磁致伸縮位移傳感器 M DS (Magnetostrictive Displacement Sensor) 因精確度高、安全性好、易千安裝和維護且能實現(xiàn)多參數(shù)測量、具有非接觸性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于機器人、超精密儀器、機械自動化過程等領(lǐng)域 。傳統(tǒng)磁致伸縮位移傳感器都是將驅(qū)動脈沖電流輸入端加在波導(dǎo)絲最前端驅(qū)動脈沖電流會流過整段波導(dǎo)絲，致使檢測線圈輸出的電壓信號受驅(qū)動脈沖電流噪聲的影響較大，目前沒有文章對此問題展開研究?；夭ㄋ俣仁怯绊憘鞲衅鳒y量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素，溫度變化較大時需對其進行校正。
基于上述問題，本文提出將Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器的驅(qū)動脈沖電流輸入端移至檢測線圈右端口處，并設(shè)計實驗驗證了此方案的有效性和合理性。提出了 一 種基于應(yīng)力波無阻尼反射的回波速度校正法，通過理論推導(dǎo)和實驗研究驗證了此方法的正確性和有效性。
1 驅(qū)動脈沖電流位置調(diào)整
磁致伸縮位移傳感器主要由波導(dǎo)絲、永磁體、檢測線圈、信號處理單元、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)生的軸向偏置磁場和驅(qū)動脈沖電流產(chǎn)生的周向激勵磁場合成一個螺旋磁場 使得波導(dǎo)絲內(nèi)的磁疇發(fā)生局部瞬時扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一個應(yīng)力波，應(yīng)力波以一 個恒定速度向波導(dǎo)絲兩端傳播，當(dāng)傳播到檢測線圈時，在磁致伸縮逆效應(yīng)的作用下，波導(dǎo)絲內(nèi)機械應(yīng)力的改變導(dǎo)致磁感應(yīng)強度發(fā)生變化根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知此時檢測線圈兩端有電壓輸出。傳統(tǒng)磁致伸縮位移傳感器的驅(qū)動脈沖電流流過整段波導(dǎo)絲，檢測線圈位于波導(dǎo)絲最左端，其既能檢測到應(yīng)力波產(chǎn)生的磁通變化，也能檢測到波導(dǎo)絲內(nèi)驅(qū)動脈沖電流波動引起的磁通變化。
磁致伸縮位移傳感器的測量原理表明，應(yīng)力波產(chǎn)生的電壓信號 e l 為檢測線圈輸出的有效信號，驅(qū)動脈沖電流產(chǎn)生的電壓信號e 2 為噪聲信號。傳感器工作時，檢測線圈輸出的電壓信號送到信號處理裝置，信號處理的目的是提取有效信號 e l ' 去除噪聲信號ez'有效信號越大，噪聲信號越小，傳感器的精度越高。故驅(qū)動脈沖電流產(chǎn)生的噪聲信號直接影響磁致伸縮位移傳感器的精度，其噪聲主要來源千以下3個方面：心元器件產(chǎn)生的固有噪聲；＠來源于電路本身設(shè)計或安裝工藝上的缺陷；＠來源復(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)中位于檢測線圈左端口處的驅(qū)動脈沖電流輸入端移動到檢測線圈的右端口處，改進后結(jié)構(gòu)如圖2所示。此時，檢測線圈覆蓋部分的波導(dǎo)絲沒有驅(qū)動脈沖電流流過，所以檢測線圈輸出的電壓中不含驅(qū)動脈沖電流波動引起的噪聲電壓e 2 '檢測線圈輸出電壓如式(4 ) '避免了驅(qū)動脈沖電流噪聲對檢測線圈輸出電壓信號的干擾。
2 回波速度校正
傳統(tǒng)位移傳感器在測量時認(rèn)為環(huán)境溫度與常溫相差較小時，回波速度為常數(shù)其測量原理。只需測量永磁體位置處的應(yīng)力波向左傳播到檢測線圈的時間 t可計算永磁體與檢測線圈間的位移L,'其中v為回波速度（應(yīng)力波傳播速度）。
