谢新良等：考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计 ·1235· 传感器能实现某一段位移1的测量，本质上是将 环境温度与常温相差不大的情况下，可认为回波速度 位移量转换成时间量.当外界温度变化较小时可以认 是恒定的，但位移传感器分辨率和精确度要求高或环 为回波速度，（应力波在波导丝中的传播速度）为常 境温度与常温相差较大的情况下则需对应力波的回波 数，位移与时间的关系如式(11)所示，故只需测量应 速度进行修正.新结构的传感器其永磁体固定在波导 力波从永磁体传播到检测线圈的时间.而输出的电 丝头部，校正线圈固定在波导丝尾部，故可测量出两者 压信号直接影响到时间1的判定，所以提高传感器的 之间的位移1，由校正线圈输出的检测信号可得到应 精度，需减小磁滞的影响. 力波在永磁体与校正线圈之间的传播时间1，故根据 I=vt. (11) v=l/儿1可实现回波速度的实时校正 磁滞是铁磁材料反复磁化过程中，磁感应强度变 2实验结果与分析 化滞后于磁场强度的现象，所以要消除磁滞产生的位 移迟滞，需使波导丝不被反复磁化.图3为新磁致伸 本实验采用的波导丝材料是Fe-Ga.稳压电源为 缩位移传感器电气原理图，永磁体固定在波导丝头部， 信号处理电路提供稳定电压，可调电源用来调节激励 位置线圈在永磁体与校正线圈之间移动，校正线圈安 脉冲的幅值.采用T℉G6920A函数任意波形发生器及 装在波导丝尾部，脉冲电流的输出端移动到永磁体右 放大电路产生脉冲电流.采用DP03014型四通道示 端口处.新结构中永磁铁固定在波导丝的头部，仅作 波采集和显示电压信号.将波导丝固定在铁氟龙塑料 为轴向偏置磁场使用，其不再反复磁化波导丝，所以可 管内，波导丝两端用螺丝固定在传感器两端（保证波 以消除由磁致伸缩材料的磁滞效应带来的位移迟滞： 导丝无弯曲).永磁体为钕铁硼磁环，其内径和外径分 位置线圈在波导丝上移动，以实现位移改变的作用：校 别为15mm和20mm.阻尼器安装在波导丝两端.检 正线圈固定在波导丝尾部，以实现回波速度的校正：脉 测线圈采用线径0.O6mm的细铜导线绕制而成，其匝 冲电流的输入端不变，输出端移至永磁体右端口处，脉 数为600匝，绕制层数3层.信号发生器产生的脉冲 冲电流的回路电阻大幅度减小，当回路需要同样大小 电流频率设定为1000Hz、宽度7μs、高电平20V.示波 电流时，电源所需提供的电压减小，可达到节能的 器最高采样频率为2.5×10°s1,采用两通道，通道1 目的. 采集检测线圈输出的电压信号，通道2采集回路的电 电流水磁体 压信号，示波器的采样周期设定为0.04μs,采样点数 脉冲 应力波 位骨线圈 校正线圈 10000点.搭建的实验平台如图4所示. rYx 波导丝 阻尼 信号处理 信号处理 信号发生器 及放大电路电源可调电阻 图3新磁致伸缩位移传感器电气原理图 Fig.3 Electrical schematic of the novel MDS 根据上述的分析，新结构还能减小剩磁和脉冲电 流波动产生的影响.由于Fe-Ga材料自身的磁特性， 图4磁致伸缩位移传感器的实验平台 永磁体在波导上移动，必然会产生剩磁问题，新结构中 Fig.4 Experimental platform of the MDS 位置线圈代替永磁体起位移改变作用，所以波导丝内 2.1传感器输出电压的数值计算 不会产生轴向剩磁：新结构中将脉冲电流输出端移至 在图4的实验平台上，按照图3所示的电气原理 永磁体右端口处，此时脉冲电流仅流过永磁体覆盖部 图搭建传感器系统.由文献[19]各参数如下，检测线 分的波导丝，所以新结构能减小脉冲电流对输出电压 圈参数：N=600,S=15.89mm2:铁稼FeGa,波导丝的 信号的影响 参数：R=0.5mm,L=500mm,E=57MPa,p=7.6g· 磁致伸缩位移传感器的测量是将位移量转换为时 cm3,v=0.2,φ。=1Wb,u,=85,M.=60kAm,a= 间量，位移与时间的对应关系是线性的且其比例系数 7012Am,a=-0.051,c=0.18,x=0.9268Am1 为回波速度v(:=√Gp,其中G为波导丝的剪切模 当永磁体提供的外磁场H为3.5kA·m时，传感器 量：P为波导丝的密度).波导丝一旦确定，其剪切模 输出电压与激励磁场的关系如图5所示. 量和密度也就确定了，但是波导丝的剪切模量和密度 从图5可知，当激励磁场较小时，输出的电压较 都受到环境温度的影响，在分辨率和精度要求不高或 小，但较小的激励磁场增加会产生较大的电压增加：当谢新良等: 考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计 传感器能实现某一段位移 l 的测量,本质上是将 位移量转换成时间量. 