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基于磁致伸縮效應(yīng)的位移傳感器具有精度高、量程大和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可在并聯(lián)機(jī)器人回零操作、機(jī)床位移控制、石油液位測(cè)量等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文提出一種新的應(yīng)力波能量衰減系數(shù)的測(cè)試方法，搭建了磁致伸縮位移傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，從理論與實(shí)驗(yàn)上分析了波導(dǎo)絲材料、線徑、應(yīng)力波頻率和波導(dǎo)絲所受拉力對(duì)能量衰減的影響。

1、應(yīng)力波能量衰減與衰減系數(shù)測(cè)試方法

1.1 應(yīng)力波能量衰減

應(yīng)力波在波導(dǎo)絲中由于擴(kuò)散、散射和吸收等會(huì)產(chǎn)生能量衰減，其衰減系數(shù)與材料屬性、聲源頻率、材料微觀組織結(jié)構(gòu)、所受應(yīng)力大小和環(huán)境溫度等密切相關(guān)。當(dāng)應(yīng)力波沿介質(zhì)x方向傳播，應(yīng)力波的聲壓強(qiáng)度隨傳播距離x成指數(shù)衰減，應(yīng)力波的能量衰減問題就歸結(jié)為確定衰減系數(shù)的問題。

1.2 衰減系數(shù)測(cè)試分析

在測(cè)試應(yīng)力波衰減時(shí)常取兩個(gè)位置處的聲壓強(qiáng)度值。假設(shè)波導(dǎo)絲內(nèi)部性質(zhì)完全一致，當(dāng)激勵(lì)脈沖電流相同時(shí)，永磁體在波導(dǎo)絲任意位置處產(chǎn)生的應(yīng)力波聲壓強(qiáng)度相同, 經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，采用移動(dòng)永磁體的方法難于操作，測(cè)試衰減系數(shù)產(chǎn)生的誤差較大，這是由于移動(dòng)永磁體使波導(dǎo)絲材料的磁特性發(fā)生了不均勻的變化。針對(duì)應(yīng)力波衰減系數(shù)測(cè)試時(shí)存在誤差較大的問題，提出一種新的應(yīng)力波能量衰減系數(shù)測(cè)試方法。在傳感器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，去除波導(dǎo)絲右端的阻尼，當(dāng)加載脈沖電流，在波導(dǎo)絲內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力波分別向兩端傳播，其中向左傳播的為回波，向右傳播的為前進(jìn)波。當(dāng)激勵(lì)條件及邊界條件一致時(shí)，振動(dòng)產(chǎn)生后向兩個(gè)不同方向傳播的應(yīng)力波聲壓強(qiáng)度值相等，此時(shí)檢測(cè)信號(hào)將出現(xiàn)兩個(gè)電壓峰值。其中第1個(gè)峰值電壓是回波傳播到檢測(cè)線圈處產(chǎn)生的電壓，第2個(gè)峰值電壓是前進(jìn)波在波導(dǎo)絲右端發(fā)生反射后傳播到檢測(cè)線圈處產(chǎn)生的電壓。將應(yīng)力波在反射后與反射前的聲壓比值定義為反射系數(shù)k, 當(dāng)應(yīng)力波的反射系數(shù)K、永磁體距波導(dǎo)絲右端的距離已知時(shí)，由實(shí)驗(yàn)可以確定el和ez進(jìn)而可以確定衰減系數(shù)a。壓波形。由于前進(jìn)波傳播的距離遠(yuǎn)，且經(jīng)過一次反射，因而第二次比第一次的幅值小，幅值的降低是由于傳播的距離長和反射而引起的。

