宋懋征，劉曉敏

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

磁致伸縮位移傳感器是利用磁致伸縮原理研發(fā)出的高精度位移傳感器，在使用中采用非接觸的測(cè)量方法.在日常實(shí)際生產(chǎn)中具有使用壽命長(zhǎng)，環(huán)境適應(yīng)能力性強(qiáng)的特點(diǎn)；在測(cè)量精度方面具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性和高重復(fù)性的技術(shù)特點(diǎn).該位移傳感器安裝簡(jiǎn)單且方便，廣泛運(yùn)用于高溫高壓、易燃易爆的場(chǎng)所，并在冶金工業(yè)、港口設(shè)備、建筑行業(yè)和水利等高要求的工業(yè)場(chǎng)合，是高精度位移控制的首選[1-3].

隨著電子科技的發(fā)展，位移傳感器在石油、化工、機(jī)械、水利等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用.近年來(lái)有較多的學(xué)者對(duì)位移傳感器理論、數(shù)學(xué)模型及實(shí)驗(yàn)等方面做了諸多的講究工作[4-5].河北工業(yè)大學(xué)張露予等人采用在不同螺旋磁場(chǎng)作用下探究磁致伸縮位移傳感器螺旋磁場(chǎng)與輸出電壓的關(guān)系[6].國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院提出了通過(guò)改進(jìn)位移傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高位移傳感器的測(cè)量精度，在硬件電路設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法上進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了高壓充電、時(shí)間測(cè)量及濾波的功能[7].

河北工業(yè)大學(xué)結(jié)合磁致伸縮位移傳感器的原理，從雙磁環(huán)產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)與雙磁環(huán)間距的關(guān)系出發(fā)，對(duì)傳感器在測(cè)量誤區(qū)內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行了綜合分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)踐檢測(cè)[8].上海理工大學(xué)李慶山基于FPGA器件設(shè)計(jì)了數(shù)字移相脈沖計(jì)數(shù)方式對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量，建立了數(shù)字相移時(shí)間的數(shù)學(xué)模型[9].

1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 磁致伸縮線性位移傳感器結(jié)構(gòu)

磁致伸縮線性位移傳感器的外形結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示，該傳感器主要由頭部傳感器、硬件電路系統(tǒng)、探測(cè)桿、閉口活動(dòng)磁環(huán)等組成，其中硬件電路系統(tǒng)和檢測(cè)線圈位于傳感器頭部.

圖1 磁致伸縮位移傳感器外形及外形結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 磁致伸縮線性位移傳感器工作原理

雙磁致伸縮位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要由驅(qū)動(dòng)電路、波導(dǎo)絲、閉口磁環(huán)、檢測(cè)裝置和阻尼裝置等裝置組成.

圖2 雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

磁致伸縮位移傳感器，是利用磁致伸縮原理并通過(guò)測(cè)桿產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)與閉口磁環(huán)產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)的變化來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量位置量的.由于磁致伸縮的原理，隨后波導(dǎo)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的應(yīng)變機(jī)械脈沖信號(hào)，通過(guò)傳感器頭部的芯片計(jì)算，將脈沖產(chǎn)生的方波轉(zhuǎn)換為電壓、電流以及ModBus/SSI等多種輸出方式.

當(dāng)位移傳感器正式工作時(shí)，脈沖驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)，隨電路進(jìn)入檢測(cè)線圈、閉口磁環(huán)處，脈沖電流瞬間產(chǎn)生周向磁場(chǎng)與閉口磁環(huán)產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)相疊加，形成了螺旋磁場(chǎng).根據(jù)魏德曼效應(yīng)，兩磁場(chǎng)疊加處會(huì)使波導(dǎo)絲產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變，兩個(gè)閉口磁環(huán)同時(shí)工作形成兩個(gè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波并以速度v分別向磁環(huán)兩端傳播，當(dāng)檢測(cè)線圈檢測(cè)到扭轉(zhuǎn)波信號(hào)，線圈兩端會(huì)產(chǎn)生電壓信號(hào)，通過(guò)收集兩閉口磁環(huán)傳輸間的t1、t2，脈沖發(fā)出時(shí)間與兩個(gè)扭轉(zhuǎn)波被檢測(cè)到的時(shí)間之間的時(shí)間差，環(huán)形永磁體與檢測(cè)線圏之間的距離為S，波的傳播具有相對(duì)獨(dú)立性，上述產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波產(chǎn)生后會(huì)在傳播中相遇，但是不會(huì)相互影響，檢測(cè)線圈可以檢測(cè)到獨(dú)立電壓信號(hào)，完成檢測(cè)任務(wù).而測(cè)桿兩端的阻尼裝置，可以有效地減少反射波的干擾.實(shí)驗(yàn)原理圖見(jiàn)圖3.