当外界温度变化较小时可以认 为回波速度 v(应力波在波导丝中的传播速度) 为常 数,位移与时间的关系如式(11) 所示,故只需测量应 力波从永磁体传播到检测线圈的时间 t. 而输出的电 压信号直接影响到时间 t 的判定,所以提高传感器的 精度,需减小磁滞的影响. l = vt. (11) 磁滞是铁磁材料反复磁化过程中,磁感应强度变 化滞后于磁场强度的现象,所以要消除磁滞产生的位 移迟滞,需使波导丝不被反复磁化. 图 3 为新磁致伸 缩位移传感器电气原理图,永磁体固定在波导丝头部, 位置线圈在永磁体与校正线圈之间移动,校正线圈安 装在波导丝尾部,脉冲电流的输出端移动到永磁体右 端口处. 新结构中永磁铁固定在波导丝的头部,仅作 为轴向偏置磁场使用,其不再反复磁化波导丝,所以可 以消除由磁致伸缩材料的磁滞效应带来的位移迟滞; 位置线圈在波导丝上移动,以实现位移改变的作用;校 正线圈固定在波导丝尾部,以实现回波速度的校正;脉 冲电流的输入端不变,输出端移至永磁体右端口处,脉 冲电流的回路电阻大幅度减小,当回路需要同样大小 电流时,电源所需提供的电压减小,可达到节能的 目的. 图 3 新磁致伸缩位移传感器电气原理图 Fig. 3 Electrical schematic of the novel MDS 根据上述的分析,新结构还能减小剩磁和脉冲电 流波动产生的影响. 由于 Fe鄄鄄 Ga 材料自身的磁特性, 永磁体在波导上移动,必然会产生剩磁问题,新结构中 位置线圈代替永磁体起位移改变作用,所以波导丝内 不会产生轴向剩磁;新结构中将脉冲电流输出端移至 永磁体右端口处,此时脉冲电流仅流过永磁体覆盖部 分的波导丝,所以新结构能减小脉冲电流对输出电压 信号的影响. 磁致伸缩位移传感器的测量是将位移量转换为时 间量,位移与时间的对应关系是线性的且其比例系数 为回波速度 v( v = G/ 籽,其中 G 为波导丝的剪切模 量;籽 为波导丝的密度). 波导丝一旦确定,其剪切模 量和密度也就确定了,但是波导丝的剪切模量和密度 都受到环境温度的影响,在分辨率和精度要求不高或 环境温度与常温相差不大的情况下,可认为回波速度 是恒定的,但位移传感器分辨率和精确度要求高或环 境温度与常温相差较大的情况下则需对应力波的回波 速度进行修正. 新结构的传感器其永磁体固定在波导 丝头部,校正线圈固定在波导丝尾部,故可测量出两者 之间的位移 l 1 ,由校正线圈输出的检测信号可得到应 力波在永磁体与校正线圈之间的传播时间 t 1 ,故根据 v = l 1 / t 1 可实现回波速度的实时校正. 2 实验结果与分析 本实验采用的波导丝材料是 Fe鄄鄄Ga. 稳压电源为 信号处理电路提供稳定电压,可调电源用来调节激励 脉冲的幅值. 采用 TFG6920A 函数任意波形发生器及 放大电路产生脉冲电流. 采用 DPO3014 型四通道示 波采集和显示电压信号. 将波导丝固定在铁氟龙塑料 管内,波导丝两端用螺丝固定在传感器两端(保证波 导丝无弯曲). 永磁体为钕铁硼磁环,其内径和外径分 别为 15 mm 和 20 mm. 阻尼器安装在波导丝两端. 检 测线圈采用线径 0郾 06 mm 的细铜导线绕制而成,其匝 数为 600 匝,绕制层数 3 层. 信号发生器产生的脉冲 电流频率设定为 1000 Hz、宽度 7 滋s、高电平 20 V. 示波 器最高采样频率为 2郾 5 伊 10 9 s - 1 ,采用两通道,通道 1 采集检测线圈输出的电压信号,通道 2 采集回路的电 压信号,示波器的采样周期设定为 0郾 04 滋s,采样点数 10000 点. 搭建的实验平台如图 4 所示. 图 4 磁致伸缩位移传感器的实验平台 Fig. 4 Experimental platform of the MDS 2郾 1 传感器输出电压的数值计算 在图 4 的实验平台上,按照图 3 所示的电气原理 图搭建传感器系统. 由文献[19]各参数如下, 检测线 圈参数:N = 600,S = 15郾 89 mm 2 ;铁稼 Fe83Ga17波导丝的 参数: R = 0郾 5 mm,L = 500 mm,E = 57 MPa,籽 = 7郾 6 g· cm - 3 ,自 = 0郾 2,准m = 1 Wb,ur = 85,Ms = 60 kA·m - 1 ,琢 = 7012 A·m - 1 ,a = - 0郾 051,c = 0郾 18,姿 = 0郾 9268 A·m - 1 . 当永磁体提供的外磁场 Hx 为 3郾 5 kA·m - 1 时,传感器 输出电压与激励磁场的关系如图 5 所示. 从图 5 可知,当激励磁场较小时,输出的电压较 小,但较小的激励磁场增加会产生较大的电压增加;当 ·1235·