1.3 衰減系數(shù)測(cè)試平臺(tái)搭建

磁致伸縮位移傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由激勵(lì)模塊、檢測(cè)模塊、外殼保護(hù)模塊等組成。激勵(lì)模塊主要包括信號(hào)發(fā)生器、放大電路、波導(dǎo)絲、永磁體和電源等部分，利用TFG6920A型任意波形信號(hào)發(fā)生器和互補(bǔ)推挽式放大電路可快速調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的頻率、幅值和脈寬。根據(jù)前期研究, 激勵(lì)脈沖電流的頻率設(shè)定為200Hz、高電平24V、脈寬6μs；波導(dǎo)絲兩端水平拉直，固定在內(nèi)徑為6mm的鐵頜龍管內(nèi)；永磁體是環(huán)形奻鐵繃，內(nèi)外徑分別為14和20mm,厚6mm,安裝在環(huán)形鋁環(huán)內(nèi)。檢測(cè)模塊主要由檢測(cè)線圈和示波器等組成，檢測(cè)線圈為線徑0.06mm的漆包銅線繞制而成，其匝數(shù)為600、3層排列、線圈長10mm、內(nèi)徑為4mm；采用DP03014型數(shù)字示波器采集信號(hào)，其最大采樣周期為2.5GS/s, 示波器的通道l接在檢測(cè)線圈兩端，采集檢測(cè)線圈兩端的電壓信號(hào)，通道2接在放大電路輸出端，采集激勵(lì)脈沖的幅值，示波器的采樣周期設(shè)置為0.04μs,采樣點(diǎn)數(shù)10000。外殼保護(hù)模塊主要由鐵氪 龍管、不銹鋼、支架等組成，其主要用來固定波導(dǎo)絲和減小電磁干擾。利用所建立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以測(cè)試：①Fe-Ga和Fe-Ni波導(dǎo)絲的衰減系數(shù)；②不同頻率條件下的衰減系數(shù)；③波導(dǎo)絲在不同應(yīng)力作用下的衰減系數(shù)。

2、波導(dǎo)絲尺寸對(duì)衰減系數(shù)的影響

偏置磁場(chǎng)和激勵(lì)磁場(chǎng)相等且都為4kA/m時(shí)，波導(dǎo)絲兩端不受任何作用力，應(yīng)力波頻率為5 kHz時(shí)應(yīng)力波衰減系數(shù)與波導(dǎo)絲線徑的關(guān)系曲線。衰減系數(shù)隨著波導(dǎo)絲線徑的增大而增大，波導(dǎo)絲線徑為0.4mm 時(shí)應(yīng)力波衰減系數(shù)為0.1375Np·m-i0波導(dǎo)絲線徑對(duì)應(yīng)力波衰減的影響是由于激勵(lì)脈沖信號(hào)的頻率較高時(shí)電流存在趨膚效應(yīng)，使波導(dǎo)絲表面處產(chǎn)生的魏德曼效應(yīng)較為顯著，所以應(yīng)力波能量的傳播主要集中在波導(dǎo)絲的表面，波導(dǎo)絲線徑的變化影響了波導(dǎo)絲的表面積，當(dāng)線徑增大時(shí)使傳播介質(zhì)的面積增大，繼而可能增大應(yīng)力波擴(kuò)散和吸收產(chǎn)生的能量衰減，使應(yīng)力波的衰減系數(shù)增大。故在研制大量程磁致伸縮位移傳感器時(shí)應(yīng)適當(dāng)選擇線徑較小的波導(dǎo)絲。

3、應(yīng)力波頻率對(duì)衰減系數(shù)的影響

保持偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度不變，采用不同厚度的環(huán)形永磁體并調(diào)節(jié)脈沖電流的脈寬得到頻率不同的應(yīng)力波，利用傅里葉變換得到檢測(cè)信號(hào)的頻率信息。當(dāng)線徑為0.6mm的Fe-Ga波導(dǎo)絲，在波導(dǎo)絲兩端不受拉力作用下衰減系數(shù)隨頻率變化的關(guān)系曲線。當(dāng)應(yīng)力波頻率為32kHz時(shí)衰減系數(shù)為0.1107Np?m飛擬合曲線表明，衰減系數(shù)隨頻率的增加單調(diào)增大。應(yīng)力波頻率對(duì)衰減系數(shù)的影響是由千應(yīng)力波頻率增大時(shí)導(dǎo)致粒子振動(dòng)頻率也增大，粒子振動(dòng)頻率的增大使應(yīng)力波在傳播過程中造成質(zhì)點(diǎn)間內(nèi)摩擦產(chǎn)生的能量損耗增大，繼而導(dǎo)致應(yīng)力波的衰減系數(shù)變大。故在研制大量程磁致伸縮位移傳感器時(shí)為減小應(yīng)力波在傳播過程中產(chǎn)生的能量衰減可適當(dāng)降低 應(yīng)力波的頻率。

