·1236· 工程科学学报，第39卷，第8期 形 传统结构的输出电压 100 70 维” 脉冲电流产生的 应力波产生的 反射波产生的 60 0 250 实验值 0 利磁产生的 40 -100上 渠30 0 100 200 300 400 时间s 新结构的输出电压 100F 10 4 6 激励磁场依A·m) 0 图5传感器的输出电压与激励磁场关系 -100 Fig.5 Output voltage vs.the excitation magnetic field 100 200 300 400 时间小s 激励磁场与外加磁场接近时，输出电压接近饱和，此时 图6磁致伸缩位移传感器的检测电压波形 输出电压随激励磁场的增加变化较小.由图5中的计 Fig.6 Detected voltage waveform of the MDS 算值与实验值，可见实验结果与计算结果基本吻合 2.2检测信号的数值计算 60 ◆一传统结构 一新结构 当外磁场与周向磁场相等，且都为3.5kA·m 40 时，图6分别为实验测得传统结构和新结构输出的电 压波形.传统结构输出的电压波形中杂波含量较多. 20 输出的电压信号由四部分产生的，分别是脉冲电流、应 0 力波、反射波和剩磁.应力波产生的电压幅值为53mV 时，由反射波产生的电压幅值达20mV,由剩磁产生的 电压幅值达6mV,所以传统结构的检测线圈输出电压 -40 信号信噪比低，影响传感器的精度.与传统结构输出 -60 的电压波形相比，新结构所含杂波明显减少，其表现 100 200300 400 500 位置mm 在：(1)输出的电压受到剩磁的影响显著减小：(2)输 图7位移迟滞曲线 出的电压信号受脉冲电流的影响减小：(3)输出的电 Fig.7 Curves of displacement hysteresis 压信号受到反射波的影响明显减小.因此新结构的传 感器能有效减小杂波信号的含量 效应会在位移测量中表现为位移迟滞，传统结构的位 信噪比是描述信号中有效信号与噪声信号的比 移迟滞曲线宽度达90μm.而新结构中磁滞回线明显 例，其值越大代表信号失真越少，其计算公式如式 减小，最大偏差为12μm.在新结构单次正或反行程 (12),其中P和Q分别表示有效信号和噪声信号的有 中，测量偏差在零附近波动，所以新结构的测量偏差的 效值，根据图6所得电压波形，得结构改进前后输出电 主要来源不是材料的磁滞效应，而是传感器的温漂和 压信号的信噪比分别为14.7dB和27.6dB,故电压信 系统误差带来的 号的信噪比SNR约提高了1倍. 2.4结构改进前后的性能测试实验 针对于磁致伸缩位移传感器的几个性能指标进行 SNR =20lg P (12) 实验，包括线性度实验、重复性实验和迟滞性实验，比 2.3位移迟滞实验 较结构改进前后的各项性能指标 对传统结构传感器的位移迟滞现象进行实验，将 传感器的线性度又称非线性误差，指传感器的输 永磁体缓慢地移动，每次移动位移50mm,正反行程重 入输出曲线与理论拟合直线的最大偏差与传感器满量 复实验两次，同理对新结构进行实验.所得结构改进 程输出之比.将永磁体（位置线圈）从同一方向上做全 前后的位移迟滞曲线如图7所示，实际位移用光学编 量程连续10次测试实验，并用最小二乘法线性拟合输 码器测定，其精确度可达2μm,图中的偏差指光学编 入量与输出量的特性曲线.由实验得传统结构的非线 码器测得的实际位移与传感器测得的位移之差 性误差Y1=0.05%,新结构的非线性误差Y2= 从图7可知：由于磁致伸缩材料磁化过程的磁滞 0.013%,新结构的非线性误差约降低为传统结构的工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 图 5 传感器的输出电压与激励磁场关系 Fig. 5 Output voltage vs. the excitation magnetic field 激励磁场与外加磁场接近时,输出电压接近饱和,此时 输出电压随激励磁场的增加变化较小. 由图 5 中的计 算值与实验值,可见实验结果与计算结果基本吻合. 2郾 2 检测信号的数值计算 当外磁场与周向磁场相等,且都为 3郾 5 kA·m - 1 时,图 6 分别为实验测得传统结构和新结构输出的电 压波形. 传统结构输出的电压波形中杂波含量较多. 输出的电压信号由四部分产生的,分别是脉冲电流、应 力波、反射波和剩磁. 应力波产生的电压幅值为 53 mV 时,由反射波产生的电压幅值达 20 mV,由剩磁产生的 电压幅值达 6 mV,所以传统结构的检测线圈输出电压 信号信噪比低,影响传感器的精度. 与传统结构输出 的电压波形相比,新结构所含杂波明显减少,其表现 在:(1)输出的电压受到剩磁的影响显著减小;(2)输 出的电压信号受脉冲电流的影响减小;(3) 输出的电 压信号受到反射波的影响明显减小. 因此新结构的传 感器能有效减小杂波信号的含量. 信噪比是描述信号中有效信号与噪声信号的比 例,其值越大代表信号失真越少,其计算公式如式 (12),其中 P 和 Q 分别表示有效信号和噪声信号的有 效值,根据图 6 所得电压波形,得结构改进前后输出电 压信号的信噪比分别为 14郾 7 dB 和 27郾 6 dB,故电压信 号的信噪比 SNR 约提高了 1 倍. SNR = 20lg ( P ) Q . (12) 2郾 3 位移迟滞实验 对传统结构传感器的位移迟滞现象进行实验,将 永磁体缓慢地移动,每次移动位移 50 mm,正反行程重 复实验两次,同理对新结构进行实验. 所得结构改进 前后的位移迟滞曲线如图 7 所示,实际位移用光学编 码器测定,其精确度可达 2 滋m,图中的偏差指光学编 码器测得的实际位移与传感器测得的位移之差. 从图 7 可知:由于磁致伸缩材料磁化过程的磁滞 图 6 磁致伸缩位移传感器的检测电压波形 Fig. 6 Detected voltage waveform of the MDS 图 7 位移迟滞曲线 Fig. 7 Curves of displacement hysteresis 效应会在位移测量中表现为位移迟滞,传统结构的位 移迟滞曲线宽度达 90 滋m. 而新结构中磁滞回线明显 减小,最大偏差为 12 滋m. 在新结构单次正或反行程 中,测量偏差在零附近波动,所以新结构的测量偏差的 主要来源不是材料的磁滞效应,而是传感器的温漂和 系统误差带来的. 2郾 4 结构改进前后的性能测试实验 针对于磁致伸缩位移传感器的几个性能指标进行 实验,包括线性度实验、重复性实验和迟滞性实验,比 较结构改进前后的各项性能指标. 传感器的线性度又称非线性误差,指传感器的输 入输出曲线与理论拟合直线的最大偏差与传感器满量 程输出之比. 将永磁体(位置线圈)从同一方向上做全 量程连续 10 次测试实验,并用最小二乘法线性拟合输 入量与输出量的特性曲线. 由实验得传统结构的非线 性误 差 酌1 = 0郾 05% , 新 结 构 的 非 线 性 误 差 酌2 = 0郾 013% ,新结构的非线性误差约降低为传统结构的 ·1236·