圖3 實(shí)驗(yàn)原理

雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓與線圈匝數(shù)、磁環(huán)間距、偏置磁場(chǎng)、激勵(lì)磁場(chǎng)等因素有關(guān).但當(dāng)確認(rèn)了磁致伸縮傳感器與磁環(huán)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，輸出的電壓主要與兩磁環(huán)的間距有關(guān).并通過(guò)在磁致伸縮位移傳感器的測(cè)桿上移動(dòng)兩閉口磁環(huán)，并對(duì)比經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡反饋出的輸出電壓，來(lái)研究磁致伸縮位移傳感器兩磁環(huán)的位移量與輸出電壓的特性關(guān)系.探究位移量S與電壓差值ΔV之間的關(guān)系.

兩磁環(huán)之間的電壓差值為：

ΔV=e2-e1.

(1)

2 標(biāo)定方法

為驗(yàn)證磁致伸縮線性位移傳感器SDMSA位置量與電壓信號(hào)的特性關(guān)系，利用不同位移量對(duì)應(yīng)不同電壓值的特性.室溫條件下，在磁致伸縮位移傳感器的測(cè)桿上固定某一個(gè)磁環(huán)，實(shí)驗(yàn)中閉口磁環(huán)要與測(cè)桿無(wú)接觸，需用到磁環(huán)固定環(huán)來(lái)固定閉口磁環(huán)，見(jiàn)圖4中(a)所示.均勻移動(dòng)另一個(gè)磁環(huán)，由于兩磁環(huán)不同磁場(chǎng)對(duì)波導(dǎo)管產(chǎn)生的圓周磁場(chǎng)的影響，波導(dǎo)管產(chǎn)生兩個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制模塊輸出兩磁環(huán)對(duì)應(yīng)的電壓值，經(jīng)過(guò)計(jì)算兩磁環(huán)之間對(duì)應(yīng)的電壓值.進(jìn)而得出SDMSA位移傳感器位置量與電壓信號(hào)的特性關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖4(c)所示，將直徑為12 mm，有效長(zhǎng)度為1 000 mm的磁致伸縮測(cè)桿用測(cè)桿支架固定在60×60的非導(dǎo)磁鋁制工作臺(tái)，將閉口磁環(huán)套在該位移傳感器的測(cè)桿上，并在位移傳感器首、末端測(cè)桿死區(qū)用測(cè)桿支架固定.實(shí)驗(yàn)中使用的電壓為直流穩(wěn)壓電源，為后續(xù)信號(hào)的調(diào)理電路提供穩(wěn)定的工作電壓.

實(shí)驗(yàn)方法模型如圖4(b)所示,固定右端磁環(huán)，活動(dòng)左端磁環(huán).分別測(cè)兩磁塊等間距30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、90 mm、100 mm、150 mm對(duì)應(yīng)的電壓值，通過(guò)USB5935數(shù)據(jù)采集器反饋到電腦端.

(a)閉口磁環(huán)安裝

(b)30 mm模型演示

(c)磁致伸縮位移傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖4 磁致伸縮位移傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)方法演示模型

本實(shí)驗(yàn)用到的實(shí)驗(yàn)器材有SDSMA位移傳感器、閉口磁環(huán)、USB數(shù)據(jù)采集卡、電腦、無(wú)磁性鋁制工作臺(tái)、測(cè)桿支架、色環(huán)電阻、導(dǎo)線等.實(shí)驗(yàn)器材具體參數(shù)見(jiàn)表1、表2.

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)

表2 SDSMA位移傳感器基本參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在室溫條件下，傳感器正常工作，兩磁環(huán)移動(dòng)相同位移量并采集記錄數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)由USB5935數(shù)據(jù)采集卡讀取輸出電壓,為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，在顯示輸出感應(yīng)電壓中采集3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并取得電壓平均值.得出不同位移量的條件下傳感器的輸出感應(yīng)電壓峰值V的關(guān)系，如圖5(c)所示.

如圖5(b)可見(jiàn)，在100～10 000 mm之間位移量X與輸出電壓峰值V呈很好的線性關(guān)系，得到位移量與輸出電壓標(biāo)定方程S為：

S=kΔV±A(Δv≥1000mV)，

(2)

其中：k=0.1，S為位移量，Δv為兩磁環(huán)間電壓值差值，A為常數(shù)誤差.

但在0～100 mm之間曲線的關(guān)系，如圖5(a)，受兩磁環(huán)自身軸向偏置磁場(chǎng)的相互影響與外部條件的影響，曲線沒(méi)有明顯規(guī)律，結(jié)果誤差較大.

