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磁致伸縮式扭轉(zhuǎn)超聲波位移傳感器是一種以扭轉(zhuǎn)超聲波作為傳播媒質(zhì)的磁致伸縮式傳感器。這種位移傳感器安裝很簡單、方便 ,能承受高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境。最重要的一點是它具有其他位移傳感器所不能達到的測量大位移、高精度的特點。該傳感器已在國外如石油、化工、紡織、輕工、冶金、電力、醫(yī)藥、食品、國防等部門 ,特別是已廣泛用于易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的場合得到了廣泛的應(yīng)用 ,但在國內(nèi)設(shè)計和應(yīng)用都比較少。參考國外技術(shù)的先進經(jīng)驗 ,研究磁致伸縮扭轉(zhuǎn)超聲波的產(chǎn)生機制及應(yīng)用原理 ,設(shè)計和研制成一套達到一定精度要求的位移測量裝置。

1、磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波位移傳感器工作原理

磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波位移傳感器是利用磁致伸縮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進行工作的。磁致伸縮是指 ,當(dāng)鐵磁材料置于磁場中時 ,它的幾何尺寸會發(fā)生變化的現(xiàn)象。相反 ,極化了的鐵磁棒發(fā)生形變時 ,會在棒內(nèi)引起磁場強度的變化 ,這種效應(yīng)就是磁致伸縮逆效應(yīng)。通常利用磁致伸縮效應(yīng)引發(fā)磁致伸縮材料的機械振動 ,向周圍介質(zhì)發(fā)射超聲波 ,利用逆效應(yīng)通過接收線圈就可接收該超聲信號。在磁致伸縮材料中激發(fā)扭轉(zhuǎn)波有3種模式：Scarrott - Naylor模式轉(zhuǎn)換、Wiedeman效應(yīng)和 Fowler效應(yīng)。Scarrott - Naylor 效應(yīng)是利用波形之間的轉(zhuǎn)換達到目的 ,如縱波型向扭轉(zhuǎn)型的轉(zhuǎn)換；Fowler效應(yīng)是通過沿軸向扭轉(zhuǎn)極化了磁致伸縮絲產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。磁致伸縮換能器通過Wiedeman效應(yīng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波。其機理是，如果在圓柱形磁致伸縮材料中 ,既有沿長度方向即圓柱軸方向的磁感應(yīng)強度 ,又有繞軸的圓形磁場 ,那么合成的磁感應(yīng)強度將是螺旋形的 ,而沿螺旋形的伸縮會激發(fā)扭轉(zhuǎn)波。

基于 Wiedeman 效應(yīng) ,磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波位移傳感器的工作原理就是使兩個不同磁場相交產(chǎn)生磁致伸縮扭轉(zhuǎn)效應(yīng) ,發(fā)射扭轉(zhuǎn)波 ,再利用磁致伸縮逆效應(yīng)接收該信號。計算這個信號被探測所需的時間 ,便能換算出準確地位置。

兩個磁場一個來自傳感器外面的活動磁鐵 ,另一個則源自傳感器內(nèi)波導(dǎo)絲中的電流脈沖。電流脈沖是傳感器的固有電子部件產(chǎn)生的 ,使磁致伸縮絲周圍產(chǎn)生一個磁場。這個磁場與活動的磁性元件磁場矢量相加形成一個螺旋形磁場 ,從而使波導(dǎo)管發(fā)生扭曲并產(chǎn)生的一個應(yīng)變脈沖。這個脈沖會以聲速運行回電子部件的感測線圈。從產(chǎn)生電流脈沖的一刻到測回應(yīng)變脈沖所需的時間乘以固定聲速 ,便能準確地算出磁鐵位置的變動。這是活動磁鐵的位置變化。這個過程是連續(xù)不斷的 ,所以每當(dāng)活動磁鐵被移動時 ,新的位置很快就會被感測出來。當(dāng)然 ,由于傳感元件都是非接觸的 ,就算感測過程是不斷重復(fù)的 ,也不會對傳感器造成任何磨損。

磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波位移傳感器的位置計算環(huán)節(jié)非常簡單 ,將所測量的時差乘以磁致伸縮絲上扭轉(zhuǎn)波的傳播速度。位置=時差×扭轉(zhuǎn)波傳播速度-零點位置(零點位置為零區(qū)與死區(qū)之和)由于磁致伸縮材料采用圓形截面絲，根據(jù)Pochhammer 的三維彈性理論，扭轉(zhuǎn)波在圓截面桿中的傳播形式是關(guān)于圓柱中心軸對稱的 ,其扭轉(zhuǎn)波速ct=(G/ρ)1/2式中：G為磁致伸縮材料的切變模量；ρ為磁致伸縮材料的密度值。

傳感器的更新頻率對伺服控制機械的應(yīng)用非常重要。因為磁鐵距離傳感器的電子零件越遠 ,音波所需行走時間越長 ,所以傳感器的更新時間與距離成正比。另外 ,循環(huán)電子所需更新時間也比一般的長。傳感器最長更新時間可用下式作粗略計算 :更新時間 = (位置 + 零點位置) / 扭轉(zhuǎn)波傳播速度等價頻率 = 1/ 更新時間

2、磁致伸縮位移傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

該位移傳感器由兩部分組成：一部分是套有活動磁鐵的測量桿；另一部分是位于測量桿上端的測量電路。傳感器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計包括測量桿與活動磁鐵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳感器殼體的設(shè)計以及殼體與測量桿的聯(lián)結(jié)。

如果位移傳感器用作液位計，測量桿應(yīng)選用防腐材料制成 ,如被測介質(zhì)為強腐蝕物料時 ,還可在測量桿外套上保護套。測量桿外保護套的材料可依據(jù)需要選擇，常用的有Teflon及哈氏合金等。在測量桿內(nèi)有一根磁致伸縮材料制成的波導(dǎo)絲 ,其溫度穩(wěn)定性極佳。因為要讓波導(dǎo)絲通電 ,以產(chǎn)生磁場 ,所以所選材料應(yīng)具導(dǎo)電性?；顒哟盆F外包有薄的鐵皮外殼。磁鐵外殼與測量桿間應(yīng)有一定間隙以保證磁鐵的活動。傳感器殼體內(nèi)部裝有電子元件，如線圈、壓板、硬件電路等。傳感器殼體可用鑄鋁鑄造而成。表面涂銹并涂漆 ,以防腐蝕。殼體與測量桿可通過管連接件聯(lián)接。由于焊接具有強度高、容易保證緊密性、工藝簡單、操作簡便、重量輕等優(yōu)點 ,而該傳感器具有非接觸測量、磨損小、壽命長的特點 ,所以測量桿與管連接件之間可選用不可拆的焊接來聯(lián)接。殼體與管連接件之間用螺紋聯(lián)接 ,便于電子傳感器的拆卸、維修與更換。

3、磁致伸縮位移傳感器的測量電路的設(shè)計

時差的測量是計算位置精度的關(guān)鍵。計時功能的實現(xiàn)是要保證在詢問脈沖開始時計時 ,而在接收到回波信號后停止計時。電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展為精確測時提供了大量高性能、小體積的器件和眾多算法 ,利用現(xiàn)代計算機技術(shù)及電子技術(shù)，可對脈沖聲波的傳播時間進行精確測量。通常采用數(shù)字電路容易達到低噪音和高精度的特點。電子電路由外置控制器提供觸發(fā)信號 ,傳感器電子接收電路產(chǎn)生一個開始和停止信號 ,周期正好與活動磁鐵位置成正比?；蚴遣捎妹}寬調(diào)制的方法 ,調(diào)制后的脈寬與磁鐵位置成正比。

磁致伸縮位移傳感器電路部分的設(shè)計包括脈沖激發(fā)電路 ,信號放大電路 ,過零檢測電路 ,計時電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路。脈沖激發(fā)電路由TTL非門組成振蕩器或由微處理器編程產(chǎn)生周期性窄脈沖矩形波 ,控制MOS場效應(yīng)晶體管向傳感器線圈提供脈沖電流 ,使線圈產(chǎn)生的脈沖磁場與磁致伸縮敏感元件的恒定磁場相互作用在傳感器的磁致伸縮敏感元件中激發(fā)扭轉(zhuǎn)超聲脈沖 ,電路產(chǎn)生的周期性窄脈沖矩形波的周期應(yīng)大于超聲脈沖在試樣中的傳播時間。

