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磁致伸縮位移傳感器具有高精度、高穩(wěn)定、非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在超精密儀器、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)研究者在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的磁致伸縮位移傳感器輸出電壓模型、扭轉(zhuǎn)波衰減特性分析以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面做了大量的研究工作。在某些需要對(duì)多位移量進(jìn)行同步測(cè)量的工作場(chǎng)合中，如雙擠壓結(jié)構(gòu)的壓塊機(jī)、自動(dòng)化流水線等，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的磁致伸縮位移傳感器無(wú)法滿足測(cè)量需求，因此采用多磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)單次多點(diǎn)的位置測(cè)量，但由于多磁環(huán)傳感器各磁環(huán)間偏置磁場(chǎng)的疊加，嚴(yán)重影響傳感器磁環(huán)間的距離測(cè)量,如美國(guó)MTS多磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器在安裝中統(tǒng)一要求兩個(gè)磁環(huán)最小間距為75mm即磁環(huán)間測(cè)量盲區(qū)為75mm這大大限制了磁環(huán)間的測(cè)量距離。同時(shí)磁環(huán)間的安裝間距問(wèn)題也在困擾著廣大用戶。

為解決上述問(wèn)題，南京理工大學(xué)卜雄洙等人，設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能磁致伸縮位移測(cè)量?jī)x，兩個(gè)磁環(huán)可以進(jìn)行自我校準(zhǔn)，消除環(huán)境等因素對(duì)測(cè)量精度的影響，并實(shí)現(xiàn)了多種信號(hào)的輸出。安世鋒等人設(shè)計(jì)了一種雙浮子磁致伸縮液位傳感器，不但可以對(duì)油罐內(nèi)界面與液面的雙重測(cè)量，還可以對(duì)傳感器周圍溫度進(jìn)行測(cè)量，以上研究主要針對(duì)于雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器硬件電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，但是對(duì)于其磁環(huán)間測(cè)量盲區(qū)的影響因素鮮有報(bào)道，特別是雙磁環(huán)偏置磁場(chǎng)對(duì)傳感器磁環(huán)間測(cè)量盲區(qū)的影響，因而很有必要開展雙磁環(huán)偏置磁場(chǎng)對(duì)傳感器測(cè)量盲區(qū)的影響的研究工作。

本文首先對(duì)雙磁環(huán)偏置磁場(chǎng)下傳感器的輸出電壓進(jìn)行分析，建立了雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，利用該模型可以通過(guò)預(yù)測(cè)雙磁環(huán)間距的最小距離，選擇合適的磁環(huán)進(jìn)行安裝，從而減小雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器磁環(huán)間的測(cè)量盲區(qū)。

1、雙磁環(huán)位移傳感器的輸出電壓模型

1.1 雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器工作原理

雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器其結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電路、波導(dǎo)絲、環(huán)形永磁體、檢測(cè)裝置、阻尼裝置等組成。當(dāng)傳感器工作時(shí)，脈沖驅(qū)動(dòng)電流到達(dá)檢測(cè)線圈、環(huán)形永磁體處，脈沖電流瞬間產(chǎn)生的周向磁場(chǎng)與環(huán)形永磁體產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)疊加，形成螺旋磁場(chǎng)。基于魏德曼效應(yīng)，磁場(chǎng)疊加處會(huì)使波導(dǎo)絲產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變，兩個(gè)環(huán)形永磁體同時(shí)工作形成兩個(gè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波并以速度ｖ分別向磁環(huán)兩側(cè)傳播，當(dāng)檢測(cè)線圈檢測(cè)到扭轉(zhuǎn)波信號(hào)，線圈兩端會(huì)產(chǎn)生電壓信號(hào)。通過(guò)采集扭轉(zhuǎn)波傳輸時(shí)間t1、t2即脈沖發(fā)出時(shí)間與兩個(gè)扭轉(zhuǎn)波被檢測(cè)到的時(shí)間之間的時(shí)間差,環(huán)形永磁體與檢測(cè)線圈之間的距離為S1、S2得到位移傳感器兩個(gè)檢測(cè)位移量為:S1=vt1_，S2=vt2；波的傳播具有獨(dú)立性，兩個(gè)扭轉(zhuǎn)波產(chǎn)生后會(huì)在傳播中相遇，但互不影響。檢測(cè)線圈可以檢測(cè)到兩個(gè)獨(dú)立的電壓信號(hào)，從而完成測(cè)量任務(wù)，傳感器兩端裝有阻尼裝置?可以有效減小反射波的干擾。

1.2 測(cè)量盲區(qū)產(chǎn)生的原因

由雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器的測(cè)量原理可知要測(cè)量環(huán)形永磁體與檢測(cè)線圈之間的距離，需準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)力波在永磁體與檢測(cè)線圈之間的傳播時(shí)間。目前確定應(yīng)力波傳播時(shí)間的方法主要有閾值法和峰值法兩種，但兩種檢測(cè)方法的缺點(diǎn)是輸出電壓幅值的變化會(huì)嚴(yán)重影響應(yīng)力波傳播時(shí)間的確定，使傳感器檢測(cè)失效。因此輸出電壓幅值的穩(wěn)定是準(zhǔn)確測(cè)量位移的關(guān)鍵。

螺旋磁場(chǎng)下位移傳感器輸出電壓的變化，從中可以發(fā)現(xiàn)偏置磁場(chǎng)的變化會(huì)嚴(yán)重影響輸出電壓的變化，雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器有兩個(gè)磁環(huán)。由于磁環(huán)剩磁的存在兩個(gè)磁環(huán)在一定距離內(nèi)，磁環(huán)的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度與另一磁環(huán)的中心磁場(chǎng)強(qiáng)度疊加形成的新的偏置磁場(chǎng)?會(huì)導(dǎo)致輸出電壓變化，從而使傳感器檢測(cè)失效產(chǎn)生測(cè)量盲區(qū)。

2、結(jié) 論

①基于磁致伸縮位移傳感器輸出電壓模型及磁環(huán)磁場(chǎng)疊加理論方程建立了雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型計(jì)算表明雙磁環(huán)在不同間距與放置方向下輸出電壓會(huì)有升高或降低的變化；

②磁環(huán)規(guī)格相同時(shí)測(cè)量盲區(qū)的大小與磁環(huán)放置方向無(wú)關(guān)與磁環(huán)偏置磁場(chǎng)的大小有關(guān)。磁環(huán)偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度越小，磁環(huán)間的測(cè)量盲區(qū)越小，磁場(chǎng)疊加影響的電壓幅值變化量也越小，當(dāng)磁環(huán)規(guī)格為外徑36mm，內(nèi)徑24mm，厚度6mm時(shí)，磁環(huán)偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度為3kA/m 的雙磁環(huán)比磁環(huán)偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度為5kA/m的雙磁環(huán)測(cè)量盲區(qū)小20mm，且電壓幅值的變化量小9mV；

③在磁環(huán)相互靠近的過(guò)程中，輸出電壓信號(hào)會(huì)疊加變成新的畸變信號(hào)，此時(shí)電壓輸出信號(hào)不僅與磁場(chǎng)疊加有關(guān)還與信號(hào)波形有關(guān)，在這個(gè)過(guò)程中電壓變化較大且無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電壓的變化。

綜上，在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)綜合考慮傳感器各方面要求后，通過(guò)計(jì)算選擇合適的磁環(huán)，從而達(dá)到測(cè)量要求,減小雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器磁環(huán)間的測(cè)量盲區(qū)。歡迎來(lái)電咨詢。