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磁致伸縮位移傳感器具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在石油、化工等部門。但目前國(guó)內(nèi)自行研制的傳感器測(cè)量誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)外同類產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)科研人員分析了磁致伸縮位移傳感器誤差形成的原因，提高國(guó)產(chǎn)磁致伸縮位移傳感器的測(cè)量精度一直在做努力。本文主要分析波導(dǎo)絲不確定性種類對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響以及相應(yīng)的修正方法。

1、磁致伸縮位移傳感器測(cè)量誤差分析

以磁致伸縮位移傳感器的測(cè)試版為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，SEED-DEC2812嵌入式開(kāi)發(fā)板為目標(biāo)板。該傳感器的激勵(lì)脈沖信號(hào)接至SEED-DEC2812嵌入式開(kāi)發(fā)板的J18-4，該引腳用于捕獲輸入信號(hào)的上升沿，捕獲到上升沿立即啟動(dòng)A/D。傳感器內(nèi)部的放大器OP37的輸出接至SEED-DEC2812嵌入式開(kāi)發(fā)板的J17-20，該端子為A/D單元的ADCINA1。實(shí)驗(yàn)中采樣周期:T=0.3μs，波速v=2.838mm/μs，由采樣周期所限，測(cè)量值只能精確到0.8514mm。該傳感器采用預(yù)置門限電壓的比較器來(lái)檢測(cè)回波信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，全波采樣法使用回波信號(hào)的峰值來(lái)檢測(cè)回波到達(dá)的時(shí)間。以光柵尺讀數(shù)作為真實(shí)值，光柵尺的測(cè)量精度為5μm。測(cè)量結(jié)果，傳感器的測(cè)量誤差最大達(dá)到了-6.2mm，全波采樣法的最大誤差為3.6㎜，經(jīng)FIR濾波后最大誤差為2.8㎜?？梢钥吹饺ú蓸臃ㄝo以FIR濾波在一定程度上能提高測(cè)量精度，但是還沒(méi)有精確到分辨率上面。單純的依靠數(shù)字濾波是無(wú)法解決由于波導(dǎo)絲本身的不連續(xù)性、底端固定方式以及剩磁現(xiàn)象引起的測(cè)量誤差。

2、波導(dǎo)絲表面不連續(xù)性對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

波的反射現(xiàn)象，波由一種媒質(zhì)到達(dá)與另一種媒質(zhì)的分界面時(shí)，返回原媒質(zhì)的現(xiàn)象。例如聲波遇障礙物時(shí)的反射，它遵從反射定律。在同類媒質(zhì)中由于媒質(zhì)不均勻亦會(huì)使波返回到原來(lái)密度的介質(zhì)中，即產(chǎn)生反射。這是機(jī)械波的基本理論。磁致伸縮波導(dǎo)絲表面的不連續(xù)性(或不均勻)會(huì)引起超聲波反射、干涉等現(xiàn)象。波導(dǎo)絲的不連續(xù)性直接導(dǎo)致了檢測(cè)信號(hào)的不確定性。波導(dǎo)絲表面的不連續(xù)性，主要表現(xiàn)為表面凸起、凹陷以及局部彎曲三個(gè)方面。表面凸起或凹陷以及局部彎曲都會(huì)影響波的傳播以及波的振幅，對(duì)于采用比較器檢測(cè)的電子電路來(lái)說(shuō)影響了振幅，就影響了測(cè)量精度。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，目的在于尋找表面不連續(xù)性引起的反射對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。對(duì)于表面凸起的情形，人為地加障礙物，觀測(cè)加障礙物前后的變化，分為幾種情況，障礙物的不同位置及障礙物的不同數(shù)量。對(duì)于表面凹陷的情形，可以將波導(dǎo)絲表面打磨成凹形，又可分為在浮子前和浮子后。對(duì)于局部彎曲的情形，可以打個(gè)折。也可分為折在浮子前和浮子后。

