磁致伸縮位移傳感器 M DS (Magnetostrictive Displacement Sensor) 因精確度高、安全性好、易千安裝和維護(hù)且能實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量、具有非接觸性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、超精密儀器、機(jī)械自動(dòng)化過(guò)程等領(lǐng)域 。傳統(tǒng)磁致伸縮位移傳感器都是將驅(qū)動(dòng)脈沖電流輸入端加在波導(dǎo)絲最前端驅(qū)動(dòng)脈沖電流會(huì)流過(guò)整段波導(dǎo)絲，致使檢測(cè)線圈輸出的電壓信號(hào)受驅(qū)動(dòng)脈沖電流噪聲的影響較大，目前沒(méi)有文章對(duì)此問(wèn)題展開研究?；夭ㄋ俣仁怯绊憘鞲衅鳒y(cè)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素，溫度變化較大時(shí)需對(duì)其進(jìn)行校正。
基于上述問(wèn)題，本文提出將Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器的驅(qū)動(dòng)脈沖電流輸入端移至檢測(cè)線圈右端口處，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方案的有效性和合理性。提出了 一 種基于應(yīng)力波無(wú)阻尼反射的回波速度校正法，通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了此方法的正確性和有效性。
1 驅(qū)動(dòng)脈沖電流位置調(diào)整
磁致伸縮位移傳感器主要由波導(dǎo)絲、永磁體、檢測(cè)線圈、信號(hào)處理單元、阻尼、脈沖發(fā)生器及放大電路等組成。
磁致伸縮位移傳感器的原理是基于磁致伸縮材料的魏德曼效應(yīng)和磁致伸縮逆效應(yīng)。其工作原理是永磁體產(chǎn)生的軸向偏置磁場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)脈沖電流產(chǎn)生的周向激勵(lì)磁場(chǎng)合成一個(gè)螺旋磁場(chǎng) 使得波導(dǎo)絲內(nèi)的磁疇發(fā)生局部瞬時(shí)扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波，應(yīng)力波以一 個(gè)恒定速度向波導(dǎo)絲兩端傳播，當(dāng)傳播到檢測(cè)線圈時(shí)，在磁致伸縮逆效應(yīng)的作用下，波導(dǎo)絲內(nèi)機(jī)械應(yīng)力的改變導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知此時(shí)檢測(cè)線圈兩端有電壓輸出。傳統(tǒng)磁致伸縮位移傳感器的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過(guò)整段波導(dǎo)絲，檢測(cè)線圈位于波導(dǎo)絲最左端，其既能檢測(cè)到應(yīng)力波產(chǎn)生的磁通變化，也能檢測(cè)到波導(dǎo)絲內(nèi)驅(qū)動(dòng)脈沖電流波動(dòng)引起的磁通變化。
磁致伸縮位移傳感器的測(cè)量原理表明，應(yīng)力波產(chǎn)生的電壓信號(hào) e l 為檢測(cè)線圈輸出的有效信號(hào)，驅(qū)動(dòng)脈沖電流產(chǎn)生的電壓信號(hào)e 2 為噪聲信號(hào)。傳感器工作時(shí)，檢測(cè)線圈輸出的電壓信號(hào)送到信號(hào)處理裝置，信號(hào)處理的目的是提取有效信號(hào) e l ' 去除噪聲信號(hào)ez'有效信號(hào)越大，噪聲信號(hào)越小，傳感器的精度越高。故驅(qū)動(dòng)脈沖電流產(chǎn)生的噪聲信號(hào)直接影響磁致伸縮位移傳感器的精度，其噪聲主要來(lái)源千以下3個(gè)方面：心元器件產(chǎn)生的固有噪聲；＠來(lái)源于電路本身設(shè)計(jì)或安裝工藝上的缺陷；＠來(lái)源復(fù)雜的干擾噪聲如線路串?dāng)_噪聲，傳輸噪聲。
想要提高傳感器的測(cè)量精度，需減小e 2 或增大el 伈 比值。為此本文提出將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中位于檢測(cè)線圈左端口處的驅(qū)動(dòng)脈沖電流輸入端移動(dòng)到檢測(cè)線圈的右端口處，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖2所示。此時(shí)，檢測(cè)線圈覆蓋部分的波導(dǎo)絲沒(méi)有驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過(guò)，所以檢測(cè)線圈輸出的電壓中不含驅(qū)動(dòng)脈沖電流波動(dòng)引起的噪聲電壓e 2 '檢測(cè)線圈輸出電壓如式(4 ) '避免了驅(qū)動(dòng)脈沖電流噪聲對(duì)檢測(cè)線圈輸出電壓信號(hào)的干擾。
2 回波速度校正
傳統(tǒng)位移傳感器在測(cè)量時(shí)認(rèn)為環(huán)境溫度與常溫相差較小時(shí)，回波速度為常數(shù)其測(cè)量原理。只需測(cè)量永磁體位置處的應(yīng)力波向左傳播到檢測(cè)線圈的時(shí)間 t可計(jì)算永磁體與檢測(cè)線圈間的位移L,'其中v為回波速度（應(yīng)力波傳播速度）。
傳感器測(cè)址的本質(zhì)是將位移測(cè)量轉(zhuǎn)換為時(shí)間測(cè)量，被測(cè)位移量與應(yīng)力波在永磁體與檢測(cè)線圈之間傳播時(shí)間成正比，且其比例系數(shù)為應(yīng)力波的傳播速度v. 另入其中G為波導(dǎo)絲的剪切模量；p為波導(dǎo)絲的密度）。傳統(tǒng)測(cè)量方法認(rèn)為環(huán)境溫度對(duì)回波速度影響較小，可忽略不計(jì)。然而波導(dǎo)絲的剪切模量G、密度p都與溫度有想要使所設(shè)計(jì)的傳感器具有較高的測(cè)量精度，需對(duì)回波速度進(jìn)行校正。
