磁致伸縮材料是目前制約國產(chǎn)磁致伸縮位移傳感器量程拓展的關(guān)鍵因素。為了突破量程局限，在傳感器波導(dǎo)絲材料上做了改進(jìn)，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(jìn)行分析，進(jìn)而從理論上驗(yàn)證新型材料應(yīng)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(shí)現(xiàn)傳感器激勵信號，可以利用其高速時鐘提高 A /D 轉(zhuǎn)換速率以減少時間測量誤差; 還可以利用其高速數(shù)據(jù)處理能力簡化硬件，減小溫漂的影響。根據(jù)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(chǎn)生激勵信號，誘導(dǎo)出激勵磁場實(shí)現(xiàn)威德曼效應(yīng)的關(guān)鍵; 信號傳輸模塊是利用磁致伸縮效應(yīng)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(yīng)檢測彈性波，實(shí)現(xiàn)位移測量的重要環(huán)節(jié)。信號激勵的激勵形式直接決定著彈性波的波形狀態(tài)和扭轉(zhuǎn)方式，因而利用 ANSYS 和 DSP 分別對信號激勵的激勵形式進(jìn)行理論研究和實(shí)現(xiàn)，有利于獲得準(zhǔn)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(chǎn)生的脈沖電流作用波導(dǎo)絲，便會產(chǎn)生一個環(huán)形磁場 Фi，該環(huán)形磁場將沿著波導(dǎo)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(fā)一個軸向的穩(wěn)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(zhuǎn)磁場Ф，根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，波導(dǎo)絲在兩個磁場交匯處的部分將會產(chǎn)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(dǎo)絲兩邊傳播。
當(dāng)彈性波到達(dá)檢測線圈位置時，一方面會引起線圈的磁疇發(fā)生變化，另一方面磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會因?yàn)槟娲胖律炜s效應(yīng)而發(fā)生相應(yīng)變化。
2 激勵磁場的ANSYS分析
2. 1 波導(dǎo)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(guān)重要。在磁場強(qiáng)度為 H 的磁場中對 Fe83 Ga17 材料進(jìn)行磁化，該材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 并不是關(guān)于磁場強(qiáng)度 H 的單值函數(shù)，而是與材料先前的磁場狀態(tài)相關(guān)。伴隨著磁場強(qiáng)度 H 的逐步增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 最終將達(dá)到飽和狀態(tài)。可是，當(dāng)磁場強(qiáng)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(dāng) H 減小至零時，B 并不減小到零，而是等于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br ． 為達(dá)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(dāng)反向磁場繼續(xù)減小達(dá)到反向飽和狀態(tài)時，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 將不再減小。當(dāng)磁化磁場呈現(xiàn)周期變化時，磁性材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的關(guān)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(qiáng)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(yīng)的能力，而剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br 在數(shù)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(qiáng)度是否正確表征直接關(guān)系到仿真的成敗。
Fe83 Ga17新型磁致伸縮材料具有磁導(dǎo)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(diǎn)。
2． 2 ANSYS 處理方法
在對激勵磁場特征進(jìn)行 ANSYS 仿真處理時，可以采用 GUI和命令流兩種方法實(shí)現(xiàn)，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(fù)雜，文中將 GUI 實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟列出如下:
( 1) 定義單元類型和材料參數(shù)。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(dǎo)絲的 B、H 值。
( 2) 建立模型，劃分網(wǎng)格，對模型的不同區(qū)域賦予特性。定義分析參數(shù); 創(chuàng)建 RAD1 = 0. 0005，RAD2 = 0，Z2 = 1 的圓柱體;同時用 meshtool 網(wǎng)絡(luò)工具將波導(dǎo)絲區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)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(tài)，擇所建立方體的側(cè)圓施加磁力線平行邊界條件; 定義分析類型; 對波導(dǎo)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(shè)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(xué)運(yùn)算工具磁場特征值進(jìn)行計算。
( 5) 后處理?？梢栽诮Y(jié)果文件對話框中對各子步進(jìn)行查看，選擇觀察磁場量，就可以直觀看出磁場量在波導(dǎo)絲中的情況。
2． 3 ANSYS 處理結(jié)果