4、波導(dǎo)絲所受應(yīng)力對(duì)衰減系數(shù)的影響

當(dāng)波導(dǎo)絲的線徑很小時(shí)，不便在波導(dǎo)絲兩端施加拉應(yīng)力，故選用0.8mm 線徑的Fe-Ga研究拉應(yīng)力與衰減系數(shù)的關(guān)系。偏置磁場(chǎng)和激勵(lì)磁場(chǎng)相等且都為4kA/m, 應(yīng)力波頻率為54kHz時(shí)衰減系數(shù)與波導(dǎo)絲兩端所受應(yīng)力的關(guān)系曲線表明，隨著應(yīng)力的增大，應(yīng)力波的衰減系數(shù)先逐漸減小后逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)波導(dǎo)絲所受應(yīng)力為60MPa時(shí)，應(yīng)力波衰減系數(shù)趨于穩(wěn)定，此時(shí)為0.1241Np·m-i。波導(dǎo)絲所受應(yīng)力對(duì)應(yīng)力波衰減 的影響是由于波導(dǎo)絲在應(yīng)力的作用使各粒子之間排列緊密，使傳播介質(zhì)中的顆粒界面中的懸浮粒子減小，懸浮粒子數(shù)量的減小可降低應(yīng)力波的散射衰減。而當(dāng)應(yīng)力增大 到一定值后，大部分懸浮粒子已經(jīng)排列的很緊密，所以應(yīng)力再增大時(shí)對(duì)介質(zhì)中顆粒界面懸浮粒子的影響減小，故此時(shí)再增大應(yīng)力，衰減系數(shù)不再一直減小。故在制作大量程磁致伸縮位移傳感器時(shí)可在波導(dǎo)絲兩端施加一定的應(yīng)力作用。

5、磁致伸縮位移傳感器的量程設(shè)計(jì)

當(dāng)偏置磁場(chǎng)為4kA/rn、激勵(lì)磁場(chǎng)為6kA/rn、波導(dǎo)絲線徑為0.4mm、波導(dǎo)絲兩端施加60MPa拉應(yīng)力、應(yīng)力波頻率為32kHz時(shí)，F(xiàn)e-Ga和Fe-Ni輸出的最大檢測(cè)電壓分別為90和40mV,根據(jù)應(yīng)力波的指數(shù)衰減規(guī)律得到電壓幅值與傳播距離的關(guān)系曲線。如果檢測(cè)信號(hào)的幅值大于5mV時(shí)能有效的將噪聲信號(hào)與有效信號(hào)相區(qū)分，則在此激勵(lì)條件下，由Fe-Ga波導(dǎo)絲制作的磁致伸縮位移傳感器的最大量程可達(dá)29m, 而Fe-Ni的最大量程為15m, 故Fe-Ga更適合做大量程的波導(dǎo)絲材料。

