磁致伸缩位移传感器研制

1、早期磁致伸缩位移传感器的研制磁致伸缩位移传感是利用磁致伸缩效应研制的传感器。该传感器可以实现非接触、绝对 式测量，具有高精度、大量程的特点，特别是由于磁铁和传感器并无直接接触，因此传感器 可应用在恶劣的工业环境，如易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的场合。此外，传感器能承受高 温高压和高振荡的环境。传感器输出信号为绝对数值，所以即使电源中断重接也不会对数据 收构成问题，更无尖重新调整零位。由于传感器组件都是非接触的，所以即使测量过程理不 断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。研制中涉及的关键技术有：（1）大电流周期激发电路的设计；（2）微弱信号的检测、信号的滤波、放大、电压比较、峰值检验波、电压限幅等

2、一系 列电路的设计；（3）基于单片机的高精度时间量测量。技术要求：测量范围08cm，精度0.1mm。测 量范围不是很大，主要是受到实验所用波导钢丝本身长度的限制。1位移传感器的原理磁致旋转波位移传感器，如图1所示。除位置磁铁外，所有其他元器件都安装在传感器 壳体内，组成传感器的主体。位置磁铁通常装在一个运动部件A上，而传感器主体则装在一 个固定的部件B上。t 候凌七*2*手E就=3*言也；一良射 员虬A虹字打不此K电好 Kl扣 1 峥实的传感器工作时，电子信号和处理系统发给磁致波导钢丝间隔为T的激励脉冲电流ie该 脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝的旋转磁场。位置磁铁也产生一个固定的磁场。根据Wi

3、demanm效应，金属随其瞬间变形产生波导扭曲，使波导钢丝产生磁致弹性伸缩，即形成一 个磁致旋转波。磁致旋转波的传播速度为式中：G为波导管的剪切弹性模量；p为波导管密度。由于G和p均为恒定（对于一定的波导管来说）的，所以传播速度也恒定。经过计算该 旋转波沿着波导钢丝以2 800 m/s的速度向两边传播。当它传到波导钢丝一端的波检测器时 被转换成电信号ua 通过测量磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间tL就能确定位置 磁铁和波检测器之间的距离。这样，当部件A和B产生相对运动，通过磁致旋转波位移传感 器就可以确定部件A的位置和速度。在波导钢丝的另一端，磁致旋转波将通过减波元件被大大削弱，以避免反

4、射的波形对测 量精度造成影响。波反射器是用于改善电信号ua的波形和加强电信号的大小。2位移传感器的结构根据这个原理，设计了总体的电子信号系统方案来检测这个磁致旋转波并送人到MCS51 微型计算机处理。数字信号处理系统如图2所示。电子伯普旺废案批惬响电子伯普旺废案批惬响(1)产生一个周期激励脉冲电流，该脉冲输入波导钢丝，以便围绕波导钢丝形成一个周 期脉冲磁场。该脉冲的周期和宽度应通过微处理器编程来调节。为了获得较强的脉冲磁场， 激励脉冲应具有足够的能量，即足够的电流。模拟信号处理，对从波检测器(检测线圈)输出的位置脉冲信号进行滤波和放大， 以便比较处理。对放大后的位置脉冲信号进行零位或峰值检波，

5、以便确定位置脉冲信号从位置磁铁 传到检测线圈的时间。时间测量和信号处理(数字或模拟信号处理)。位置信号输出(数字电流和电压，模拟电流和电压)。3传感器性能指标测试及结果为了给传感器系统进行定标，搭建了测试平台。测试平台由传感器主体、位置磁铁、螺 旋测微器、印制电路板、LCD、FDPS-50BA型电源(输人220V，输出土 15V,5 V)组成。在搭建的平台上面对传感器的性能进行测量，主要包括传感器的线性度，迟滞和重复性。3.1传感器线性度测量：在传感器测量整个080mm范围内，旋动螺旋测微器分别每隔5mm记一组数据， 位置磁铁相应移动，连续取测量数据20组，如图3。适器苫数mmHU的敷悼阕位移

6、ftl蚤饪性度剥It富跳线性度的指标公式为式中：el为非线性误差（线性度）；max为最大非线性绝对误差；YFS为输出满量程。e a 5,43 -5-12 =0.31 mmt. =O.31/Slk（-O.00） 300% =0-勇7%从图3可知，采用最小二乘法拟合直线的斜率为0.992，直线方程为Y = 0. 15784 + 0.992X，因此在080 mm范围内的线性度为0387%。3.2传感器迟滞将螺旋测微器在传感器的正反两个方向量程内来回移动，测量范围为080mm，测到的 数据如图4。其中有正向测量和反向测量数值（每隔5mm测量1次），以及正反方向测量的 差值H。图4踞致伸蛆烷聘怡盛退滞剖

7、曲健由迟滞误差公式式中AHmax为正反行程输出最大差值。从图 4 知， Hmax=0.41，而 rH = 0256%。3.3传感器重复性图5是传感器在正行程和反行程测量各测2次的数据，其中还计算了重复性偏差。根据 式（2）可计算出080mm满量程的重复性误差指标el=0.287%.。囤碣玫伸蝴位料佐惑畚重复性卸诫藏偶3.4传感器其他静态特性3.4.1传感器的分辨力经过测试系统测试，移动螺旋测微器 0.056mm，传感器LCD显示值改变 0056mm。3.4.2稳定性在测试时，将传感器设定在一固定点，然后分别在4h读取数据1次，测得值分别为31.62 mm, 31.56 mm, 31.56nm,

8、 31.62mm稳定性误差为0.06mm。传感器通、断电几次后在此位置 读数，仍旧为31.62，验证了磁致伸缩传感器不受掉电影响。温度稳定性是指传感器在外界温度变化下输出量发生的变化。测量传感器温度稳定性时， 分别在房间温度为15和室外温度为1C测量，读数变化为0.06 m，即温度稳定性误差为 0.06 mm。3.4.3测试系统灵敏度移动螺旋测微器0.05mm，测到传感器LCD屏上变化0 056mm，此测试系统的灵敏度为 1.12。综上，经过实验测得传感器的静态特性，可知传感器的线性度为0. 387%,迟滞误差为 0.256%，重复性误差为土 0. 287%,分辨力为0056mm。磁致伸缩位移

9、传感器的自身精度很高， 理论可以达到口m级，现在实际分辨力只有0.056mmo4结束语在搭建的平台上对磁致伸缩位移传感器进行了进一步的误差分析。误差主要还是在传感 器的一些性能指标上。磁致伸缩传感器的主体部分及位置磁铁开发与研制，经实验测试，结 果理想，位置磁铁在传感器不同的位置都有一不同的信号反一映。信号处理电路中占空比可 调的脉冲激发控制信号电路部分设计，经实际的电路调试结果理想。脉冲激发电路用不同方 案设计并综合考虑到实际电路实现，在ORCAD上模拟效果理想。进一步提高精度有几种方案。 比如用DSP芯片来测量位移。40MHz的TMS320LF2407型DSP芯片，时钟周期t=1/40M=25ns, DSP无需分频，则位移分辨率为70 gm,也可以