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          Fe83 Ga17 磁致伸縮位移傳感器激勵信號的 ANSYS 分析及 DSP 實現

          來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-06-22 10:55

            

                   磁致伸縮材料是目前制約國產磁致伸縮位移傳感器量程拓展的關鍵因素。為了突破量程局限,在傳感器波導絲材料上做了改進,摒棄了 FeNi 材料,采用 Fe83 Ga17新型磁致伸縮材料,并用 ANSYS 對這種新型磁致伸縮材料的激勵磁場特性進行分析,進而從理論上驗證新型材料應用在信號激勵上的可行性。在完成激勵磁場的 ANSYS 分析以后,利用 DSP 實現傳感器激勵信號,可以利用其高速時鐘提高 A /D 轉換速率以減少時間測量誤差; 還可以利用其高速數據處理能力簡化硬件,減小溫漂的影響。根據其功能,磁致伸縮位移傳感器大致可以分為 3 個部分: 信號激勵模塊,信號傳輸模塊以及信號檢測模塊。信號激勵模塊是利用 DSP 產生激勵信號,誘導出激勵磁場實現威德曼效應的關鍵; 信號傳輸模塊是利用磁致伸縮效應形成彈性波的核心部分; 信號檢測模塊是利用逆磁致伸縮效應檢測彈性波,實現位移測量的重要環節。信號激勵的激勵形式直接決定著彈性波的波形狀態和扭轉方式,因而利用 ANSYS 和 DSP 分別對信號激勵的激勵形式進行理論研究和實現,有利于獲得準確有效的檢測信號,對提高磁致伸縮位移傳感器的精度和量程具有積極的意義。
          1 信號激勵原理
                 磁致伸縮位移傳感器模型,DSP 控制脈沖信號作用于激勵脈沖電路,產生的脈沖電流作用波導絲,便會產生一個環形磁場 Фi,該環形磁場將沿著波導絲向活動磁鐵方向以光速傳播; 而活動的永磁鐵會在其周圍引發一個軸向的穩恒磁場 Фm,這兩個磁場相交,便會瞬間合成一個螺旋形的扭轉磁場Ф,根據磁致伸縮效應,波導絲在兩個磁場交匯處的部分將會產生瞬間形變,由此形成一個彈性波,該彈性波會以固定的速度向波導絲兩邊傳播。
                 當彈性波到達檢測線圈位置時,一方面會引起線圈的磁疇發生變化,另一方面磁感應強度 B 也會因為逆磁致伸縮效應而發生相應變化。
          2 激勵磁場的ANSYS分析
          2. 1 波導絲的磁滯回線特性
                 利用 ANSYS 分析激勵磁場,掌握磁致伸縮材料的磁特性至關重要。在磁場強度為 H 的磁場中對 Fe83 Ga17 材料進行磁化,該材料的磁感應強度 B 并不是關于磁場強度 H 的單值函數,而是與材料先前的磁場狀態相關。伴隨著磁場強度 H 的逐步增加,磁感應強度 B 最終將達到飽和狀態??墒?,當磁場強度 H 逐步減小時,B 隨 H 的變化卻偏離了最初的起始磁化曲線,并且 B 的變化滯后于 H. 當 H 減小至零時,B 并不減小到零,而是等于剩余磁感應強度 Br . 為達到讓 B 減小到零的目的,需要另外施加一個反向磁場,稱之為矯頑力 Hc,當反向磁場繼續減小達到反向飽和狀態時,磁感應強度 B 將不再減小。當磁化磁場呈現周期變化時,磁性材料的磁感應強度與磁場強度的關系將是一條閉合線,該曲線即為磁滯回線。
                 其中,磁滯回線上的矯頑力以及剩余磁化強度是表征磁致伸縮材料磁特性的重要參量。矯頑力 Hc 表征永磁材料抵抗外部反向磁場或其它退磁效應的能力,而剩余磁感應強度 Br 在數值上是矯頑力的理論極限。在 ANSYS 仿真分析中,矯頑力和剩余磁化強度是否正確表征直接關系到仿真的成敗。
          Fe83 Ga17新型磁致伸縮材料具有磁導率大,矯頑力小,容易磁化,也容易退磁,磁滯回線包圍面積小,磁滯損耗小的特點。
          磁致伸縮位移傳感器
          2. 2 ANSYS 處理方法
                 在對激勵磁場特征進行 ANSYS 仿真處理時,可以采用 GUI和命令流兩種方法實現,由于激勵脈沖信號與直流和一般正弦波不同,所以其處理步驟比較復雜,文中將 GUI 實現的關鍵步驟列出如下:
          ( 1) 定義單元類型和材料參數。過濾圖形界面; 用 SOL-ID117 作為單元類型 1; 定義材料屬性,輸入波導絲的 B、H 值。
          ( 2) 建立模型,劃分網格,對模型的不同區域賦予特性。定義分析參數; 創建 RAD1 = 0. 0005,RAD2 = 0,Z2 = 1 的圓柱體;同時用 meshtool 網絡工具將波導絲區域進行網格劃分,將要劃分的單元形狀選擇四邊形“Ted”,同時選擇自由劃分“Free”。 
