謝新良,張露予,王博文,管紅立

(河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室,天津 300130)

Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器驅(qū)動電流位置調(diào)整與回波速度校正*

謝新良,張露予,王博文*,管紅立

(河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室,天津 300130)

通過對傳統(tǒng)Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器驅(qū)動脈沖電流輸入端位置的改進,降低了驅(qū)動脈沖電流噪聲對檢測線圈輸出電壓的影響,并使檢測線圈輸出電壓信噪比由15.5 dB提高至23.7 dB?；趹Σo阻尼反射原理提出一種新的回波速度校正法,確立了回波速度與波導絲長度、應力波傳播時間、反射波傳播時間的數(shù)學關(guān)系,并給出此表達式適用的驅(qū)動脈沖電流頻率范圍。制作了樣機,通過實驗驗證了此方法最大位移測量誤差減小到原來的1/5,為Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器輸出性能研究提供了理論依據(jù)。

磁致伸縮位移傳感器;結(jié)構(gòu);回波速度;信噪比;無阻尼反射

磁致伸縮位移傳感器MDS(Magnetostrictive Displacement Sensor)因精確度高、安全性好、易于安裝和維護且能實現(xiàn)多參數(shù)測量、具有非接觸性等優(yōu)點,廣泛應用于機器人、超精密儀器、機械自動化過程等領(lǐng)域[1-5]。傳統(tǒng)磁致伸縮位移傳感器都是將驅(qū)動脈沖電流輸入端加在波導絲最前端[6-12],驅(qū)動脈沖電流會流過整段波導絲,致使檢測線圈輸出的電壓信號受驅(qū)動脈沖電流噪聲的影響較大,目前沒有文章對此問題展開研究。

回波速度是影響傳感器測量準確度的關(guān)鍵因素,溫度變化較大時需對其進行校正。文獻[10]提出在波導絲底部安裝固定磁鐵以實現(xiàn)回波速度校正;文獻[11]采用雙輔助磁鐵對回波速度校正。但引入輔助磁鐵會降低電壓信號的信噪比、產(chǎn)生測量盲區(qū)、減小傳感器的有效量程。文獻[12]采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行多次擬合,通過誤差評判標準選定逼近程度最好的擬合曲線方程作為傳感器的校正方程,其精度得到提高,但是需進行大量的高精度測量實驗,且不同材料和不同尺寸波導絲的最小二乘擬合方程差異較大,擬合過程繁瑣,其應用范圍受到限制。

基于上述問題,本文提出將Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器的驅(qū)動脈沖電流輸入端移至檢測線圈右端口處,并設(shè)計實驗驗證了此方案的有效性和合理性。提出了一種基于應力波無阻尼反射的回波速度校正法,通過理論推導和實驗研究驗證了此方法的正確性和有效性。

1 驅(qū)動脈沖電流位置調(diào)整

磁致伸縮位移傳感器主要由波導絲、永磁體、檢測線圈、信號處理單元、阻尼、脈沖發(fā)生器及放大電路等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磁致伸縮位移傳感器結(jié)構(gòu)

磁致伸縮位移傳感器的原理是基于磁致伸縮材料的魏德曼效應和磁致伸縮逆效應[13]。其工作原理是永磁體產(chǎn)生的軸向偏置磁場和驅(qū)動脈沖電流產(chǎn)生的周向激勵磁場合成一個螺旋磁場[6],使得波導絲內(nèi)的磁疇發(fā)生局部瞬時扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一個應力波,應力波以一個恒定速度向波導絲兩端傳播,當傳播到檢測線圈時,在磁致伸縮逆效應的作用下,波導絲內(nèi)機械應力的改變導致磁感應強度發(fā)生變化[14],根據(jù)電磁感應定律可知此時檢測線圈兩端有電壓輸出。

由圖1知,傳統(tǒng)磁致伸縮位移傳感器的驅(qū)動脈沖電流流過整段波導絲,檢測線圈位于波導絲最左端,其既能檢測到應力波產(chǎn)生的磁通變化,也能檢測到波導絲內(nèi)驅(qū)動脈沖電流波動引起的磁通變化,根據(jù)法拉第電磁感應定律,檢測線圈輸出的電壓如式(1)。

(1)

