工業(yè)生產(chǎn)對位移測量提出了越來越高的要求。磁致伸縮位移傳感器在大量程、高精度、多參數(shù)測量方面 ,以其穩(wěn)定而優(yōu)異的性能正逐漸取代傳統(tǒng)的浮子式、電阻式、電容式和超聲波等位移傳感器。隨著該技術(shù)的不斷完善 ,磁致伸縮位移傳感器在自動化控制領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
在磁致伸縮式位移傳感器中 ,驅(qū)動脈沖和檢測線圈的設(shè)計直接影響整個系統(tǒng)的精度。其中 ,優(yōu)化驅(qū)動脈沖電流可增大線圈輸出信號 ,提高線圈的信噪比 ;優(yōu)化檢測線圈可以提高線圈的磁電轉(zhuǎn)換率和靈敏度 ,從而增大前端信號輸出 ,方便后續(xù)調(diào)理電路對信號進(jìn)行處理。本文主要介紹以上兩個因素對線圈輸出信號的影響 ,通過理論分析和試驗驗證 ,確定參數(shù) ,提高輸出感應(yīng)信號的信噪比。
1 磁致伸縮式位移傳感器原理
磁致伸縮式位移傳感器的主要結(jié)構(gòu)包括傳感器頭部、波導(dǎo)絲 (磁致伸縮絲材 ) 、探測桿、活動磁鐵和阻尼 ,其中傳感器頭部主要包括電路部分和檢測線圈。當(dāng)進(jìn)行位置測量時 ,電子腔產(chǎn)生驅(qū)動脈沖并沿波導(dǎo)絲傳播 ,同時產(chǎn)生環(huán)形磁場 ,當(dāng)該磁場傳播到活動磁鐵位置時 ,與磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場相疊加 ,合成為一個螺旋磁場。由于磁致伸縮效應(yīng) ,波導(dǎo)絲發(fā)生瞬間形變產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波 ,該波以超聲波速度向兩端傳播。當(dāng)傳感器頭部的檢測線圈感應(yīng)到扭轉(zhuǎn)波信號時 ,該時刻與產(chǎn)生驅(qū)動脈沖時刻的時間間隔乘以扭轉(zhuǎn)波波速即為活動磁鐵的當(dāng)前位置。傳感器尾部裝有吸收多余扭轉(zhuǎn)波的阻尼 ,可避免由于波的反射干擾信號檢測。
對于已選定的波導(dǎo)絲 ,在活動磁鐵磁場強(qiáng)度和間距 d固定的前提下 ,輸出感應(yīng)電壓主要取決于感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)和脈沖電流的特性參數(shù)。在磁致伸縮傳感器的實驗平臺中 ,驅(qū)動脈沖由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生 ,經(jīng)電流放大后加載到波導(dǎo)絲上。檢測線圈的輸出信號經(jīng)調(diào)理電路放大后 ,通過數(shù)據(jù)采集卡直接導(dǎo)入 PC中進(jìn)行處理。
2 檢測線圈分析和設(shè)計
目前 ,檢測扭轉(zhuǎn)波的方式主要有壓電陶瓷換能器、扭轉(zhuǎn)片和線圈 3種。本文采用了具有非接觸測量、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的線圈檢測方式。線圈可檢測到脈沖和扭轉(zhuǎn)波兩種感應(yīng)電壓。脈沖感應(yīng)波形是由驅(qū)動脈沖引起的環(huán)向磁場使波導(dǎo)絲發(fā)生磁化而產(chǎn)生的 ,扭轉(zhuǎn)波感應(yīng)波形是由波導(dǎo)絲的磁致伸縮逆效應(yīng)引起的交變磁場而產(chǎn)生的。這兩種波形共同組成前端感應(yīng)信號 ,送入后續(xù)電路中進(jìn)行放大比較處理 。
應(yīng)綜合考慮線圈的匝數(shù)、截面積及其他參數(shù)對這兩種感應(yīng)波形的影響。