Δ位移/mm(a)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)0～100 mm

Δ位移/mm(b)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)100～1 000 mm

Δ位移/mm(c)總體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)0～1 000 mm及標(biāo)定曲線S圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 誤差分析

對(duì)(2)中的誤差A(yù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在(2)式中，100 mm≤S≤10 000 mm，在圖6中，可見(jiàn)誤差值基本穩(wěn)定在一數(shù)值之間.但在0～100 mm之間誤差較大，沒(méi)有任何規(guī)律.現(xiàn)對(duì)100～1 000 mm之間對(duì)誤差進(jìn)行分析，從(b)圖可以看出，誤差值維持在0%～0.9%之間.

位移量與輸出電壓標(biāo)定方程S為：

(3)

Δ位移/mm(a)位移傳感器0～1 000 mm總體誤差

Δ位移/mm(b)位移傳感器100～1 000 mm部分誤差圖6 雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器誤差分析

其中：S為位移量，Δv為兩磁環(huán)間電壓值差值，A=(0%～0.9%)ΔV.

從圖7可以看出，在兩閉口磁環(huán)間距較大時(shí)，兩磁環(huán)間偏置磁場(chǎng)影響較小甚至不相互影響，位移量與輸出電壓呈線性關(guān)系，當(dāng)磁環(huán)間間隙過(guò)小，兩磁環(huán)的偏置磁場(chǎng)相互影響，導(dǎo)致輸出電壓的不準(zhǔn)確性和不穩(wěn)定性，位移量與輸出電壓沒(méi)有確定關(guān)系.

Δ位移/mm圖7 磁致伸縮位移傳感器兩磁環(huán)測(cè)量誤區(qū)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，偏置磁場(chǎng)的變化嚴(yán)重影響輸出電壓的變化.雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器測(cè)桿上兩個(gè)磁環(huán)，在0～100 mm之間，主要的原因是磁環(huán)剩磁的存在，兩磁環(huán)在一定距離內(nèi)，磁環(huán)的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度與另一個(gè)磁環(huán)的中心磁場(chǎng)強(qiáng)度疊加形成的新的偏置磁場(chǎng)，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的不穩(wěn)定變化，從而使傳感器失效，形成測(cè)量盲區(qū).

在100～1 000 mm之間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可能受線圈溫度、環(huán)境溫度、測(cè)量誤差等因素，導(dǎo)致數(shù)據(jù)有所偏差.

現(xiàn)對(duì)誤差進(jìn)行綜合分析，當(dāng)兩磁環(huán)間距小于25 mm時(shí)，兩磁環(huán)相互排斥且磁致伸縮位移傳感器檢測(cè)不到磁環(huán)位置，位移傳感器檢測(cè)失效.所以現(xiàn)針對(duì)位移傳感器的測(cè)量誤區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)量結(jié)果如圖7所示.

從圖7中曲線的趨勢(shì)可以看出，當(dāng)兩磁環(huán)間距≥100 mm時(shí)，兩閉口磁環(huán)位移量與傳感器的輸出電壓呈很好的線性關(guān)系，但在0-1 000 mm之間，兩磁環(huán)的偏置磁場(chǎng)相互影響，兩磁環(huán)相互排斥，曲線呈不規(guī)律曲線.所以在使用該型號(hào)的磁致伸縮位移傳感器時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)0～1 000 mm的測(cè)量誤區(qū)，避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不真實(shí)和不可靠性.

綜上數(shù)據(jù)分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推出傳感器位移量與輸出電壓標(biāo)定方程S能很好地滿足實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)誤差的計(jì)算與分析，得出較為準(zhǔn)確地誤差值.試驗(yàn)結(jié)果表明，在測(cè)量誤區(qū)外，傳感器位移量與輸出電壓的線性關(guān)系較好.

4 結(jié) 論

本文中建立了磁致伸縮位移傳感器雙磁環(huán)間距與輸出電壓的關(guān)系特性模型，控制其線圈匝數(shù)、偏置磁場(chǎng)、激勵(lì)磁場(chǎng)相同的條件下，改變兩磁環(huán)的間距，得到位移量與輸出電壓的擬合曲線，推出的標(biāo)定方程可以準(zhǔn)確的描述該傳感器在不同位移下的輸出電壓關(guān)系特性；其后又進(jìn)一步對(duì)雙磁環(huán)的測(cè)量誤區(qū)進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集，結(jié)果表明，在0～100 mm之間，雙磁環(huán)由于自身產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)相互影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響較大，而在100～1 000 mm之間，位移量與輸出電壓呈線性相關(guān).本文采用的實(shí)驗(yàn)方法與采集的數(shù)據(jù)，為以后磁致伸縮位移傳感器的使用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn).