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近年來(lái)有學(xué)者對(duì)磁致伸縮傳感器的動(dòng)態(tài)模型和有限元模型進(jìn)行研究。然而，磁致伸縮波導(dǎo)絲的磁電特性研究目前卻鮮有報(bào)道，因此，本文采用自制的Fe57Ni43波導(dǎo)絲，綜合材料學(xué)、電磁學(xué)以及電子學(xué)對(duì)其進(jìn)行研究。波導(dǎo)絲的磁滯效應(yīng)對(duì)磁致伸縮傳感器具有很大影響。這是由于剩磁會(huì)使波導(dǎo)絲被磁化處同樣存在磁致伸縮現(xiàn)象，矯頑力與波導(dǎo)絲的滯后現(xiàn)象密切相關(guān)，飽和磁化強(qiáng)度影響著波導(dǎo)絲在磁場(chǎng)下的應(yīng)變。因此，剩磁、矯頑力、飽和磁化強(qiáng)度等磁滯特性對(duì)傳感器的精確性具有重要影響。這就要求波導(dǎo)絲必須具有良好的磁滯特性。Wiedemann效應(yīng)是磁致伸縮位移傳感器的核心。而波導(dǎo)絲的磁場(chǎng)特性直接決定著Wiedemann效應(yīng)的效果。由于波導(dǎo)絲的電磁特性很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)精確測(cè)出，因此，本文采用有限元仿真軟件ANSYS仿真模擬出材料的磁場(chǎng)特性，在電磁學(xué)上為其應(yīng)用于磁致伸縮位移傳感器提供理論參考。為了驗(yàn)證波導(dǎo)絲應(yīng)用于磁致伸縮位移傳感器的可行性和效果，本文通過(guò)構(gòu)建基于DSP的電子系統(tǒng)檢測(cè)回波信號(hào)，從電子學(xué)上為其提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1、MDS原理 

波導(dǎo)絲在激勵(lì)電流作用下產(chǎn)生的環(huán)形磁場(chǎng)Фi和永磁鐵產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場(chǎng)Фm相交時(shí)，便會(huì)瞬間合成一個(gè)螺旋形的扭轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Ф，根據(jù)磁致伸縮材料的Wiedemann效應(yīng)，波導(dǎo)絲將會(huì)產(chǎn)生瞬間形變，由此形成一個(gè)向兩端傳播的超聲波。當(dāng)接收線圈檢測(cè)到超聲波時(shí)，其磁通量強(qiáng)度B會(huì)因?yàn)槟娲胖律炜s效應(yīng)而發(fā)生相應(yīng)變化。根據(jù)Villari效應(yīng)，在檢測(cè)線圈上能夠檢測(cè)到感應(yīng)電壓：e=-NSdB/dt式中，e是感應(yīng)電壓；N為線圈匝數(shù)；S是線圈的截面面積；B為磁感強(qiáng)度。 假設(shè)從永磁鐵到線圈的傳輸時(shí)間為t，超聲波的傳輸速度為v，線圈和磁鐵之間的距離為:L=vt從而實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。

2、波導(dǎo)絲材料特性 

室溫下，F(xiàn)e57Ni43波導(dǎo)絲的磁致伸縮性能曲線可以看出，F(xiàn)e57Ni43合金的飽和磁致伸縮系數(shù)為28 ppm，滿足了磁致伸縮傳感器對(duì)波導(dǎo)絲的磁致伸縮特性要求。由于波導(dǎo)絲是鐵磁性材料，因此其存在磁滯非線性特性。目前用于分析磁致伸縮器件磁滯現(xiàn)象的模型主要有Preisach磁滯模型、Jiles-Atherton磁滯模型、自由能磁滯模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)磁滯模型,但是沒(méi)有一種理想的模型可以準(zhǔn)確地描述波導(dǎo)絲材料的磁滯非線性特性。因此，為了準(zhǔn)確測(cè)試波導(dǎo)絲的磁滯特性，本文采用VSM測(cè)試波導(dǎo)絲的磁滯特性。 

Fe57Ni43波導(dǎo)絲的磁滯回線相關(guān)磁性能參數(shù)可以看出，F(xiàn)e57Ni43的磁滯特性具有磁導(dǎo)率大、矯頑力小,容易磁化,也容易退磁，磁滯損耗小的特點(diǎn)，這起到抑制信號(hào)衰減的作用。此外，F(xiàn)e57Ni43約1.26T的超大飽和磁化強(qiáng)度也使其在較低磁場(chǎng)下具有較大應(yīng)變。

3、ANSYS磁場(chǎng)特性分析 

3.1 有限元模型 

ANSYS對(duì)波導(dǎo)絲磁場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值分析的方法很多，其中有限元法相關(guān)數(shù)學(xué)模型最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛。其基本思想是根據(jù)變分原理，將波導(dǎo)絲離散為有限數(shù)目簡(jiǎn)單單元的組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)性能可以通過(guò)對(duì)離散單元進(jìn)行分析，用符合傳感器工程精度的近似結(jié)果替代對(duì)實(shí)際波導(dǎo)絲的結(jié)構(gòu)分析。 

3.2 ANSYS分析 

激勵(lì)電流是波導(dǎo)絲產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)的基礎(chǔ)。大量的實(shí)驗(yàn)表明，激勵(lì)信號(hào)為脈沖電流時(shí)Wiedemann效應(yīng)最佳。由于激勵(lì)過(guò)程中上升沿和下降沿的存在，所以，為了實(shí)現(xiàn)ANSYS對(duì)波導(dǎo)絲磁場(chǎng)特性的仿真，需要采用三維瞬態(tài)分析。為此，將整個(gè)激勵(lì)過(guò)程設(shè)置為0～2 ?s、2～78 ?s和78～80 ?s共3個(gè)載荷步，每個(gè)載荷步設(shè)置20個(gè)子步。波導(dǎo)絲的B-H和ur-H曲線如圖5所示。它們直接影響著環(huán)形磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和Wiedemann效應(yīng)的效果，并對(duì)磁致伸縮位移傳感器量程的改善起著決定性作用，直接決定了ANSYS仿真的成敗。

波導(dǎo)絲的磁場(chǎng)特性可以分某時(shí)刻的磁場(chǎng)特性和磁場(chǎng)特性隨時(shí)間的變化兩方面來(lái)描述。由于電流的傳播速度約為光速，所以，波導(dǎo)絲各截面因同時(shí)受到激勵(lì)而具有相同的磁場(chǎng)特性。本文選取z=0處的截面為參考面，t=40/s為參考時(shí)刻，(0.225 05 mm，0.446 49 mm)為參考點(diǎn)。波導(dǎo)絲參考面在參考時(shí)刻的相關(guān)磁場(chǎng)特性可知，波導(dǎo)絲在激勵(lì)脈沖電流信號(hào)的作用下，產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度沿著半徑方向逐步增大。根據(jù)磁致伸縮位移傳感器原理，波導(dǎo)絲表面由于磁場(chǎng)相交產(chǎn)生的微小形變是彈性波產(chǎn)生的基礎(chǔ)，因此，磁場(chǎng)線在波導(dǎo)絲表面處最為密集有利于產(chǎn)生和加強(qiáng)Wiedemann效應(yīng)。參考面上參考點(diǎn)的磁場(chǎng)特性隨時(shí)間變化曲線圖可以看出，磁場(chǎng)特性隨激勵(lì)電流的變化而變化,最終伴隨著激勵(lì)電流的消失而消失，這有利于DSP等微處理器計(jì)算彈性波的傳輸時(shí)間，進(jìn)而精確實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

4、信號(hào)特性測(cè)試 

信號(hào)特性測(cè)試是波導(dǎo)絲能否應(yīng)用于磁致伸縮位移傳感器最為關(guān)鍵的一步實(shí)驗(yàn)論證,其主要包括電子系統(tǒng)方案和信號(hào)測(cè)試結(jié)果兩部分。磁致伸縮位移傳感器信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)可知,電子系統(tǒng)主要由DSP微處理器、激勵(lì)電流電路、波導(dǎo)絲單元、信號(hào)放大電路、A/D采樣電路以及通信電路等部分組成。測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí),DSP微處理器產(chǎn)生一系列周期脈沖信號(hào)作用于脈沖電流電路,該脈沖電流電路此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)作用于波導(dǎo)絲；由于原始回波信號(hào)太過(guò)微弱,不能直接被DSP所處理,因而,先利用放大電路對(duì)其處理放大,然后DSP微處理器對(duì)A/D采樣后的信號(hào)進(jìn)行FIR數(shù)字低通濾波處理,最終將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A處理放大后得到回波信號(hào)。測(cè)試3m長(zhǎng)的波導(dǎo)絲前、中、末端時(shí),回波信號(hào)可以看出,回波信號(hào)強(qiáng),長(zhǎng)距離傳輸衰減小。這一方面從電子學(xué)上論證了Fe57Ni43波導(dǎo)絲的材料特性；另一方面也驗(yàn)證了波導(dǎo)絲Wiedemann效應(yīng)的效果。此外,整個(gè)波形中,雜波信號(hào)相當(dāng)微弱,表明了FIR數(shù)字濾波處理方案的可行性和有效性。

5、結(jié) 論

① Fe57Ni43波導(dǎo)絲磁導(dǎo)率大、矯頑力小，容易磁化，磁滯損耗小的磁滯特性，為減弱回波信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸中的衰減創(chuàng)造了條件；

② 通過(guò)對(duì)Fe57Ni43波導(dǎo)絲磁場(chǎng)特性的分析，結(jié)果表明，靠近表面處的磁場(chǎng)最強(qiáng),這有利于通過(guò)加強(qiáng)Wiedemann效應(yīng)的效果來(lái)達(dá)到增強(qiáng)回波信號(hào)的目的；

③ 利用DSP對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行FIR處理，簡(jiǎn)化了硬件電路，抑制了雜波信號(hào)，減小了外界溫漂等因素對(duì)信號(hào)的干擾；

因此，對(duì)Fe57Ni43波導(dǎo)絲材料特性和磁場(chǎng)特性的研究為其應(yīng)用于磁致伸縮傳感器，進(jìn)一步提高國(guó)產(chǎn)MDS量程提供了理論依據(jù)；而基于DSP的電子設(shè)計(jì)方案則為提高國(guó)產(chǎn)MDS的精度和穩(wěn)定性提供了新思路。