2. 1 線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)
線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括線圈和骨架的材料、線圈線徑、繞組長度以及線圈截面積。繞制線圈的材料要求有較好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性 ,機(jī)械性能較高 ,易于繞制 ,一般選擇銅線作為線圈材料。繞制線圈的骨架需要采用穩(wěn)定性好、線膨脹系數(shù)小的非鐵磁性材料 ,并要求有足夠的耐熱、抗潮性質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度 ,故選用聚碳樹脂作為骨架材料。要提高線圈的靈敏度和品質(zhì)因數(shù) ,需要增加線圈的電感 ,減少電阻 ,所以選擇線徑較粗的銅絲 ,但增大L和減小 R 會使 ξ和 ωn變小 ,使振蕩持續(xù)時間增加。
綜合考慮后選擇線徑為 0. 08 mm的漆包線繞制線圈。當(dāng)扭轉(zhuǎn)波傳播到線圈處時 ,該處波導(dǎo)絲中的磁疇發(fā)生偏轉(zhuǎn) ,引起軸向磁通量的變化 ,由線圈感應(yīng)到的線圈感應(yīng)扭轉(zhuǎn)波的起止時間間隔即為扭轉(zhuǎn)波穿過線圈所需的時間 ,將此段時間間隔乘以波速即得到繞組長度。當(dāng)繞組長度為扭轉(zhuǎn)波半波長的整數(shù)倍時 ,線圈恰能感應(yīng)出的電勢差 ,而考慮到線圈結(jié)構(gòu)尺寸的限制和繞制線圈的方便性 ,選定線圈的長度為 2 cm。
已知線圈截面積為 S,波導(dǎo)絲截面積為 Sr ,線圈內(nèi)的氣隙空間與磁滯損耗成正比 ,與線圈的靈敏度成反比。設(shè)γ= S /Sr 為線圈的填充系數(shù) ,當(dāng) γ≥1 /4時 ,線圈的磁滯損耗較小 ,靈敏度較大?，F(xiàn)確定波導(dǎo)絲的截面積為π/4 mm2 ,考慮到骨架的厚度 ,選擇線圈的截面積為πmm2。
2.2 線圈匝數(shù)的確定
由電磁感應(yīng)理論可知 ,線圈的匝數(shù)與扭轉(zhuǎn)波感應(yīng)電壓的輸出成正比 ,增加感應(yīng)線圈匝數(shù)可提高靈敏度。但匝數(shù)的增加也會帶來不利的影響 : ①輸出噪聲同步增長 ,從而降低信噪比 ; ②線圈的 L、R、C也同步增加 ,使ωn減小 ,ξ變大 ,線圈響應(yīng)脈沖后的振蕩持續(xù)時間延長 ,脈沖感應(yīng)波形振蕩次數(shù)增多 ,動態(tài)響應(yīng)變差。分別取線圈匝數(shù) N 為 100、300、400和 500,經(jīng)過相同的調(diào)理電路放大 1 000倍 ,記錄不同線圈匝數(shù)對應(yīng)的感應(yīng)波形和扭轉(zhuǎn)波形 。
由于后續(xù)調(diào)理電路的放大倍數(shù)為 1 000倍 ,所以圖 2中的部分信號已經(jīng)飽和 ,但仍能看出線圈匝數(shù)分別與扭轉(zhuǎn)波感應(yīng)電壓幅值和脈沖感應(yīng)信號振蕩持續(xù)時間成正比。因此 ,增加匝數(shù)雖能提高線圈靈敏度 ,但也會延長振蕩持續(xù)時間。由于振蕩時長直接影響到傳感器有效行程起點(diǎn)的設(shè)置 ,振蕩時間越長 ,起點(diǎn)設(shè)置就越靠后 ,有效量程也越小 ,所以通過對線圈靈敏度和振蕩時長的權(quán)衡 ,選擇線圈匝數(shù)為 300匝的線圈。
3 驅(qū)動脈沖分析和設(shè)計