式中:e為檢測電壓;φ為磁通量;N為檢測線圈的匝數(shù);S為檢測線圈的等效橫截面積;B1為應力波產(chǎn)生的磁感應強度;B2為脈沖電流產(chǎn)生的磁感應強度。

根據(jù)文獻[15],應力波產(chǎn)生的磁感應強度B1如式(2),電流產(chǎn)生的磁感應強度B2如式(3)。

B1=4πurλ(?u/?x)

(2)

B2=u0I/(2πR)

(3)

式中,ur為相對磁導率;λ為角應變引起的磁場變化率;?u/?x為角應變;I為電流;R為檢測線圈的線輥半徑。

當驅(qū)動脈沖電流的上升沿和下降沿與應力波到達檢測線圈的時間錯開,此時由式(1)得到僅由應力波產(chǎn)生的電壓(此時脈沖電流為零,即B2=0)如式(4),僅由電流變化產(chǎn)生的電壓(此時應力波未傳播到檢測線圈,即B1=0)如式(5)。

(4)

(5)

磁致伸縮位移傳感器的測量原理表明,應力波產(chǎn)生的電壓信號e1為檢測線圈輸出的有效信號,驅(qū)動脈沖電流產(chǎn)生的電壓信號e2為噪聲信號。傳感器工作時,檢測線圈輸出的電壓信號送到信號處理裝置,信號處理的目的是提取有效信號e1,去除噪聲信號e2,有效信號越大,噪聲信號越小,傳感器的精度越高。故驅(qū)動脈沖電流產(chǎn)生的噪聲信號直接影響磁致伸縮位移傳感器的精度,其噪聲主要來源于以下3個方面:①元器件產(chǎn)生的固有噪聲;②來源于電路本身設(shè)計或安裝工藝上的缺陷;③來源復雜的干擾噪聲如線路串擾噪聲,傳輸噪聲。

想要提高傳感器的測量精度,需減小e2或增大e1/e2比值。為此本文提出將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中位于檢測線圈左端口處的驅(qū)動脈沖電流輸入端移動到檢測線圈的右端口處,改進后結(jié)構(gòu)如圖2所示。此時,檢測線圈覆蓋部分的波導絲沒有驅(qū)動脈沖電流流過,所以檢測線圈輸出的電壓中不含驅(qū)動脈沖電流波動引起的噪聲電壓e2,檢測線圈輸出電壓如式(4),避免了驅(qū)動脈沖電流噪聲對檢測線圈輸出電壓信號的干擾。

圖2 驅(qū)動脈沖電流位置調(diào)整

2 回波速度校正

傳統(tǒng)位移傳感器在測量時認為環(huán)境溫度與常溫相差較小時,回波速度為常數(shù)[1-9],其測量原理圖如圖3所示。只需測量永磁體位置處的應力波向左傳播到檢測線圈的時間tLx,經(jīng)式(6)可計算永磁體與檢測線圈間的位移Lx,其中v為回波速度(應力波傳播速度)。圖3中L為波導絲長;eL為應力波產(chǎn)生后向左傳播通過檢測線圈時輸出的電壓信號。

Lx=v·tLx

(6)

圖3 傳統(tǒng)測量方法

要實現(xiàn)回波速度的校正,需測出應力波在某段已知位移的傳播時間,根據(jù)式(6)實現(xiàn)回波速度的校正,傳統(tǒng)位移測量方法無法滿足這一要求。本文提出去除波導絲右端的阻尼(原理見圖4),致使向右傳播的應力波在波導絲右端發(fā)生無阻尼反射后傳播到檢測線圈時輸出電壓信號eR,其傳播時間為t(2L-Lx)。

圖4 應力波無阻尼反射

圖5 無阻尼反射的輸出電壓波形

從圖4中可知,無論永磁體在波導絲什么位置處,永磁體處產(chǎn)生的應力波向左傳播到檢測線圈的位移與向右傳播并在右端發(fā)生反射后傳播到檢測線圈的位移之和總是2L,所以要想實現(xiàn)回波速度的校正,則需測量出tLx、t(2L-Lx)。圖5示出了此時檢測線圈輸出的波形。

由圖5可得:①由于波導絲右端無阻尼、左端有阻尼,所以驅(qū)動脈沖電流輸入波導絲后檢測線圈輸出的電壓信號只有兩個峰值;②應力波在末端發(fā)生反射時會產(chǎn)生一定的衰減,所以電壓信號的第1個峰值比第2個峰值幅值高;③電流的速度遠大于應力波的傳播速度,即脈沖電流與應力波的產(chǎn)生是同一時刻,所以兩個電壓峰值時刻與脈沖電流之間的時間分別為應力波傳播Lx和2L-Lx的時間。

