軟磁材料進(jìn)行磁化后，其形狀或大小發(fā)生變化的現(xiàn)象，即為磁致伸縮效應(yīng)或威德曼效應(yīng)。這是磁致伸縮位移傳感器彈性波的產(chǎn)生的基礎(chǔ)。因此，與基千其他原理的傳感器不同,只有磁致伸縮位移傳感器才能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，這種明顯優(yōu)勢使其被廣泛應(yīng)用千航天、石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域] 。目前公開報(bào)道的磁致伸縮位移傳感器(MDS)的波導(dǎo)絲大多由飽和磁致伸縮系數(shù)（沁）不足3X 10-5的Fe-Ni合金制成，此類MDS的位移檢測量不超過5m。雖然有些超磁致伸縮材料的 從 超過1 X 10氣 ，但它們基本上都是燒結(jié)類材料，不能制備為波導(dǎo)絲，因此尤法應(yīng)用于MDscsJ 。
21世紀(jì)以來，Clark提出Fes3Ga11材料在特殊的制備工藝條件下，其心可以達(dá)到4Xl0氣雖然比燒結(jié)類材料的心小得多，但比現(xiàn)有Fe-Ni材料磁致伸縮性能*，而且再加工性能良好。近期，李紀(jì)恒對Fes3Ga17波導(dǎo)絲的威德曼效應(yīng)進(jìn)行了研究，得到高達(dá)245 s/cm 的扭轉(zhuǎn)角，在材料學(xué)上說明了其*性 。
為此，在對比前期研究的基礎(chǔ)上，提出將Fes3 Ga11材料應(yīng)用千大位移磁致伸縮位移傳感器。由千MDS波導(dǎo)絲的效果不僅取決千它的沁和威德曼扭轉(zhuǎn)角，還與其磁場特性密切相關(guān)。因此，筆者在掌握MDS原理，建立F es3G a11波導(dǎo)絲磁 場模 型 的基礎(chǔ)上，利用MATLAB對其磁場特性進(jìn)行了分析，并最終結(jié)合檢測到的信號特性證明了 F es3Ga11 材 料應(yīng)用于大位移MDS的可行性。
1、MDS原理
磁致伸縮位移傳感器波導(dǎo)絲在激勵電流作用下產(chǎn)生的環(huán)形磁場中和永磁鐵產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場中m 相交時(shí) ，便會瞬間合成一 個螺旋形 的扭轉(zhuǎn)磁場中，根據(jù)磁致伸縮材料的威德曼效應(yīng)，波導(dǎo)絲將會產(chǎn)生瞬間形變，由此形成 一 個向兩端傳播的扭轉(zhuǎn)彈 性波。
當(dāng)接收線圈檢測到扭轉(zhuǎn)彈性波時(shí)，其磁通量強(qiáng)度 B 會發(fā)生相應(yīng)變化 。假設(shè)從永磁鐵到線圈的傳輸時(shí)間為t. 超聲波的傳輸速度為v, 線圈和磁鐵之間的距離L就可以用式(2)計(jì)算得到，從而實(shí)現(xiàn)位移的測量。
2 相關(guān)參數(shù)
在建立磁場模型分析之前，需要確定激勵信號和波導(dǎo)絲的參數(shù)以及波導(dǎo)絲的B-H特性。大量實(shí)驗(yàn)表明，激勵信號為脈沖電流時(shí)威德曼效應(yīng)，作者在先前的工作中已經(jīng)進(jìn)行了大扯研究。
波導(dǎo)絲的B-H特性曲線如圖2所示。它直接影響著磁場特性的強(qiáng)弱和威德曼效應(yīng)的效果，并對磁致伸縮位移傳感器量程的改善起著決定性作用。
3 磁場模型
在 一 般 的磁場 模 型分 析 中 ，可 以直 接 利 用 安 培環(huán)路定理來得出相關(guān)模型的磁場特性分布。但是，由千作用于波導(dǎo)絲的激勵源并不是穩(wěn)恒電流，而是脈沖電流，因此，并不能利用安培環(huán)路定理來對其進(jìn)行分析。為了對波導(dǎo)絲在激勵電流作用下產(chǎn)生的磁場特性進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，筆者首先利用信號與系統(tǒng)的傅里葉級數(shù)理論，將周期脈沖電流信號轉(zhuǎn)換成 一 系列電磁學(xué)分析中常見的正弦電流信號，然后利用疊加原理將正弦電流信號產(chǎn)生時(shí)諧場進(jìn)行疊加，從而得到所需要的磁場模型。
3.1 信號轉(zhuǎn)換
設(shè)激勵電流I激勵電流可以分解為一個直流信號和一系列不同頻率的正弦信號。
3.2 分析直流分量磁場特性
在對磁致伸縮波導(dǎo)絲的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，可將其看成半徑為r的長直圓柱，分析穩(wěn)恒電流信號對波導(dǎo)絲的作用，可將其看成圓柱體內(nèi)通過電流為I'的直流信號，為了便千分析，選取圓柱坐標(biāo)系0必》z為參考系，電流密度與c同向。