本文中選用的波導(dǎo)絲材料是鎳鐵合金絲 Fe60 N i40 ,其一階扭轉(zhuǎn)波波速為 2 850 m / s,頻率為 72 kHz,波長λu = 4 cm,飽和磁致伸縮系數(shù) λs = 25 ×10 - 6。驅(qū)動脈沖參數(shù)的設(shè)計應(yīng)與波導(dǎo)絲的磁彈特性相匹配 ,以獲得的信噪比。在此考慮的脈沖參數(shù)有頻率、脈寬及幅值。
對周期性窄脈沖電流進(jìn)行傅里葉頻譜分析可知 ,窄脈沖電流含有豐富的諧波信號 ,因此利用它來提高扭轉(zhuǎn)波前度。當(dāng)量程為 1 m時 ,考慮到系統(tǒng)響應(yīng)時間一般小于 2 m s,脈沖頻率范圍應(yīng)為0. 5～2. 8 kHz。本文設(shè)定的脈沖頻率為 1. 5 kHz。
3. 1 脈寬對感應(yīng)信號的影響
窄脈沖作為驅(qū)動波形可在其上升沿和下降沿處分別激發(fā)一次扭轉(zhuǎn)波 ,且兩次波形的相位剛好相反。由圖 3所示的脈寬與扭轉(zhuǎn)波感應(yīng)電壓峰值關(guān)系可知 ,當(dāng)脈寬 tu < 5μs時 ,扭轉(zhuǎn)波感應(yīng)電壓峰峰值與脈寬呈比例上升 ;當(dāng) tu = 7μs時 ,兩次波形的正半周期波形正好疊加在一起 ,合成出感應(yīng)峰值的扭轉(zhuǎn)波 ,與tu =λ/ (2v)理論值相符;當(dāng) tu > 14μs時 ,扭轉(zhuǎn)波感應(yīng)電壓的幅值趨于穩(wěn)定。
3. 2 脈沖幅值與感應(yīng)電壓關(guān)系
隨著脈沖幅值的增加 ,扭轉(zhuǎn)波感應(yīng)電壓幅值增加逐漸減緩 ,當(dāng)脈沖幅值超過 30 V時 ,感應(yīng)電壓趨于飽和 ,這與理論分析相符?？紤]到傳感器工業(yè)供電標(biāo)準(zhǔn)化 ,確定脈沖電流幅值為 24 V。
4 試驗與結(jié)果分析
將優(yōu)化后的驅(qū)動脈沖和檢測線圈在磁致伸縮式位移傳感器上測試 ,其中波導(dǎo)絲直徑 0. 5 mm,長 1 m。當(dāng)脈沖電壓幅值為 24 V、脈沖頻率為 1. 5 kHz、線圈長度為 2 cm時 ,不同脈寬和匝數(shù)組合的感應(yīng)電壓曲線。組合 2雖然匝數(shù)與組合 1相同 ,但受脈寬的影響 ,兩次扭轉(zhuǎn)波的正半周期沒有線性疊加 ,扭轉(zhuǎn)波幅值偏小 ;組合 3雖然脈寬與組合 1相同 ,且扭轉(zhuǎn)波幅值比組合 1的還大 ,但受匝數(shù)的影響 ,脈沖感應(yīng)波與扭轉(zhuǎn)波的響應(yīng)時間和振蕩次數(shù)都大幅增加 ,使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變差 ,也減小了傳感器的有效量程 ;而組合 1在感應(yīng)脈沖波時響應(yīng)時間快、振蕩次數(shù)少 ,在感應(yīng)扭轉(zhuǎn)波時幅值也較大 ,能明顯提高前端感應(yīng)信號的質(zhì)量。
5 結(jié)束語
本文通過理論分析 ,重點(diǎn)討論了磁致伸縮式位移傳感器脈沖電流的脈寬、幅值以及線圈的繞組長度、匝數(shù)等對感應(yīng)輸出信號的影響 ,并通過試驗對檢測線圈和驅(qū)動脈沖的參數(shù)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計 ,減小了由于振蕩、強(qiáng)度等對感應(yīng)信號的影響。最后通過對比試驗證實了優(yōu)化設(shè)計的效果 ,為進(jìn)一步提高傳感器系統(tǒng)的檢測精度和靈敏度提供了理論和試驗依據(jù)。
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