傳感器測址的本質(zhì)是將位移測量轉(zhuǎn)換為時間測量，被測位移量與應(yīng)力波在永磁體與檢測線圈之間傳播時間成正比，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)測量方法認(rèn)為環(huán)境溫度對回波速度影響較小，可忽略不計。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)計的傳感器具有較高的測量精度，需對回波速度進行校正。
要實現(xiàn)回波速度的校正，需測出應(yīng)力波在某段已知位移的傳播時間，實現(xiàn)回波速度的校正，傳統(tǒng)位移測量方法無法滿足這 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)生無阻尼反射后傳播到檢測線圈時輸出電壓信號。
基于應(yīng)力波無阻尼反射的回波速度校正法，克服了引入輔助磁鐵帶來測量范圍減小和輸出信號信噪比降低的缺點，避免了基于最小二乘擬合法需要大量高精度測星實驗和對于不同材料或不同尺寸的波導(dǎo)絲需重新擬合的問題。
3、實驗結(jié)果分析
采用課題組設(shè)計的樣機（按照前文所述方法加載脈沖電流）進行了實驗，實驗中采用的波導(dǎo)絲為 Fe-Ga材料 ，電源為穩(wěn)壓 電源和可調(diào) 電源，采用TFG6920A 型信號發(fā)生器 ，電壓信號的采集顯示裝置為 DP03014 型的四通道示波器，其時間分辨率能夠達到 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 500 mm, 檢測線圈匝數(shù)為 600,線徑為 0.06 mm, 單匝線圈面積 15.89 mm 2 0
3.1驅(qū)動脈沖電流位置調(diào)整前后輸出電壓對比
課題組研究結(jié)果表明采用周向激勵磁場與軸向偏置磁場相等且磁場強度均為 3 kA/m, 可獲得較大的電壓信號本實驗仍采用上述方式加載磁場。驅(qū)動脈沖電流輸入端位置變化前后輸出的電壓信號。
實驗結(jié)果表明：心由千波導(dǎo)絲材料的磁導(dǎo)率較大，檢測線圈輸出的電壓信號會受到脈沖電流產(chǎn)生磁場的影響，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到檢測線圈右端口后，檢測線圈受到脈沖電流影響減小；＠驅(qū)動脈沖電流輸入端位置變化時，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)輸出電壓信號的毛刺（雜波）較多，這是由檢測線圈覆蓋部分的波導(dǎo)絲有驅(qū)動脈沖電流流過造成的。
3.2 回波速度校正實驗
永磁體在不同位置時，檢測線圈輸出的電壓信號如圖7所示。電壓波形中存在兩個峰值與理論分析一 致 ，但第 1 個峰值大于第 2 個峰值 ，主要與應(yīng)力波反射時產(chǎn)生了 一 定的衰減有關(guān)。其 中，檢測線圈輸出的第1個峰值電壓是由永磁體處的應(yīng)力波向左傳播時產(chǎn)生的，第2個峰值電壓是由永磁體處的應(yīng)力波向右傳播經(jīng)右端無阻尼反射后產(chǎn)生的。
當(dāng)永磁體緩慢地向檢測線圈方向移動（位移L 兀逐漸減小），檢測線圈輸出電壓信號的第1個峰值向左移動，第2個峰值向右移動，但是兩者的時間之和不變?yōu)?360 s。在應(yīng)力波傳播速度不知道的前提下。實驗之前的回波速度為2 777.2 mis, 此時測量結(jié)果的誤差達 0.07 mm,
由校正后的回波速度為 2 777.8 mis, 此時誤差為 0.013 mm, 所以校正后的測量誤差約減小到原來的 1/5。
4 結(jié)束語
對傳統(tǒng)Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器驅(qū)動脈沖電流輸入端位置進行了改進，降低了驅(qū)動脈沖電流噪聲對檢測線圈輸出電壓的影響，并使檢測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)絲長度、應(yīng)力波傳播時間、反射波傳播時間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并給出此表達式適用的驅(qū)動脈沖電流頻率范圍。制作了樣機，并通過實驗驗證了基于應(yīng)力波無阻尼反射的回波速度校正法的有效性，可使位移測址誤差減小到原來的 1/5。