放大電路為電壓放大器 ,采用集成運算放大器構(gòu)成 ,由于線圈拾取回波信號的感應(yīng)電動勢較大，所以采用兩級放大即可。放大后的信號送入過零檢測電路 ,檢測出回波脈沖的到達時刻 ,控制計數(shù)電路記錄觸發(fā)脈沖和回波脈沖的時間間隔。過零檢測電路的輸出對D觸發(fā)器進行控制 ,以產(chǎn)生計數(shù)門控信號。計數(shù)脈沖由精密石英晶體振蕩電路產(chǎn)生，計數(shù)脈沖信號和門控信號進行“邏輯與”運算后輸入計數(shù)器對兩脈沖的時間間隔進行計數(shù)。計數(shù)脈沖頻率越高 ,聲時測量的分辨率越高。通過TLC2543對5路液位進行采集。由于在工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣，干擾源多，為了減少對采樣值的干擾 ,提高采樣信號的可靠性，采用數(shù)字濾波。為防止噪聲對檢測信號的影響 ,這里采用展寬頻帶的信號處理方法。具體方法如下：延長A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后的等待時間 ,使相鄰兩個采樣點之間的時間間隔足夠長(如一個信號周期的1/4)?？杀ＷC在信號的一個周期內(nèi) ,采樣點不至于太多而很快占滿內(nèi)存，使有限的存儲器空間容納盡可能多的被測信號周期 ,以實現(xiàn)多點平均的目的。采用軟件控制采樣點選擇的方式 ,每隔一定間隔取一個樣點。設(shè)在信號的一個周期內(nèi)每隔n1個采樣點數(shù)采樣一次 ,共采了n2個樣點 ,則信號的頻率為f=1/(n1 n2Δt)A/D轉(zhuǎn)換電路對線圈接收的回波信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器的最高采樣頻率和轉(zhuǎn)換位數(shù)對測時準確性和測量范圍有影響 ,因此應(yīng)根據(jù)回波脈沖頻率 ,和每一脈沖波形的采樣點數(shù)選擇不同頻率和位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器。由于回波脈沖的頻率一般在 500kHz以下 ,考慮每一脈沖波形的采樣點數(shù)不少于10個并保證較高的幅值分辨力 ,選用采樣頻率為 5MHz的12位A/D轉(zhuǎn)換器。因為電流抗干擾能力強 ,適于遠距離傳輸 ,是過程控制常用的輸出方式。所以可選用電壓/電流轉(zhuǎn)換接口電路芯片保證電流的輸出。

4、磁致伸縮位移傳感器性能

磁致伸縮位移傳感器的精度極高。國外制造的同類產(chǎn)品 ,其重復(fù)性和分辨率最高可達到2μm，非線性誤差最高為0102%F1S1 ,其遲滯誤差小于4μm。 本設(shè)計采用 12MHz時鐘 ,經(jīng)分頻后 ,對5m的量程范圍 ,其分辨率達0105mm.由于電子部件可探測由同一觸發(fā)脈沖所產(chǎn)生的連續(xù)回波信號 ,所以在同一傳感器上可裝配多個活動磁鐵以檢測不同位置或不同參數(shù)。這樣做省去了采用多個傳感器所造成的成本浪費。

傳感器所需電量非常低 ,適于在易燃易爆的環(huán)境下使用。同時 ,由于磁致伸縮材料具有耐高溫高壓的特點 ,再配以能承受高壓的外管保護 ,該傳感器也能用于高溫高壓以及核輻射等惡劣環(huán)境下。即使被檢測對象的溫度高于傳感器的額定溫度時 ,可以使用一根長的細金屬絲作為波導(dǎo)管 ,將聲波或其他信號傳到距離被測對象比較遠、傳感器能可靠工作的固定位置。

5、結(jié) 論

磁致伸縮技術(shù)在國外已獲得了廣泛的應(yīng)用 ,并已形成技術(shù)壟斷。但在國內(nèi) ,對于磁致伸縮理論的研究就非常少 ,而對磁致伸縮技術(shù)的應(yīng)用也未得到足夠的重視。介紹的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波位移傳感器性能優(yōu)越 ,性價比合理 ,應(yīng)該得到國內(nèi)廣泛的應(yīng)用 ,并形成對磁致伸縮原理及技術(shù)的廣泛關(guān)注。