根據(jù)式(6)和式(7)可確立回波速度v與波導絲長度、應力波傳播時間、反射波傳播時間的數(shù)學關(guān)系如式(8)所示。

2L-Lx=v·t(2L-Lx)

(7)

v=2L/(tLx+t(2L-Lx))

(8)

式(8)表明只要測量出波導絲的長度、應力波傳播時間、反射波傳播時間,就可實現(xiàn)回波速度校正。

將校正后的回波速度代入到式(6)中,得回波速度校正后位移Lx的表達式,如式(9),即被測位移量與波導絲長度、應力波傳播時間、反射波傳播時間的關(guān)系。當傳感器所處環(huán)境溫度改變引起回波速度變化時,式(8)可實現(xiàn)實時對回波速度進行校正,由式(9)計算位移Lx時不受回波速度變化的影響。

(9)

磁致伸縮位移傳感器采用驅(qū)動脈沖電流來產(chǎn)生周向激勵磁場,為避免反射波與下一個驅(qū)動脈沖電流產(chǎn)生的應力波發(fā)生重疊,影響t(2L-Lx)的準確測量,驅(qū)動脈沖電流頻率f應滿足式(10)。實驗用到的波導絲長500mm,測得常溫下應力波的傳播速度約為2 777m/s,所以在常溫下驅(qū)動脈沖電流頻率不能超過2 777Hz。

1/f>2L/v

(10)

基于應力波無阻尼反射的回波速度校正法,克服了引入輔助磁鐵帶來測量范圍減小和輸出信號信噪比降低的缺點,避免了基于最小二乘擬合法需要大量高精度測量實驗和對于不同材料或不同尺寸的波導絲需重新擬合的問題。

3 實驗結(jié)果分析

采用課題組設(shè)計的樣機[16](按照前文所述方法加載脈沖電流)進行了實驗,實驗中采用的波導絲為Fe-Ga材料,電源為穩(wěn)壓電源和可調(diào)電源,采用TFG6920A型信號發(fā)生器,電壓信號的采集顯示裝置為DPO3014型的四通道示波器,其時間分辨率能夠達到0.4ns。脈沖頻率設(shè)置為200Hz,寬度為7μs,高電平為20V,波導絲半徑為0.25mm,波導絲長500mm,檢測線圈匝數(shù)為600,線徑為0.06mm,單匝線圈面積15.89mm2。

3.1 驅(qū)動脈沖電流位置調(diào)整前后輸出電壓對比

課題組研究結(jié)果表明采用周向激勵磁場與軸向偏置磁場相等且磁場強度均為3kA/m,可獲得較大的電壓信號[5-6,16],本實驗仍采用上述方式加載磁場。驅(qū)動脈沖電流輸入端位置變化前后輸出的電壓信號如圖6所示。

圖7 永磁體在不同位置時的輸出電壓波形

圖6 驅(qū)動脈沖電流位置調(diào)整前后的電壓波形

實驗結(jié)果表明:①由于波導絲材料的磁導率較大,檢測線圈輸出的電壓信號會受到脈沖電流產(chǎn)生磁場的影響,但從脈沖電流產(chǎn)生的感應電壓幅值減小可知,將脈沖電流輸入端移動到檢測線圈右端口后,檢測線圈受到脈沖電流影響減小;②驅(qū)動脈沖電流輸入端位置變化時,應力波產(chǎn)生的電壓波形基本一致,表現(xiàn)在應力波產(chǎn)生的電壓峰值、相位相同,但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸出電壓信號的毛刺(雜波)較多,這是由檢測線圈覆蓋部分的波導絲有驅(qū)動脈沖電流流過造成的。

信號的信噪比計算公式如式(11),vs和vn分別代表有效信號和噪聲信號電壓的有效值,算得傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信噪比為15.5dB,將脈沖電流輸入端移至檢測線圈右端口處,信噪比提高到23.7dB,故信噪比明顯提高。

SNR=20lg(vs/vn)

(11)