根據(jù) ANSYS 仿真激勵磁場，可以得到 DSP 產(chǎn)生的激勵電信號作用于波導(dǎo)絲上產(chǎn)生的激勵磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁感應(yīng)線主要集中于波導(dǎo)絲內(nèi)，這主要是因?yàn)榧蠲}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(dǎo)致徑向波導(dǎo)絲中磁場的非均勻分布，加之波導(dǎo)絲是軟磁性材料，其線內(nèi)的磁感應(yīng)線幾乎不會向線外泄漏。
波導(dǎo)絲上的磁致伸縮效應(yīng)主要是基于激勵磁場和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(nèi)，這就可以保障磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的彈性波的效果，為后續(xù)進(jìn)一步提高檢測信號質(zhì)量提供依據(jù)。
3 激勵信號的 DSP 實(shí)現(xiàn)
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(fā)磁致伸縮產(chǎn)生電磁場的激勵電信號的具體實(shí)現(xiàn)。在簡要介紹 DSP 數(shù)字信號處理器應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，對激勵信號的參數(shù)進(jìn)行了分析，進(jìn)而最終給出了激勵電信號的 DSP 實(shí)現(xiàn)，以此實(shí)現(xiàn)對激勵信號的整體研究。
3. 1 DSP 優(yōu)勢
傳統(tǒng)磁致伸縮位移傳感器的設(shè)計方案大多基于單片機(jī)，由于單片機(jī)在數(shù)據(jù)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?yàn)椴▽?dǎo)絲的不連續(xù)性發(fā)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(yù)先設(shè)定的，會使翻轉(zhuǎn)時間推后，從而導(dǎo)致單片機(jī)測得的激勵信號與檢測信號的時間差發(fā)生偏執(zhí)，造成較大的測量誤差。
DSP 應(yīng)用于傳感器可以充分發(fā)揮其高速數(shù)據(jù)處理能力，不僅可以在靈活調(diào)節(jié)激勵信號的同時開啟 A/D 轉(zhuǎn)換計時，保證時間測量的準(zhǔn)確性; 還可以利用其優(yōu)勢完成采樣、數(shù)字濾波、信號檢測，從而大大節(jié)約了系統(tǒng)的硬件數(shù)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(diǎn)漂移帶來的影響，進(jìn)而保證傳感器的穩(wěn)定性。其高速時鐘頻率大大高于單片機(jī)，因而每次 A/D 轉(zhuǎn)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(guī)數(shù)字濾波的過程中加入偏執(zhí)值的方法，減小環(huán)境對檢測信號的影響，提高精度。
3. 2 激勵信號參數(shù)分析
激勵信號對檢測線圈檢測信號的優(yōu)化起著基礎(chǔ)性的作用，基于這點(diǎn)，磁致伸縮位移傳感器以脈沖方波為驅(qū)動信號。當(dāng) DSP 通過事件管理器模塊產(chǎn)生脈沖信號作用于脈沖激勵電路時，脈沖電流隨即產(chǎn)生，假設(shè)電流傳到波導(dǎo)絲的時間為t1，波導(dǎo)絲因受到脈沖電流的激勵產(chǎn)生環(huán)形磁場傳輸?shù)交顒哟盆F產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)的時間為 t2，扭轉(zhuǎn)彈性波產(chǎn)生到被檢測線圈接收所用的時間為 t3。顯然，脈沖信號發(fā)射的時間間隔 T 至少應(yīng)該大于 t1 + t2 + t3 之和，而電和電場的傳播速度約為光速c，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jù) 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(dāng)脈寬一定，信噪比隨著激勵周期的增加呈現(xiàn)上升的趨勢。
脈沖信號的脈寬直接影響激勵脈沖電路產(chǎn)生的脈沖電流的脈寬，根據(jù)電磁場理論，磁致伸縮位移傳感器的波導(dǎo)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?yàn)檫^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(jié)合激勵周期等因素整體考慮。
綜合整個傳感器系統(tǒng)設(shè)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(shí)現(xiàn)
在脈沖信號的產(chǎn)生中，最主要的是設(shè)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(shí)現(xiàn)脈沖的產(chǎn)生。用定時器 1 的周期寄存器( T1PR) 來控制脈沖的周期，在外設(shè)時鐘( HSPCLK) 和 TPS 設(shè)置一定的條件下，可以通過調(diào)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(shè)置好以后即定時器 1 的周期寄存器( T1PR)設(shè)置值一定，可以通過調(diào)整比較寄存器的設(shè)置值來調(diào)整占空比。同時，設(shè)置 PWM1 高電平有效并且禁止死區(qū)。
從工程實(shí)踐考慮，與運(yùn)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(shí)驗(yàn)過程與實(shí)測數(shù)據(jù)
為觀察電路工作的實(shí)際效果，選取了 C30 混凝土( 150 mm × 150 mm × 150 mm) 、中心頻率 50 kHz ，分 3 種方式對系統(tǒng)進(jìn)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(shù)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(jié)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(jìn)磁致伸縮位移傳感器的信號激勵部分，以達(dá)到提高傳感器的測量精度和量程方面的局限，保證其穩(wěn)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(jìn)激勵磁場特性方面的可行性; 新型材料的應(yīng)用，有利于改善磁致伸縮效果，為構(gòu)建理想彈性波，突破國產(chǎn)磁致伸縮位移傳感器量程的局限奠定了基礎(chǔ)。DSP 數(shù)字信號處理器應(yīng)用于傳感器，不僅可以提高激勵信號的效果，縮短 A /D轉(zhuǎn)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(wěn)定性。
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