2.1 表面障礙物不同位置對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

在浮子前夾障礙物，然后逐漸將浮子向后移動(dòng)，觀測(cè)夾障礙物前、后檢測(cè)信號(hào)的變化情況。在浮子前有障礙物，會(huì)導(dǎo)致波相位上超前，幅值上衰減。大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，只要浮子前面有障礙物就會(huì)發(fā)生相位上超前，幅值上衰減，相位上超前4～6個(gè)采樣周期。且相位上超前的采樣周期相差不大。從一組采樣，觀察到障礙物在浮子后對(duì)檢測(cè)信號(hào)的特征點(diǎn)并無(wú)顯著的影響，只是幅值略有變化，但是當(dāng)浮子距離障礙物100px以上時(shí)對(duì)檢測(cè)信號(hào)已無(wú)影響，這時(shí)障礙物處會(huì)引起一個(gè)小的反射，這個(gè)反射對(duì)測(cè)量已無(wú)影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浮子前面有一個(gè)障礙物時(shí)，回波信號(hào)在幅值上發(fā)生衰減，衰減幅度約為1/2，相位上發(fā)生超前，超前4～6個(gè)采樣周期。且浮子與障礙物的距離無(wú)關(guān)，只要障礙物在浮子前面便會(huì)發(fā)生上述情況。當(dāng)障礙物在浮子后面且兩者相距0～4㎝，會(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)在幅值有所變化，但是對(duì)特征點(diǎn)的相位關(guān)系無(wú)影響;當(dāng)兩者相距4㎝以上時(shí)，對(duì)回波信號(hào)已無(wú)影響，障礙物處會(huì)形成比較弱的反射信號(hào)。

2.2  表面障礙物的不同數(shù)量對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

人為地加多個(gè)障礙物，觀測(cè)夾障礙物前、后信號(hào)的變化情況。如圖4所示，發(fā)現(xiàn)障礙物數(shù)量越多幅值衰減越嚴(yán)重，相位上的超前卻沒(méi)有顯著增加。當(dāng)障礙物加到一定數(shù)量時(shí)，已經(jīng)觀測(cè)不到回波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明障礙物會(huì)吸收回波信號(hào)的部分能量。

2.3 波導(dǎo)絲表面凹形缺陷對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

人為地對(duì)波導(dǎo)絲表面進(jìn)行破壞，打個(gè)凹形缺陷，觀察打凹形缺陷前、后檢測(cè)信號(hào)的區(qū)別繪圖。觀察到凹形缺陷會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)在幅度上發(fā)生衰減，衰減幅度約為1/2，但是，并沒(méi)有影響到特征點(diǎn)的相位，并且凹形缺陷處會(huì)形成一反射。凹形缺陷在后面的情形，同后面有障礙物的情形一樣，會(huì)形成一反射，但是對(duì)檢測(cè)信號(hào)無(wú)顯著影響。因此，對(duì)于波導(dǎo)絲表面的凹形缺陷，不會(huì)對(duì)全波采樣法構(gòu)成影響。但是對(duì)于采用比較器檢測(cè)時(shí)間的方式，缺陷在浮子前時(shí)造成了幅值上的衰減，會(huì)帶來(lái)很大的測(cè)量誤差。

2.4  波導(dǎo)絲彎曲對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

安裝傳感器時(shí)，其中一道工序是將波導(dǎo)絲拉直，如果在拉直過(guò)程中有沒(méi)被拉直的地方，將會(huì)對(duì)測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生什么樣的影響呢？針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，在波導(dǎo)絲上打個(gè)折，看看對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響情況。折在浮子前的情形，如同浮子前有一凹形缺陷一樣，只影響幅度而不影響特征點(diǎn)的相位。折在浮子后的情形，同后面有障礙物的情形一樣，會(huì)形成一反射，但是對(duì)檢測(cè)信號(hào)無(wú)顯著影響。因此，全波采樣法可以有效的避免這種缺陷對(duì)測(cè)量的影響。

3、波導(dǎo)絲表面不連續(xù)性對(duì)檢測(cè)信號(hào)影響的修正方法

利用弱的反射信號(hào)查找不連續(xù)處的位置，做法如下，先將浮子置于最頂端，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣，然后查找浮子處回波信號(hào)以及不連續(xù)處反射信號(hào)的特征點(diǎn)(如峰值)，即可計(jì)算出兩者之間的距離，進(jìn)而求出不連續(xù)處的絕對(duì)位置。找出了不連續(xù)處的位置，利用上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)論對(duì)浮子在不同位置時(shí)的測(cè)量值進(jìn)行修正。當(dāng)幅值衰減了1/2時(shí)浮子必定在不連續(xù)處前，在編寫修正算法時(shí)可以充分利用該結(jié)論。不論何種缺陷，均可參照以上方法進(jìn)行修正，利用在浮子后形成反射這一現(xiàn)象，查找到缺陷所處的位置。進(jìn)而判別波導(dǎo)絲的優(yōu)劣，篩選優(yōu)質(zhì)波導(dǎo)絲。

4、波導(dǎo)絲底端固定方式對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響及修正方法

由于扭轉(zhuǎn)的超聲波是向兩端傳播，傳播到底端時(shí)發(fā)生的變化與固定方式有關(guān)系。波導(dǎo)絲底端的固定方式可以有三種固定方式:阻尼器固定方式、鋼體固定方式和無(wú)固定器材。這幾種固定方式會(huì)給檢測(cè)信號(hào)帶來(lái)什么樣的影響呢？選一支量程為1米的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)其影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪圖，為醒目起見(jiàn)，將鋼體固定方式向下平移1個(gè)單位，將無(wú)固定器材方式向下平移2個(gè)單位?？梢郧宄目吹?，這三種固定方式只是對(duì)信號(hào)的幅度有所影響，對(duì)特征點(diǎn)的相位無(wú)影響。并且只要波導(dǎo)絲底部距離浮子100px以上時(shí)，不論那種固定方式，對(duì)檢測(cè)信號(hào)沒(méi)有任何影響。雖然扭力波是向兩端傳播的，測(cè)量距離時(shí)一般只使用第一個(gè)回波，對(duì)于波導(dǎo)絲底端的反射回波并不使用。

5、波導(dǎo)絲中的剩磁現(xiàn)象對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響及修正方法

波導(dǎo)絲是由磁性材料制成的，磁性材料在磁場(chǎng)中會(huì)被磁化，而磁致伸縮位移傳感器的活動(dòng)浮子內(nèi)部是一塊永磁鐵。理論上講，只要是浮子經(jīng)過(guò)的地方，波導(dǎo)絲就可能被磁化，磁化處就存在一磁場(chǎng)，但是這個(gè)磁場(chǎng)和浮子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相比是很弱的。先讓浮子在波導(dǎo)絲上運(yùn)動(dòng)幾次，然后拿掉浮子。重復(fù)做多次這樣的實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)一下前后的變化情況?？梢钥吹皆诖鸥∽咏?jīng)過(guò)的地方確實(shí)存在磁化現(xiàn)象，被磁化的地方也會(huì)有磁致伸縮現(xiàn)象發(fā)生，只不過(guò)信號(hào)比較弱?？吹?/span>2、3、4條曲線，這3條曲線中剩磁的位置有著驚人的相似，說(shuō)明剩磁一旦形成便不會(huì)因浮子多次運(yùn)動(dòng)而消失。

在采用比較器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)絲的某些位置出現(xiàn)恒定的正誤差(+6mm)，而某些位置出現(xiàn)恒定的負(fù)誤差(-5mm)，有些地方誤差卻很小，幾乎等于正實(shí)值。剩磁現(xiàn)象很好地解釋了這些誤差現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。如果浮子的磁致伸縮信號(hào)與當(dāng)前的剩磁現(xiàn)象產(chǎn)生的磁致伸縮信號(hào)在相位上相差180度，那么兩個(gè)信號(hào)疊加將呈現(xiàn)最小值，這時(shí)將出現(xiàn)正誤差。如果相位相同則呈現(xiàn)最大值，這時(shí)將出現(xiàn)負(fù)誤差。

在制作磁致伸縮位移傳感器中幾乎所有的都出現(xiàn)恒定正負(fù)誤差情況，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種誤差是由剩磁現(xiàn)象產(chǎn)生的。這便要求必須解決掉剩磁現(xiàn)象，在浮子每運(yùn)動(dòng)到一個(gè)新位置時(shí)先進(jìn)行消磁，只有這樣才能解決傳感器的恒定誤差。應(yīng)用中可以先去掉浮子或?qū)⒏∽又糜谧铐敹?，然后?/span>樣信號(hào)，根據(jù)采樣信號(hào)的判斷波導(dǎo)絲中是否存在剩磁。

6、結(jié) 論