3.2 回波速度校正實驗

永磁體在不同位置時,檢測線圈輸出的電壓信號如圖7所示。電壓波形中存在兩個峰值與理論分析一致,但第1個峰值大于第2個峰值,主要與應力波反射時產(chǎn)生了一定的衰減有關(guān)。其中,檢測線圈輸出的第1個峰值電壓是由永磁體處的應力波向左傳播時產(chǎn)生的,第2個峰值電壓是由永磁體處的應力波向右傳播經(jīng)右端無阻尼反射后產(chǎn)生的。

當永磁體緩慢地向檢測線圈方向移動(位移Lx逐漸減小),檢測線圈輸出電壓信號的第1個峰值向左移動,第2個峰值向右移動,但是兩者的時間之和不變?yōu)?60μs。在應力波傳播速度不知道的前提下,由式(9)可計算位移。實驗之前的回波速度為2 777.2m/s,此時測量結(jié)果的最大誤差達0.07mm,由式(8)校正后的回波速度為2 777.8m/s,此時最大誤差為0.013mm,所以校正后的最大測量誤差約減小到原來的1/5。

永磁體在位移為340.28mm時,不同環(huán)境溫度下檢測線圈輸出的電壓信號如圖8所示。永磁體在波導絲上固定不動,溫度變化改變了應力波的傳播速度,所以時間tLx和t(2L-Lx)將改變。由圖中數(shù)據(jù)可得:當溫度變化時,未對回波速度校正時,回波速度取2 777.2m/s,此時最大測量誤差達0.13mm,由式(8)對回波速度進行實時校正,利用式(9)計算位移時,最大測量誤差降低到0.02mm,所以此方法可以對回波速度進行準確、有效的校正。

圖8 永磁體位置不變時不同溫度下的電壓波形

4 結(jié)束語

①對傳統(tǒng)Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器驅(qū)動脈沖電流輸入端位置進行了改進,降低了驅(qū)動脈沖電流噪聲對檢測線圈輸出電壓的影響,并使檢測線圈輸出電壓信噪比由15.5dB提高至23.7dB。

②基于應力波無阻尼反射原理提出一種新的回波速度校正法,確立了回波速度與波導絲長度、應力波傳播時間、反射波傳播時間的數(shù)學關(guān)系,并給出此表達式適用的驅(qū)動脈沖電流頻率范圍。

③制作了樣機,并通過實驗驗證了基于應力波無阻尼反射的回波速度校正法的有效性,可使最大位移測量誤差減小到原來的1/5。

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Adjustment of Drive Current Position and Correction of Echo Wave Speed of the Fe-Ga Magnetostrictive Displacement Sensor*

XIEXinliang,ZHANGLuyu,WANGBowen*,GUANHongli

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability,Hebei University of Technology,Tianjin 300130 China)

The input position of the drive pulse current in traditional Fe-Ga magnetostrictive displacement sensor is improved to reduce the effect of noise from the driving pulse current to the output voltage of detection coil. And the SNR of the output voltage is increased from 15.5 dB to 23.7 dB. A new method which is based on the principle of the stress wave is reflected undamped to correct the echo velocity. It establishes the mathematical relationship between the echo velocity,waveguide length of wire,the stress wave propagation time and the reflected wave propagation time. Moreover,the range of drive pulse current frequency has been given by this method. Based on the experimental results,a new type of Fe-Ga magnetostirctive displacement sensor is fabricated and it performs well. The experimental results verify that the maximum measurement error is reduced to 1/5 of the traditional ones. They provide important theoretical guidance in improving the output performance of Fe-Ga Magnetostrictive displacement sensor.

magnetostrictive displacement sensor;structure;echo velocity;SNR;undamped-reflection

謝新良(1993-),男,江西吉安人,碩士研究生,主要研究方向為磁致伸縮位移傳感器及其應用xiexinliang1993@163.com;張露予(1989-),女,河北廊坊人,博士研究生,主要研究方向為磁致伸縮位移傳感器理論與建模分析zhangluyu2011@163.com; 王博文(1956-),男,遼寧沈陽人,教授,博士生導師,主要研究方向為新型磁性材料與器件xxlsunday@126.com。

項目來源:國家自然科學基金項目(51171057);河北省高等學校創(chuàng)新團隊領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計劃(LJRC003)

2016-06-05 修改日期:2016-08-22

TP212.12

A

1004-1699(2017)01-0109-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.01.020