磁致伸缩位移传感器

对磁致伸缩位移传感器的研制进行了分析，
    研制中涉及的关键技术有：  

   （1）大电流周期激发电路的设计；  

   （2）微弱信号的检测、信号的滤波、放大、电压比较、峰值检验波、电压限幅等一系列电路的设计；  

   （3）基于单片机的高精度时间量测量。技术要求：测量范围0～8cm，精度0.1mm。测量范围不是很大，主要是受到实验所用波导钢丝本身长度的限制。

   1 位移传感器的原理

   磁致旋转波位移传感器，如图1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部件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间隔为T的激励脉冲电流ie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Widemanm效应，金属随其瞬间变形产生波导扭曲，使波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为波导管密度。

   由于G和ρ均为恒定（对于一定的波导管来说）的，所以传播速度也恒定。经过计算该旋转波沿着波导钢丝以2800m/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波检测器之间的距离。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MCS51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间。

   (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±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：el为非线性误差（线性度）；△max为*大非线性**误差；YFS为输出满量程。

   从图3可知，采用*小二乘法拟合直线的斜率为0.992，直线方程为Y= 0.15784＋0.992X，因此在0~80mm范围内的线性度为0.387％。

   3.2传感器迟滞

   将螺旋测微器在传感器的正反两个方向量程内来回移动，测量范围为0～80mm，测到的数据如图4。其中有正向测量和反向测量数值（每隔5mm测量1次），以及正反方向测量的差值△H。

   由迟滞误差公式

   式中△Hmax为正反行程输出*大差值。

   从图4知，△Hmax=0.41，而rH＝0.256％。

   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0～80mm满量程的重复性误差指标el=±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±0.056mm，传感器LCD显示值改变±0.056mm。

   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31.62，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℃和室外温度为1℃测量，读数变化为0.06 m，即温度稳定性误差为0.06 mm。

   3.4.3测试系统灵敏度

   移动螺旋测微器0.05mm，测到传感器LCD屏上变化0.056mm，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0.387%，迟滞误差为0.256%，重复性误差为±0.287%,分辨力为0.056mm。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。

   4结束语

在搭建的平台上对磁致伸缩位移传感器进行了进一步的误差分析。误差主要还是在传感器的一些性能指标上。磁致伸缩传感器的主体部分及位置磁铁开发与研制，经实验测试，结果理想，位置磁铁在传感器不同的位置都有一不同的信号反＿映。信号处理电路中占空比可调的脉冲激发控制信号电路部分设计，经实际的电路调试结果理想。脉冲激发电路用不同方案设计并综合考虑到实际电路实现，在ORCAD上模拟效果理想。进一步提高精度有几种方案。比如用DSP芯片来测量位移。40MHz的TMS320LF2407型DSP芯片，时钟周期t=1/40M=25ns,DSP无需分频，则位移分辨率为70μm,也可以用复杂可编程逻辑器件（CPLD），它具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点，CPLD可实现系统编程，而且能重复多次，使用CPLD器件进行开发，不仅可以提高系统的集成化程度、可靠性和可扩充性，而且还可大大缩短产品的设计周期。磁致伸缩位移传感器技术必将广泛应用于我国的各项工业领域。