磁致伸缩传感器的研制

1 位移传感器的原理

  如图l 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音I~ 件A 上，而传感器主体则装在一个固定的部件B 上。

  传感器工作时，电子信号和处理系统发给磁致波导钢丝问隔为T 的激励脉冲电流i e 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lVidemanm 效应，金属随其瞬间变形产生波导扭曲，便被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:ρ 为被导管密度。
  由于G 和ρ 均为恒定(对于一定的被导管来说〉的，所以传播速度也恒定。经过计算该旋转波沿着被导钢丝以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被检测器之间的距离。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MCS5 1 微型计算机处理。数字信号处理系统如图2 所示。

(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。
(2) 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。
(3) 对放大后的位置脉冲信号进行零位或峰值检波，以便确定位置脉冲信号从位置磁铁传到检测线圈的时问。
(4) 时间测量和信号处理(数字或模拟信号处理) 。
(5) 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0'"'"' 80mm 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 。

线性度的指标公式为

式中: e1 为非线性误差(线性度) ; 6rnax 为最大非线性绝对误差; YFS 为输出满量程。

  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 =O. 15784+0. 992X ，因此在0~80 mrn 范围内的线性度为O . 387% 。

  3. 2 传感器迟滞
  将螺旋测微器在传感器的正反两个方向;虽;程内来回移动， 测量范围为0'"'"' 8 Omrn ， 测到的数据如图4。其中有正向测量和反向测量数值(每隔5rnrn测量1 次) ，以及正反方向测量的差值6H 。

由迟滞误差公式

  式中6Hmax 为正反行程输出最大差值。
  从图4 知， 6Hmax=O. 41 ， 而r H=O. 256% 。
  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0 ---- 80rnm 满量程的重复性误差指标e1= + 0.287% . 。

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， 移动螺旋测微器土0.0 56mm，传感器LC D 显示值改变土O . 056mm 。
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, 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3 1. 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 0C 和室外温度为1 oC 测量，读数变化为0 .06 m，即温度稳定性误差为0. 06 mmo
3 . 4 . 3 测试系统灵敏皮
  移动螺旋测微器0.0 5则， 测到传感器LCD 屏上变化O. 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O. 387% ， 迟滞误差为0 . 256% ， 重复性误差为土O. 287%，分辨力为0.0 56mm 。磁致伸缩位移传感器的自身精度很高，理论可以达到μm 级，现在实际分辨力只有0 . 056mm。