          ( 3) 加邊界條件和載荷( 激磁) 。將分析類型改為瞬態,擇所建立方體的側圓施加磁力線平行邊界條件; 定義分析類型; 對波導絲施加電流密度,在“JSX,JSY,JSZ components”后面的賦值欄中分別輸入 0,0 477465
          ( 4) 求解。分別設置激勵電流 2 μs 的斜坡式載荷和 78 μs的 Stepped 載荷,并各分為 20 子步,利用 ANSYS 電磁學運算工具磁場特征值進行計算。
          ( 5) 后處理??梢栽诮Y果文件對話框中對各子步進行查看,選擇觀察磁場量,就可以直觀看出磁場量在波導絲中的情況。
          2. 3 ANSYS 處理結果
                 根據 ANSYS 仿真激勵磁場,可以得到 DSP 產生的激勵電信號作用于波導絲上產生的激勵磁感應強度。磁感應線主要集中于波導絲內,這主要是因為激勵脈沖電流的非線性引起了激勵磁場的非線性,而激勵磁場的非線性勢必導致徑向波導絲中磁場的非均勻分布,加之波導絲是軟磁性材料,其線內的磁感應線幾乎不會向線外泄漏。
                 波導絲上的磁致伸縮效應主要是基于激勵磁場和永久磁場的相交引起的微小形變。由圖 3 可知,激勵磁場主要集中于材料內,這就可以保障磁致伸縮效應產生的彈性波的效果,為后續進一步提高檢測信號質量提供依據。
          3 激勵信號的 DSP 實現
                  文中在完成對 Fe83 Ga17新型磁致伸縮材料的激勵磁場特性的 ANSYS 理論研究之后,給出了激發磁致伸縮產生電磁場的激勵電信號的具體實現。在簡要介紹 DSP 數字信號處理器應用優勢的基礎上,對激勵信號的參數進行了分析,進而最終給出了激勵電信號的 DSP 實現,以此實現對激勵信號的整體研究。
          3. 1 DSP 優勢
                 傳統磁致伸縮位移傳感器的設計方案大多基于單片機,由于單片機在數據處理方面的局限性,這就要求其必須用大量硬件電路完成傳感器的信號處理。由于超聲波在傳播過程中會因為波導絲的不連續性發生幅值上的衰減,采用硬件比較電路檢測的方式,比較器的門限電平是預先設定的,會使翻轉時間推后,從而導致單片機測得的激勵信號與檢測信號的時間差發生偏執,造成較大的測量誤差。
                 DSP 應用于傳感器可以充分發揮其高速數據處理能力,不僅可以在靈活調節激勵信號的同時開啟 A/D 轉換計時,保證時間測量的準確性; 還可以利用其優勢完成采樣、數字濾波、信號檢測,從而大大節約了系統的硬件數量,避免了太多硬件電路所造成的電子干擾,同時消除放大器零點漂移帶來的影響,進而保證傳感器的穩定性。其高速時鐘頻率大大高于單片機,因而每次 A/D 轉換的時間得到了縮短,這就在很大程度上提高了傳感器的測量精度。除此之外,DSP 還可以采用在常規數字濾波的過程中加入偏執值的方法,減小環境對檢測信號的影響,提高精度。
          3. 2 激勵信號參數分析
                  激勵信號對檢測線圈檢測信號的優化起著基礎性的作用,基于這點,磁致伸縮位移傳感器以脈沖方波為驅動信號。當 DSP 通過事件管理器模塊產生脈沖信號作用于脈沖激勵電路時,脈沖電流隨即產生,假設電流傳到波導絲的時間為t1,波導絲因受到脈沖電流的激勵產生環形磁場傳輸到活動磁鐵產生磁致伸縮效應的時間為 t2,扭轉彈性波產生到被檢測線圈接收所用的時間為 t3。顯然,脈沖信號發射的時間間隔 T 至少應該大于 t1 + t2 + t3 之和,而電和電場的傳播速度約為光速c,遠遠大于彈性波的傳播速度 v( 約為 2. 8 ~ 3. 3 km /s) 。因此, t1 t2 可忽略不計,脈沖信號周期必須大于 t3,根據 t3 = l /v 可知,傳感器的測量范圍越大,最小激勵周期也就越大。此外,脈沖信號周期還受信噪比等因素影響,當脈寬一定,信噪比隨著激勵周期的增加呈現上升的趨勢。
                 脈沖信號的脈寬直接影響激勵脈沖電路產生的脈沖電流的脈寬,根據電磁場理論,磁致伸縮位移傳感器的波導管會因過小的電流脈寬而具有過大的截止頻率,傳感器自身也會因為過大的電流脈寬而具有過高的位移測量誤差,因而脈寬的選擇不是隨意的,必須結合激勵周期等因素整體考慮。
          綜合整個傳感器系統設計,激勵脈沖信號周期為 4 ms,脈沖寬度為 80 μs 時,傳感器檢測模塊檢測到的彈性波信號具有較大峰值和較好效果。
           
