磁致伸縮位移傳感器研制

1、早期磁致伸縮位移傳感器的研制磁致伸縮位移傳感是利用磁致伸縮效應(yīng)研制的傳感器。該傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸、絕對(duì) 式測(cè)量，具有高精度、大量程的特點(diǎn)，特別是由于磁鐵和傳感器并無直接接觸，因此傳感器 可應(yīng)用在惡劣的工業(yè)環(huán)境，如易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的場(chǎng)合。此外，傳感器能承受高 溫高壓和高振蕩的環(huán)境。傳感器輸出信號(hào)為絕對(duì)數(shù)值，所以即使電源中斷重接也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù) 收構(gòu)成問題，更無尖重新調(diào)整零位。由于傳感器組件都是非接觸的，所以即使測(cè)量過程理不 斷重復(fù)的，也不會(huì)對(duì)傳感器造成任何磨損。研制中涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：（1）大電流周期激發(fā)電路的設(shè)計(jì)；（2）微弱信號(hào)的檢測(cè)、信號(hào)的濾波、放大、電壓比較、峰值檢驗(yàn)波、電壓限幅等

2、一系 列電路的設(shè)計(jì)；（3）基于單片機(jī)的高精度時(shí)間量測(cè)量。技術(shù)要求：測(cè)量范圍08cm，精度0.1mm。測(cè) 量范圍不是很大，主要是受到實(shí)驗(yàn)所用波導(dǎo)鋼絲本身長度的限制。1位移傳感器的原理磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器，如圖1所示。除位置磁鐵外，所有其他元器件都安裝在傳感器 殼體內(nèi)，組成傳感器的主體。位置磁鐵通常裝在一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件A上，而傳感器主體則裝在一 個(gè)固定的部件B上。t 候凌七*2*手E就=3*言也；一良射 員虬A虹字打不此K電好 Kl扣 1 崢實(shí)的傳感器工作時(shí)，電子信號(hào)和處理系統(tǒng)發(fā)給磁致波導(dǎo)鋼絲間隔為T的激勵(lì)脈沖電流ie該 脈沖電流將產(chǎn)生一個(gè)圍繞波導(dǎo)鋼絲的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。位置磁鐵也產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場(chǎng)。根據(jù)Wi

3、demanm效應(yīng)，金屬隨其瞬間變形產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，使波導(dǎo)鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮，即形成一 個(gè)磁致旋轉(zhuǎn)波。磁致旋轉(zhuǎn)波的傳播速度為式中：G為波導(dǎo)管的剪切彈性模量；p為波導(dǎo)管密度。由于G和p均為恒定（對(duì)于一定的波導(dǎo)管來說）的，所以傳播速度也恒定。經(jīng)過計(jì)算該 旋轉(zhuǎn)波沿著波導(dǎo)鋼絲以2 800 m/s的速度向兩邊傳播。當(dāng)它傳到波導(dǎo)鋼絲一端的波檢測(cè)器時(shí) 被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)ua 通過測(cè)量磁致旋轉(zhuǎn)波從位置磁鐵傳到波檢測(cè)器的時(shí)間tL就能確定位置 磁鐵和波檢測(cè)器之間的距離。這樣，當(dāng)部件A和B產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感 器就可以確定部件A的位置和速度。在波導(dǎo)鋼絲的另一端，磁致旋轉(zhuǎn)波將通過減波元件被大大削弱，以避免反

4、射的波形對(duì)測(cè) 量精度造成影響。波反射器是用于改善電信號(hào)ua的波形和加強(qiáng)電信號(hào)的大小。2位移傳感器的結(jié)構(gòu)根據(jù)這個(gè)原理，設(shè)計(jì)了總體的電子信號(hào)系統(tǒng)方案來檢測(cè)這個(gè)磁致旋轉(zhuǎn)波并送人到MCS51 微型計(jì)算機(jī)處理。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)如圖2所示。電子伯普旺廢案批愜響電子伯普旺廢案批愜響(1)產(chǎn)生一個(gè)周期激勵(lì)脈沖電流，該脈沖輸入波導(dǎo)鋼絲，以便圍繞波導(dǎo)鋼絲形成一個(gè)周 期脈沖磁場(chǎng)。該脈沖的周期和寬度應(yīng)通過微處理器編程來調(diào)節(jié)。為了獲得較強(qiáng)的脈沖磁場(chǎng)， 激勵(lì)脈沖應(yīng)具有足夠的能量，即足夠的電流。模擬信號(hào)處理，對(duì)從波檢測(cè)器(檢測(cè)線圈)輸出的位置脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波和放大， 以便比較處理。對(duì)放大后的位置脈沖信號(hào)進(jìn)行零位或峰值檢波，

