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磁致伸縮位移傳感器的研究與應用

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-03-11 09:29

  

       磁致伸縮位移傳感器(Magnetostrictive Displacement Sensor)利用磁致扭轉波作為傳播媒質的磁致伸縮式傳感器。該傳感器具有其它位移傳感器所不能達到的測量大位移、高精度的特點,已應用千美國、歐洲的石油、化工、紡織、輕工、冶金、電力、醫藥、食品、國防等部門,特別是由于磁鐵不和傳感器直接接觸,因此傳感器在惡劣的工業環境如易燃、易爆、易揮發、有腐蝕的場合的汽車制造、化工、冶金礦山、體育,醫療機械中的定位和位置測量,液位監控等尤其合適。此外,傳感器更能承受高溫、高壓和高振蕩的環境。傳感器輸出信號為絕對數值,所以即使電源中斷重接也不會對數據接收構成問題,更無須重新調整零位。最后,由于傳感組件都是非接觸的,所以即使感測過程是不斷重復的,也不會對傳感器造成任何磨損。如美國MTS公司的Temposonics磁致伸縮線位移傳感器它重復精度及分辯率均達到0.002mm,而國內只有幾所大學的研究所正在進行研究,很多研究所僅處于引進國外的產品的應用研究階段。本文參考國外的先進經驗設計研制一套達到一定精度要求的位移傳感測量裝置。
2、磁致伸縮工作原理
        磁致伸縮傳感器基于磁致伸縮和逆磁致伸縮效應。磁致伸縮是指磁化使鐵磁材料產生機械應變的效用。反過來,鐵磁材料受到機械應力之后,其磁化狀態也會發生改變,稱之為逆磁致伸縮效應。一些金屬(如鐵或銖)在磁場作用下具有伸縮能力,磁致伸縮的效果是非常細微的。一般的錦鐵合金是 30ppm ,但科學界已研制出更新的物質,它的磁致伸縮效應提升至1500ppm以上。磁致伸縮是利用兩個不同磁場相交產生一個應變脈沖信號 (strain pulse), 然后計算這個信號被探測所需的時間周期,便能換算出準確的位置。這兩個磁場一個來自在傳感器外面的活動磁鐵,另一個則源自傳感器內波導管 (W aveguide)的電流脈沖,而這個電流脈沖其實是由傳感器頭的固有電子部件所產生的。當兩個磁場相交時,所產生的一個應變脈沖(strain pulse)會以固定速度運行回電子部件的感測線圈,基于逆磁致伸縮效應,通過感測線圈轉化為電脈沖。根據Widemarun效應,金屬隨其瞬間變形產生波導扭曲。
       磁鐵被帶動時,新的位置很快就會被感測出來由于輸出信號是絕對位置輸出,所以不存在信號漂移或變值的情況 ,因此尤須如其它位移傳感器一 樣定期重標和維護。
3 磁致伸縮傳感器的結構設計
       磁致旋轉波位移傳感器(Magnetostrictive Position Sensor) 的結構如圖2所示。殼體采用鑄鋁鑄造(耐腐蝕可在表面涂漆)。位置磁鐵通常裝在運動部件A上,而傳感器主體則裝在固定部件 B 上。傳感器工作時,電子信號和處理系統發給磁致波導鋼絲間隔為T 的激勵脈沖電流 i,o該脈沖電流將產生一 個圍繞波導鋼絲的旋轉磁場。位置磁鐵也產生一 個固定的磁場,在這兩個磁場的共同作用下,使波導鋼絲產生磁致彈性伸縮,即形成一 個磁致旋轉波。該旋轉波沿著波導鋼絲以2800m/s的速度向兩邊傳播。當它傳到波導鋼絲一 端的波檢測器時被轉換成電信號止。通過測鼠磁致旋轉波從位置磁鐵傳到波檢測器的時間t, 就能確定位置磁鐵和波檢測器之間的距離。這樣,當部件A和B產生相對運動,通過磁致旋轉波位移傳感器就可以確定部件A的位詈和速度。
       在波導鋼絲的另一端,磁致旋轉波將通過減波元件被大大削弱,以避免反射的波形對測蜇精度造成影響。波反射器是用于改善電信號 U o 的波形和加強電信號的大小。
       磁致旋轉波位移傳感器的測措原理是基千時間測量。該傳感器系統屬于絕對測量系統。是傳感器接通電源后,位置磁鐵的位置可自動確定,斷電對測械精度不造成任保影響。
磁致伸縮位移傳感器
4 磁致伸縮傳感器的電子信號處理系統
       電子信號處理系統在微處理駢系統的控制下,周期脈沖電流發生器向波導鋼絲發送激勵脈沖。由檢測線圈輸出的位詈脈沖信號進行濾波和放大后。將進行零位或峰值檢波,以便進一步確定位置脈沖信號從位置磁鐵傳到檢測線圈的時間。經過進一步的信號處理,便可確定位置磁鐵和檢波器之間的距離,以達到位移測措的目的。
該處理系統具有如下功能:
(1)產生一 個周期激勵脈沖電流,該脈沖輸入波導鋼絲,以便圍繞波導鋼絲形成一個周期脈沖磁場。該脈沖的周期和寬度應通過微處理器編程來調節。為了獲得較強的脈沖磁場,激勵脈沖應具有足夠的能樁,即足夠大的電流。
(2) 模擬信號處理,對從波檢測器(檢測線圈)輸出的位置脈沖信號進行濾波和放大,以便比較處理對放大后的位置脈沖信號進行零位或峰值檢波,以便確定位置脈沖信號從位置磁鐵傳到檢測線圈的時間時間測量和信號處理位置信號輸出。
5 磁致伸縮位移傳感器的性能
(1)磁致伸縮位移傳感器的精度極高。美國MTS公司的Tern-posonics R型傳感器達到2μm分辯率和重復精度,4μm滯后,RF型行程可達9m以上。本設計與德國傳感器研究所合作,設計技術指標與測暈范圍:0-100毫米以及0-6米;模擬量輸出:0-10伏或0-20毫安;數字量輸出:分辯率為5微米、10微米、15微米;非線性誤差:小于土0.05% FS; 工作溫度:-20-80'C。
(2)環境影響小。旋轉波一般很難通過環境干擾和振動而產生,而傳感器的波檢測器被設計成只對旋轉波特別靈敏。所以,磁致旋轉波位移傳感器具有很好的環境抗干擾能力。
(3)非接觸式測扭。傳感器工作時,位置磁鐵以一定的間隙a與傳感器的主體作平行運動。最大間隙可達到30mm。最大間隙波動為土5mm。
(4)可實現溫度補償。通過溫度補償可使傳感器的測掀精度不受環境溫度的影響。
(5)運動速度高。位置磁鐵相對千傳感器的主體的運動速度高最大運動速度可達IOOm/s。(主要適用于大范圍量程)
6 結束語
       本文分析了磁致伸縮位移傳感器的原理、信號處理系統,該傳感器可以實現高精度測量,精度主要取決于傳感器制造工藝及電子信號的處理系統。我們與國外傳感器公司及研究機構合作開發硬件及電子信號處理系統,降低了生產成本,將以性價比合理的產品投放到國際、國內市場。


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