6、磁致伸縮位移傳感器的樣機(jī)制作與特性測(cè)試磁致伸縮位移傳感器樣機(jī)其主要包括：傳感器頭部、波導(dǎo)絲、永磁體、測(cè)量桿及阻尼裝置等。傳感器頭部為正方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部放置脈沖驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)線圈、信號(hào)處理電路、位移的換算及顯示電路，其分別實(shí)現(xiàn)脈沖電流的產(chǎn)生，應(yīng)力波的檢測(cè)、信號(hào)的濾波及位移顯示功能等。 Fe-Ga波導(dǎo)絲作為磁致伸縮位移傳感器的核心部件，其主要用來實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波信號(hào)的產(chǎn)生及傳播。波導(dǎo)絲左端通過螺紋孔進(jìn)入傳感器頭部，依次穿過檢測(cè)線圈和阻尼；右端穿過阻尼裝置并與返回導(dǎo)線相連，返回導(dǎo)線接回到硬件電路，形成閉合的回路。 永磁體在測(cè)量桿上移動(dòng)，其主要提供一個(gè)恒定的軸向磁場(chǎng)，與脈沖電流產(chǎn)生的周向磁場(chǎng)共同作用產(chǎn)生應(yīng)力波信號(hào)。 測(cè)量桿可保護(hù)波導(dǎo)絲、屏蔽外界電磁干擾、并充當(dāng)被測(cè)位移與實(shí)測(cè)位移之間的轉(zhuǎn)換作用。阻尼裝置主要是用于減小應(yīng)力波的反射，提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比。磁致伸縮位移傳感器的測(cè)量精度主要取決于檢測(cè)信號(hào)的峰值電壓，只要檢測(cè)線圈能檢測(cè)到由永磁體處產(chǎn)生的應(yīng)力波信號(hào)，再根據(jù)應(yīng)力波的傳播速度即可得到位移信息。因此，對(duì)制作的磁致伸縮位移傳感器樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試了磁致伸縮位移傳感器的檢測(cè)電壓信號(hào)。當(dāng)偏置磁場(chǎng)為4kA/m, 波導(dǎo)絲兩端激勵(lì)脈沖電壓為20V、脈寬為6μs、頻率為200Hz, 永磁體在位移516mm時(shí)檢測(cè)線圈輸出的電壓波形可知，檢測(cè)信號(hào)的峰值電壓為86mV。與測(cè)得的檢測(cè)信號(hào)相比，幅值約提高一倍，且檢測(cè)波形的噪聲明顯降低，表明Fe-Ga波導(dǎo)絲應(yīng)用到大量程磁致伸縮位移傳感器是可行的。根據(jù)檢測(cè)電壓與傳播距離的關(guān)系，在此激勵(lì)條件下研制的Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器的最大量程可達(dá)29m。大量程的磁致伸縮位移傳感器在鋼軌位移在線監(jiān)測(cè)、機(jī)器人、超精密儀器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。特別是可應(yīng)用在戰(zhàn)機(jī)、空中加油機(jī)燃油測(cè)量、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的姿態(tài)控制、六自由度飛行模擬器系統(tǒng)等軍事領(lǐng)域。因此，研制的大量程磁致伸縮位移傳感器具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

7、結(jié) 論

本文對(duì)磁致伸縮位移傳感器的應(yīng)力波衰減特性進(jìn)行了分析，并分別研究了波導(dǎo)絲材料、尺寸、應(yīng)力波頻率和波導(dǎo)絲所受拉力與衰減系數(shù)的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：

①提出了衰減系數(shù)測(cè)試方法，確定了衰減系數(shù)的表達(dá)式及其修正方法；②研究了Fe-Ga波導(dǎo)絲的線徑、應(yīng)力波頻率和波導(dǎo)絲所受應(yīng)力與衰減系數(shù)的關(guān)系，得到衰減系數(shù)隨波導(dǎo)絲線徑的增大而增大；衰減系數(shù)隨頻率的增大而增大；衰減系數(shù)隨波導(dǎo)絲所受應(yīng)力的增大先減小后趨于穩(wěn)定；③為研制大量程磁致伸縮位移傳感器，應(yīng)綜合考慮波導(dǎo)絲材料、線徑、應(yīng)力波頻率和應(yīng)力的作用。為減小應(yīng)力波的衰減可選擇線徑為0.4mm的Fe-Ga波導(dǎo)絲、應(yīng)力波頻率32kHz、波導(dǎo)絲受60MPa應(yīng)力。