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          磁致位移傳感器檢測線圈和驅動脈沖優化設計

          來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-07-01 08:13

            

                 在磁致伸縮式位移傳感器中,檢測線圈和驅動脈沖的設計直接影響整個系統的精度?;趶椥圆ɡ碚摵头ɡ陔姶鸥袘?分析了加載在波導絲上的驅動脈沖和檢測線圈的各項特性參數對感應波形的影響,通過試驗選擇了同時滿足理論推導和實際應用的佳值并進行了相關參數優化設計。經試驗驗證,優化后的傳感器系統能夠輸出高信噪比的前端感應信號。
          0 引言
          工業生產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、多參數測量方面,以其穩定而優異的性能正逐漸取代傳統的浮子式、電阻式、電容式和超聲波等位移傳感器。隨著該技術的不斷完善,磁致伸縮位移傳感器在自動化控制領域有著廣闊的應用前景。在磁致伸縮式位移傳感器中,驅動脈沖和檢測線圈的設計直接影響整個系統的精度。其中,優化驅動脈沖電流可增大線圈輸出信號,提高線圈的信噪比;優化檢測線圈可以提高線圈的磁電轉換率和靈敏度,從而增大前端信號輸出,方便后續調理電路對信號進行處理。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,確定優參數,提高輸出感應信號的信噪比。
          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構如圖1 所示。
                它包括傳感器頭部、波導絲(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。
                當進行位置測量時,電子腔產生驅動脈沖并沿波導絲傳播,同時產生環形磁場,當該磁場傳播到活動磁鐵位置時,與磁鐵產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,波導絲發生瞬間形變產生扭轉波,該波以超聲波速度向兩端傳播。當傳感器頭部的檢測線圈感應到扭轉波信號時,該時刻與產生驅動脈沖時刻的時間間隔乘以扭轉波波速即為活動磁鐵的當前位置。傳感器尾部裝有吸收多余扭轉波的阻尼,可避免由于波的反射干擾信號檢測。
           