5、以便確定位置脈沖信號(hào)從位置磁鐵 傳到檢測(cè)線圈的時(shí)間。時(shí)間測(cè)量和信號(hào)處理(數(shù)字或模擬信號(hào)處理)。位置信號(hào)輸出(數(shù)字電流和電壓，模擬電流和電壓)。3傳感器性能指標(biāo)測(cè)試及結(jié)果為了給傳感器系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，搭建了測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)由傳感器主體、位置磁鐵、螺 旋測(cè)微器、印制電路板、LCD、FDPS-50BA型電源(輸人220V，輸出土 15V,5 V)組成。在搭建的平臺(tái)上面對(duì)傳感器的性能進(jìn)行測(cè)量，主要包括傳感器的線性度，遲滯和重復(fù)性。3.1傳感器線性度測(cè)量：在傳感器測(cè)量整個(gè)080mm范圍內(nèi)，旋動(dòng)螺旋測(cè)微器分別每隔5mm記一組數(shù)據(jù)， 位置磁鐵相應(yīng)移動(dòng)，連續(xù)取測(cè)量數(shù)據(jù)20組，如圖3。適器苫數(shù)mmHU的敷悼闋位移

6、ftl蚤飪性度剝It富跳線性度的指標(biāo)公式為式中：el為非線性誤差（線性度）；max為最大非線性絕對(duì)誤差；YFS為輸出滿量程。e a 5,43 -5-12 =0.31 mmt. =O.31/Slk（-O.00） 300% =0-勇7%從圖3可知，采用最小二乘法擬合直線的斜率為0.992，直線方程為Y = 0. 15784 + 0.992X，因此在080 mm范圍內(nèi)的線性度為0387%。3.2傳感器遲滯將螺旋測(cè)微器在傳感器的正反兩個(gè)方向量程內(nèi)來回移動(dòng)，測(cè)量范圍為080mm，測(cè)到的 數(shù)據(jù)如圖4。其中有正向測(cè)量和反向測(cè)量數(shù)值（每隔5mm測(cè)量1次），以及正反方向測(cè)量的 差值H。圖4踞致伸蛆烷聘怡盛退滯剖

7、曲健由遲滯誤差公式式中AHmax為正反行程輸出最大差值。從圖 4 知， Hmax=0.41，而 rH = 0256%。3.3傳感器重復(fù)性圖5是傳感器在正行程和反行程測(cè)量各測(cè)2次的數(shù)據(jù)，其中還計(jì)算了重復(fù)性偏差。根據(jù) 式（2）可計(jì)算出080mm滿量程的重復(fù)性誤差指標(biāo)el=0.287%.。囤碣玫伸蝴位料佐惑畚重復(fù)性卸誡藏偶3.4傳感器其他靜態(tài)特性3.4.1傳感器的分辨力經(jīng)過測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試，移動(dòng)螺旋測(cè)微器 0.056mm，傳感器LCD顯示值改變 0056mm。3.4.2穩(wěn)定性在測(cè)試時(shí)，將傳感器設(shè)定在一固定點(diǎn)，然后分別在4h讀取數(shù)據(jù)1次，測(cè)得值分別為31.62 mm, 31.56 mm, 31.56nm,

8、 31.62mm穩(wěn)定性誤差為0.06mm。傳感器通、斷電幾次后在此位置 讀數(shù)，仍舊為31.62，驗(yàn)證了磁致伸縮傳感器不受掉電影響。溫度穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟茸兓螺敵隽堪l(fā)生的變化。測(cè)量傳感器溫度穩(wěn)定性時(shí)， 分別在房間溫度為15和室外溫度為1C測(cè)量，讀數(shù)變化為0.06 m，即溫度穩(wěn)定性誤差為 0.06 mm。3.4.3測(cè)試系統(tǒng)靈敏度移動(dòng)螺旋測(cè)微器0.05mm，測(cè)到傳感器LCD屏上變化0 056mm，此測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度為 1.12。綜上，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳感器的靜態(tài)特性，可知傳感器的線性度為0. 387%,遲滯誤差為 0.256%，重復(fù)性誤差為土 0. 287%,分辨力為0056mm。磁致伸縮位移

9、傳感器的自身精度很高， 理論可以達(dá)到口m級(jí)，現(xiàn)在實(shí)際分辨力只有0.056mmo4結(jié)束語在搭建的平臺(tái)上對(duì)磁致伸縮位移傳感器進(jìn)行了進(jìn)一步的誤差分析。誤差主要還是在傳感 器的一些性能指標(biāo)上。磁致伸縮傳感器的主體部分及位置磁鐵開發(fā)與研制，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié) 果理想，位置磁鐵在傳感器不同的位置都有一不同的信號(hào)反一映。信號(hào)處理電路中占空比可 調(diào)的脈沖激發(fā)控制信號(hào)電路部分設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)際的電路調(diào)試結(jié)果理想。脈沖激發(fā)電路用不同方 案設(shè)計(jì)并綜合考慮到實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)，在ORCAD上模擬效果理想。進(jìn)一步提高精度有幾種方案。 比如用DSP芯片來測(cè)量位移。40MHz的TMS320LF2407型DSP芯片，時(shí)鐘周期t=1/40M=25ns, DSP無需分頻，則位移分辨率為70 gm,也可以