHz 晶振。要想消除晶振带来的随机误差，获得

14、较准确的计数数值，提高系统的可靠性，则需对计数数据进行处理，该系统选择平滑度高，适用于高频振荡的滑动平均滤波法。其数学公式为： 为第 n 次采样经滤波后的结果，N为滤波滑动平均的点数， 为未经过滤波的第(n i) 次采样值该系统采用 8 级 16 位移位寄存器和 7个加法器和除法器来实现对 16 位计数器进行滑动平均滤波。基于磁致伸缩效应的位移测量系统 16 位计数器对 PWM 信号 S4 计数得到的计数值为 ，对 计 数 值 采 样 n 次， 采 样 值 分 别 为 ，系统的时钟频率为 。故位移L的数学模型为：0/1 f? 在本设计中，时钟频率为 =50 MHz，则时间间隔测量的分辨率为 2

15、0 ns。对于一般的波导丝来说，在一定的温度范围内，G和都是恒定的，根据式(2) 可知，扭转波的传播速度 V 是固定的，对于本传感器的材料，V =2 800 m/s，故对应的理论位移分辨率为 56 m。0f5.0)/(pGv 速度 的单位为m/s, 计数值无量纲，系统时钟频率单位为s，零点的单位为m，故位移L为m。基于磁致伸缩效应的位移测量系统结合以上分析，可构造出完整的测量系统，如下图：基于磁致伸缩效应的位移测量系统在本次实验中，在波导丝内均匀取几点进行实验测量。实验装置限制及传感器固有死区，所以首先需要根据实验测定零点位置 L，然后移动传感器上位置磁铁，进行测量。为了测试传感器的分辨率，故将位置磁铁在同一个位置固定不动，进行 4 次测量，再根据公式，进行计算，即可得到所测得的位移值L 及对应的时间间隔T。数据如下：基于磁致伸缩效应的位移测量系统由以上数据可知： 磁致伸缩位移传感器的零点位置为 177.800 mm，根据在同一个固定位置所测得的4 组数据可知，测量结果的有效数字显示位数为0.001 mm，位移分辨率达到0.01 mm，量程为1000mm。 由于磁致伸缩位移传感器通常安装在户外较恶劣的环境下，温度变化比较大，且长时间使用晶振容易发生老化。系统晶振的温漂及老化直接影响测量的准确度。下一步的工作主要对温度及晶