要實(shí)現(xiàn)回波速度的校正，需測(cè)出應(yīng)力波在某段已知位移的傳播時(shí)間，實(shí)現(xiàn)回波速度的校正，傳統(tǒng)位移測(cè)量方法無(wú)法滿足這 一 要求。本文提出去除波導(dǎo)絲右端的阻尼, 致使向右傳播的應(yīng)力波在波導(dǎo)絲右端發(fā)生無(wú)阻尼反射后傳播到檢測(cè)線圈時(shí)輸出電壓信號(hào)。
基于應(yīng)力波無(wú)阻尼反射的回波速度校正法，克服了引入輔助磁鐵帶來(lái)測(cè)量范圍減小和輸出信號(hào)信噪比降低的缺點(diǎn)，避免了基于最小二乘擬合法需要大量高精度測(cè)星實(shí)驗(yàn)和對(duì)于不同材料或不同尺寸的波導(dǎo)絲需重新擬合的問(wèn)題。
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
采用課題組設(shè)計(jì)的樣機(jī)（按照前文所述方法加載脈沖電流）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用的波導(dǎo)絲為 Fe-Ga材料 ，電源為穩(wěn)壓 電源和可調(diào) 電源，采用TFG6920A 型信號(hào)發(fā)生器 ，電壓信號(hào)的采集顯示裝置為 DP03014 型的四通道示波器，其時(shí)間分辨率能夠達(dá)到 0.4 ns。脈沖頻率設(shè)置為 200 Hz, 寬度為 7 s,高電平為 20V ,波導(dǎo)絲半徑為 0.25 mm,波導(dǎo)絲長(zhǎng) 500 mm, 檢測(cè)線圈匝數(shù)為 600,線徑為 0.06 mm, 單匝線圈面積 15.89 mm 2 0
3.1驅(qū)動(dòng)脈沖電流位置調(diào)整前后輸出電壓對(duì)比
課題組研究結(jié)果表明采用周向激勵(lì)磁場(chǎng)與軸向偏置磁場(chǎng)相等且磁場(chǎng)強(qiáng)度均為 3 kA/m, 可獲得較大的電壓信號(hào)本實(shí)驗(yàn)仍采用上述方式加載磁場(chǎng)。驅(qū)動(dòng)脈沖電流輸入端位置變化前后輸出的電壓信號(hào)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：心由千波導(dǎo)絲材料的磁導(dǎo)率較大，檢測(cè)線圈輸出的電壓信號(hào)會(huì)受到脈沖電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的影響，但從脈沖電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓幅值減小可知，將脈沖電流輸入端移動(dòng)到檢測(cè)線圈右端口后，檢測(cè)線圈受到脈沖電流影響減小；＠驅(qū)動(dòng)脈沖電流輸入端位置變化時(shí)，應(yīng)力波產(chǎn)生的電壓波形基本 一 致，表現(xiàn)在應(yīng)力波產(chǎn)生的電壓峰值、相位相同，但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸出電壓信號(hào)的毛刺（雜波）較多，這是由檢測(cè)線圈覆蓋部分的波導(dǎo)絲有驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過(guò)造成的。
3.2 回波速度校正實(shí)驗(yàn)
永磁體在不同位置時(shí)，檢測(cè)線圈輸出的電壓信號(hào)如圖7所示。電壓波形中存在兩個(gè)峰值與理論分析一 致 ，但第 1 個(gè)峰值大于第 2 個(gè)峰值 ，主要與應(yīng)力波反射時(shí)產(chǎn)生了 一 定的衰減有關(guān)。其 中，檢測(cè)線圈輸出的第1個(gè)峰值電壓是由永磁體處的應(yīng)力波向左傳播時(shí)產(chǎn)生的，第2個(gè)峰值電壓是由永磁體處的應(yīng)力波向右傳播經(jīng)右端無(wú)阻尼反射后產(chǎn)生的。
當(dāng)永磁體緩慢地向檢測(cè)線圈方向移動(dòng)（位移L 兀逐漸減?。?，檢測(cè)線圈輸出電壓信號(hào)的第1個(gè)峰值向左移動(dòng)，第2個(gè)峰值向右移動(dòng)，但是兩者的時(shí)間之和不變?yōu)?360 s。在應(yīng)力波傳播速度不知道的前提下。實(shí)驗(yàn)之前的回波速度為2 777.2 mis, 此時(shí)測(cè)量結(jié)果的誤差達(dá) 0.07 mm,
由校正后的回波速度為 2 777.8 mis, 此時(shí)誤差為 0.013 mm, 所以校正后的測(cè)量誤差約減小到原來(lái)的 1/5。
4 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)傳統(tǒng)Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器驅(qū)動(dòng)脈沖電流輸入端位置進(jìn)行了改進(jìn)，降低了驅(qū)動(dòng)脈沖電流噪聲對(duì)檢測(cè)線圈輸出電壓的影響，并使檢測(cè)線圈輸出電壓信噪比由 15.5 dB 提高至 23.7 dB。基于應(yīng)力波無(wú)阻尼反射原理提出一種新的回波速度校正法，確立了回波速度與波導(dǎo)絲長(zhǎng)度、應(yīng)力波傳播時(shí)間、反射波傳播時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并給出此表達(dá)式適用的驅(qū)動(dòng)脈沖電流頻率范圍。制作了樣機(jī)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于應(yīng)力波無(wú)阻尼反射的回波速度校正法的有效性，可使位移測(cè)址誤差減小到原來(lái)的 1/5。
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