3.3 導(dǎo)絲磁場特性
利用疊加原理分別將直流分量和正弦分量通過波導(dǎo)絲產(chǎn)生的磁場進(jìn)行疊加便可求得波導(dǎo)絲的環(huán)形磁場H。
4 MATLAB分析
利用數(shù)學(xué)軟件MATLAB對磁場模型進(jìn)行分析，不僅能夠驗(yàn)證模型的正確性，還能直觀反映Fea3 Ga17 波導(dǎo)絲的磁場特性。在MATLAB設(shè)計(jì)處理中，為了全面反映磁場特性，筆者采用了基于磁場強(qiáng)度H、時(shí)間t以及距離軸線的半徑r的三維立體分析方案，最終得到的環(huán)形磁場H。
由圖可知，磁場強(qiáng)度H與時(shí)間t以及距離軸線半徑r的關(guān)系比較復(fù)雜，并不是簡單的線性關(guān)系，總的來說可以得到兩點(diǎn)： 一 是磁場在波導(dǎo)絲上維系的時(shí)間很短；二是磁場強(qiáng)度在波導(dǎo)絲表面處聚集。為了更進(jìn)一步對磁場的Ht關(guān)系進(jìn)行分析，任意選取波導(dǎo)絲上不同位置的兒個參考點(diǎn)。
在脈沖周期內(nèi)激勵電流剛作用千波導(dǎo)絲時(shí)，波導(dǎo)絲的磁場強(qiáng)度，并會因?yàn)榧蠲}寬的緣故維系一定時(shí)間，然后隨著時(shí)間的增加逐步削弱直至消失，整個過程時(shí)間很短，在宏觀上可以理解為瞬時(shí)。此外，波導(dǎo)絲外表面的磁場強(qiáng)度不僅，而且消失的，這種磁場特性有利于單一彈性波的產(chǎn)生，避免了信號間的干擾。這就為MDS測量的準(zhǔn)確性奠定了基礎(chǔ)。
同樣，為了更進(jìn)一步對環(huán)形磁場的H-r關(guān)系進(jìn)行分析，任選了兒個參考時(shí)刻。波導(dǎo)絲上的磁場強(qiáng)度隨著離軸線的距離長度的增加而增強(qiáng)，并且增長幅度呈現(xiàn)先小后大的變化趨勢，這主要是因?yàn)榧铍娏髯饔们Р▽?dǎo)絲產(chǎn)生了趨膚效應(yīng)的緣故，這使得磁場線在波導(dǎo)絲表面處聚集。根據(jù)磁致伸縮位移傳感器原理，波導(dǎo)絲表面處因威德曼效應(yīng)而產(chǎn)生的微小形變是彈性波產(chǎn)生的基礎(chǔ)。因此，磁場強(qiáng)度在波導(dǎo)絲表面處有利于加強(qiáng)威德曼效應(yīng)的效果，進(jìn)而起到增強(qiáng)彈性波，增大MDS量程的作用。此外可以看出，波導(dǎo)絲外表處的磁場強(qiáng)度不僅增加得快而且消失得也快，這有利千磁致伸縮的產(chǎn)生和消失，對后續(xù)回波信號的測試大有裨益。
5 信號特性測試
信號特性測試是波導(dǎo)絲能否應(yīng)用于磁致伸縮位移傳感器關(guān)鍵的一步實(shí)驗(yàn)論證，其主要包括電子系統(tǒng)方案和信號測試結(jié)果兩部分。磁致伸縮位移傳感器信號測試系統(tǒng)主要由DSP微處理器，激勵電流電路，波導(dǎo)絲單元，信號放大電路，AD采樣電路以及通信電路等部分組成。
測試長5m的波導(dǎo)絲前、中、末端時(shí)，示波器得到的回波信號如圖8所示。由圖可知，MDS采用Fes3Ga17波導(dǎo)絲后，不僅回波信號效果很好，而且波導(dǎo)絲對回波信號長距離傳輸過程中造成的衰減也很小。這不僅說明了Fes3Ga17波導(dǎo)絲具有良好的電磁特性，而且從電子學(xué)的角度對Clark的磁致伸縮特性研究和李紀(jì)恒的威德曼效應(yīng)研究進(jìn)行了論證。
6結(jié)語
針對國產(chǎn)MDS因Fe-沁波導(dǎo)絲飽和磁致伸縮系數(shù)過小而導(dǎo)致的量程過短的問題，在Clark研究的基礎(chǔ)上，提出了將Fes3Ga17波導(dǎo)絲應(yīng)用千MDS的新方案，并從傅里葉分析和電磁學(xué)理論的角度建立了Fes3Ga17波導(dǎo)絲新的磁場模型。MATLAB對磁場模型的分析表明，F(xiàn)es3Ga11波導(dǎo)絲的電磁特性有利于增強(qiáng)MDS的威德曼效應(yīng)，這就為新方案提供了理論基礎(chǔ)；測試系統(tǒng)對信號特性的測試結(jié)果表明，基于Fes3Ga,1波導(dǎo)絲的MDS具有回波信號強(qiáng)，長距離傳輸衰減小的特征，從而有助千增加MDS的最程，這在電子學(xué)上證明了方案的可行性。
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