                 根據法拉第電磁感應定律,檢測線圈兩端的扭轉波感應電壓與輸入量變化的關系,N 為感應線圈匝數; S 為線圈截面積; Vs =Vs ( tu, d) ,其中tu為驅動脈沖脈寬, d為活動磁鐵與波導絲的間距;λ為由扭轉波引起的波導絲動態伸長量;He為因驅動脈沖電流Ie 而產生的環形磁場強度。由式(1)可知,對于已選定的波導絲,在活動磁鐵磁場強度和間距d固定的前提下,輸出感應電壓主要取決于感應線圈的結構和脈沖電流的特性參數。在磁致伸縮傳感器的實驗平臺中,驅動脈沖由脈沖發生器產生,經電流放大后加載到波導絲上。檢測線圈的輸出信號經調理電路放大后,通過數據采集卡直接導入PC中進行處理。
          2 檢測線圈分析和設計
                目前,檢測扭轉波的方式主要有壓電陶瓷換能器、扭轉片和線圈3 種[ 5 ]。本文采用了具有非接觸測量、結構簡單、成本低的線圈檢測方式。線圈可檢測到脈沖和扭轉波兩種感應電壓。脈沖感應波形是由驅動脈沖引起的環向磁場使波導絲發生磁化而產生的,扭轉波感應波形是由波導絲的磁致伸縮逆效應引起的交變磁場而產生的。這兩種波形共同組成前端感應信號,送入后續電路中進行放大比較處理[ 6 ] 。感應線圈數學模型等效為一個欠阻尼二階系統.
               為提高線圈的動態響應特性, 要求ξ在0. 6~0. 8之間, wn 大于脈沖電流頻率的5 倍。因此,應綜合考慮線圈的匝數、截面積及其他參數對這兩種感應波形的影響。
          2. 1 線圈結構參數
                 線圈的結構參數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電性和導熱性,機械性能較高,易于繞制,一般選擇銅線作為線圈材料[ 8 - 9 ]。繞制線圈的骨架需要采用穩定性好、線膨脹系數小的非鐵磁性材料,并要求有足夠的耐熱、抗潮性質和機械強度,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因數,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。當扭轉波傳播到線圈處時,該處波導絲中的磁疇發生偏轉,引起軸向磁通量的變化,由線圈感應到的線圈感應扭轉波的起止時間間隔即為扭轉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。當繞組長度為扭轉波半波長的整數倍時,線圈恰能感應出大的電勢差,而考慮到線圈結構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,波導絲截面積為Sr ,線圈內的氣隙空間與磁滯損耗成正比,與線圈的靈敏度成反比。設γ= S /Sr 為線圈的填充系數,當γ≥1 /4 時,線圈的磁滯損耗較小,靈敏度較大[ 4 ]?,F確定波導絲的截面積為π/4 mm2 ,考慮到骨架的厚度,選擇線圈的截面積為πmm2。
          2. 2 線圈匝數的確定
                 由電磁感應理論可知,線圈的匝數與扭轉波感應電壓的輸出成正比,增加感應線圈匝數可提高靈敏度。但匝數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,線圈響應脈沖后的振蕩持續時間延長,脈沖感應波形振蕩次數增多,動態響應變差。分別取線圈匝數N 為100、300、400 和500,經過相同的調理電路放大1 000 倍,記錄不同線圈匝數對應的感應波形和扭轉波形.
                  由于后續調理電路的放大倍數為1 000 倍,所以圖2中的部分信號已經飽和,但仍能看出線圈匝數分別與扭轉波感應電壓幅值和脈沖感應信號振蕩持續時間成正比。因此,增加匝數雖能提高線圈靈敏度,但也會延長振蕩持續時間。由于振蕩時長直接影響到傳感器有效行程起點的設置,振蕩時間越長,起點設置就越靠后,有效量程也越小,所以通過對線圈靈敏度和振蕩時長的權衡,選擇線圈匝數為300匝的線圈。
          3 驅動脈沖分析和設計
               本文中選用的波導絲材料是鎳鐵合金絲Fe60Ni40 ,其一階扭轉波波速為2 850 m / s,頻率為72 kHz,波長λu = 4 cm,飽和磁致伸縮系數λs = 25 ×10 - 6。驅動脈沖參數的設計應與波導絲的磁彈特性相匹配,以獲得好的信噪比。在此考慮的脈沖參數有頻率、脈寬及幅值。
                 對周期性窄脈沖電流進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波強度。脈沖頻率f 應滿足, L 為傳感器量程, v為扭轉波波速。當量程為1 m時,考慮到系統響應時間一般小于2 ms,脈沖頻率范圍應為0. 5~2. 8 kHz。本文設定的脈沖頻率為1. 5 kHz。
          3. 1 脈寬對感應信號的影響
                  由式(1)可知,脈沖電流的脈寬直接影響著線圈感應信號的大小。根據本文的感應方式,當驅動波形為脈寬tu的窄脈沖時,輸出的扭轉波電壓Vs 波形與tu 之間的關系.窄脈沖作為驅動波形可在其上升沿和下降沿處分別激發一次扭轉波,且兩次波形的相位剛好相反。由圖3所示的脈寬與扭轉波感應電壓峰值關系可知,當脈寬tu < 5μs時,扭轉波感應電壓峰峰值與脈寬呈比例上升;當tu = 7μs時,兩次波形的正半周期波形正好完全疊加在一起,合成出感應峰值好的扭轉波,與tu =λ/ (2v)理論值相符;當tu > 14μs時,扭轉波感應電壓的幅值趨于穩定。
          3. 2 脈沖幅值與感應電壓關系
                  由式(1)可知,扭轉波感應電壓的輸出與He 的變化率成正比, (其中c為與材料的各項異性常數和飽和磁化強度有關的匹配常數) ,所以He的變化又引起材料磁致伸縮系數和磁化強度的變化,從而影響感應電壓的輸出。隨著脈沖幅值的增加,扭轉波感應電壓幅值增加逐漸減緩,當脈沖幅值超過30 V時,感應電壓趨于飽和,這與理論分析相符??紤]到傳感器工業供電標準化,確定脈沖電流幅值為24 V。
          4 試驗與結果分析
                將優化后的驅動脈沖和檢測線圈在磁致伸縮式位移傳感器上測試,其中波導絲直徑0. 5 mm,長1 m。當脈沖電壓幅值為24 V、脈沖頻率為1. 5 kHz、線圈長度為2 cm時,不同脈寬和匝數組合的感應電壓曲線如圖6所示。
                由圖6可以看出,組合2雖然匝數與組合1相同,但受脈寬的影響,兩次扭轉波的正半周期沒有完全線性疊加,扭轉波幅值偏小;組合3雖然脈寬與組合1相同,且扭轉波幅值比組合1 的還大,但受匝數的影響,脈沖感應波與扭轉波的響應時間和振蕩次數都大幅增加,使系統動態響應變差,也減小了傳感器的有效量程;而組合1 在感應脈沖波時響應時間快、振蕩次數,在感應扭轉波時幅值也較大,能明顯提高前端感應信號的質量。
          5 結束語
                本文通過理論分析,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、匝數等對感應輸出信號的影響,并通過試驗對檢測線圈和驅動脈沖的參數與結構進行了優化設計,減小了由于振蕩、強度等對感應信號的影響。通過對比試驗證實了優化設計的效果,為進一步提高傳感器系統的檢測精度和靈敏度提供了理論和試驗依據。


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