          3. 3 DSP 實現
                 在脈沖信號的產生中,最主要的是設計脈沖的周期、脈沖的占空比。文中采用事件管理寄存器 EVA 模塊來實現脈沖的產生。用定時器 1 的周期寄存器( T1PR) 來控制脈沖的周期,在外設時鐘( HSPCLK) 和 TPS 設置一定的條件下,可以通過調整周期寄存器的值來獲得所要的脈沖周期。而脈沖的占空比是用比較寄存器( T1CMPR) 來控制的,在脈沖頻率設置好以后即定時器 1 的周期寄存器( T1PR)設置值一定,可以通過調整比較寄存器的設置值來調整占空比。同時,設置 PWM1 高電平有效并且禁止死區。
                 從工程實踐考慮,與運放兩輸入端相連的外接電阻必須滿足平衡條件,即,Rf‖R4 = R3 可得 R4 = 9 723 Ω,Rf = 18 474 Ω. BW = f0 /Q = 5 kHz,濾波器可以有效濾除頻率低于 47. 5 kHz 及高于 52. 5 kHz 的噪聲。
          4 實驗過程與實測數據
                  為觀察電路工作的實際效果,選取了 C30 混凝土( 150 mm × 150 mm × 150 mm) 、中心頻率 50 kHz 超聲換能器,分 3 種方式對系統進行了測試。
          方式一: 單激勵脈沖、接收電路增益 26 dB( 20 倍) ,改變激勵脈沖電壓,測量回波信號;
          方式二: 激勵脈沖電壓峰峰值 150 V,接收電路增益 26 dB,改變激勵脈沖數目,測量回波信號 ;
          方式三: 單激勵脈沖,激勵脈沖電壓峰峰值 150 V,改變接收電路增益,測量回波信號。
          4 結束語
                 文中通過采用 Fe83 Ga17新型磁致伸縮材料替代原來的 FeNi材料來改進磁致伸縮位移傳感器的信號激勵部分,以達到提高傳感器的測量精度和量程方面的局限,保證其穩定性的目的。
                通過對 Fe83 Ga17材料激勵磁場特性的 ANSYS 仿真分析,證明了新型材料在改進激勵磁場特性方面的可行性; 新型材料的應用,有利于改善磁致伸縮效果,為構建理想彈性波,突破國產磁致伸縮位移傳感器量程的局限奠定了基礎。DSP 數字信號處理器應用于傳感器,不僅可以提高激勵信號的效果,縮短 A /D轉換的時間,提高傳感器的精度,還可以減少硬件電路,保證傳感器的穩定性。
           


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