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磁致伸縮位移傳感器具有高精度、高穩(wěn)定、非接觸式測量等優(yōu)點，在超精密儀器、數(shù)控機床、自動化生產中有著廣泛的應用。近年來研究者在傳統(tǒng)結構的磁致伸縮位移傳感器輸出電壓模型、扭轉波衰減特性分析以及結構設計與優(yōu)化等方面做了大量的研究工作。在某些需要對多位移量進行同步測量的工作場合中,如雙擠壓結構的壓塊機、自動化流水線等,傳統(tǒng)結構的磁致伸縮位移傳感器無法滿足測量需求,因此采用多磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器來實現(xiàn)單次多點的位置測量,但由于多磁環(huán)傳感器各磁環(huán)間偏置磁場的疊加,嚴重影響傳感器磁環(huán)間的距離測量,如MTS多磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器在安裝中統(tǒng)一要求兩個磁環(huán)最小間距為75mm,即磁環(huán)間測量盲區(qū)為75mm,這大大限制了磁環(huán)間的測量距離同時磁環(huán)間的安裝間距問題也在困擾著廣大用戶。

本文首先對雙磁環(huán)偏置磁場下傳感器的輸出電壓進行分析,建立了雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型，并通過實驗進行驗證，利用該模型可以通過預測雙磁環(huán)間距的最小距離，選擇合適的磁環(huán)進行安裝,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結構主要由驅動電路、波導絲、環(huán)形永磁體、檢測裝置、阻尼裝置等組成當傳感器工作時,脈沖驅動電流到達檢測線圈、環(huán)形永磁體處。脈沖電流瞬間產生的周向磁場與環(huán)形永磁體產生的軸向磁場疊加，形成螺旋磁場?；谖旱侣?磁場疊加處會使波導絲產生扭轉形變。兩個環(huán)形永磁體同時工作形成兩個扭轉應力波并以速度ｖ分別向磁環(huán)兩側傳播。當檢測線圈檢測到扭轉波信號，線圈兩端會產生電壓信號。通過采集扭轉波傳輸時間 t1、t2即脈沖發(fā)出時間與兩個扭轉波被檢測到的時間之間的時間差，環(huán)形永磁體與檢測線圈之間的距離為S1、S2，得到位移傳感器兩個檢測位移量為S1=vt1 ，S2=vt2_。波的傳播具有獨立性。兩個扭轉波產生后會在傳播中相遇，但互不影響。檢測線圈可以檢測到兩個獨立的電壓信號?從而完成測量任務。 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 測量盲區(qū)產生的原因

由雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器的測量原理可知，要測量環(huán)形永磁體與檢測線圈之間的距離，需準確測量應力波在永磁體與檢測線圈之間的傳播時間。目前確定應力波傳播時間的方法主要有閾值法和峰值法兩種。但兩種檢測方法的缺點是，輸出電壓幅值的變化會嚴重影響應力波傳播時間的確定，使傳感器檢測失效?因此輸出電壓幅值的穩(wěn)定是準確測量位移的關鍵。

螺旋磁場下位移傳感器輸出電壓的變化，從中可以發(fā)現(xiàn)偏置磁場的變化會嚴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磁環(huán)，由于磁環(huán)剩磁的存在，兩個磁環(huán)在一定距離內，磁環(huán)的剩余磁場強度與另一磁環(huán)的中心磁場強度疊加形成的新的偏置磁場，會導致輸出電壓變化，從而使傳感器檢測失效?產生測量盲區(qū)。

1.3 雙磁環(huán)位移傳感器的輸出電壓模型

單匝載流圓形線圈中穩(wěn)定電流I產生的磁場可用畢奧-薩伐定律表示。根據(jù)該定律，單匝載流圓形線圈軸線的任意點ｙ處的軸向磁場By可以表示為：By(y)=2(Ru20＋IRy22)3/2。R為單匝載流圓形線圈的半徑，μ_０為真空介磁常數(shù)，根據(jù)單匝載流圓形線圈軸線上軸向磁感應強度的分布，可以得到表面電流密度為Ｉ′和長度為2a的無限薄螺線管軸線上任一點的軸向磁場：^By(y)=μ２^０Ｉ′^êêé_? (y＋ya＋)a2 ＋R2－(ｙ－ya－)a2＋R2 ^ú_?ù^ú 軸向磁化的環(huán)形永磁體產生的磁場根據(jù)等效電流模型，可以近似地等效為兩個具有相同的長度和相同的電流密度，不同半徑的平行的無限薄螺線管產生的磁場合成。磁致伸縮位移傳感器采用軸向磁化的環(huán)形永磁體作為偏置磁場為同向放置的兩個規(guī)格相同的環(huán)形永磁體。以磁環(huán)１的中心為原點建立坐標系。ｙ軸為磁環(huán)軸線方向從而可以得到磁環(huán)１在磁環(huán)２中心處沿ｙ軸方向的磁感應強度為：

By１(ｙ)=Ｂ２ｒ１{éêê? (ｙ＋ｙｌ＋)ｌ２ ＋R22－ (ｙ－ｙｌ－)ｌ２ ＋R22 ?ùúú －

       éê^ê? (ｙ＋ｙｌ＋)ｌ２ ＋R2_１ － (ｙ－ｙｌ－)ｌ２ ＋Ｒ２_１ ú^úù?}式中:Ｂ_ｒ１為磁環(huán)１的剩余磁化強度R_１和R_２分別為環(huán)形永磁體的內半徑和外半徑ｌ為磁環(huán)厚度的一半。ｙ是磁環(huán)1與磁環(huán)２之間的間距。根據(jù)環(huán)形永磁體中心軸線上某點沿Ｚ軸方向的磁感應強度，可以得到磁環(huán)１在磁環(huán)２中心處沿ｙ軸方向的磁場強度為:= Ｂ^ｙ１  Ｈ′_{１μ，式中:μ為空氣磁導率? 釹鐵硼材料的磁環(huán)回復磁導率為μｃ=1.05與空氣的相對磁導率接近。則在進行計算時可以將兩個釹鐵硼材料的磁環(huán)產生的磁場進行線性疊加。磁場疊加后可以得到磁環(huán)2中心處沿ｙ軸的磁場強度即新的偏置磁場為：}H_Ｎ２=H_２＋H_１，同理可以得到磁環(huán)１中心處沿ｙ軸的磁場強度:Ｈ_Ｎ１=Ｈ_１ ＋H_２，磁致伸縮位移傳感器的電壓輸出模型為:^ｅ=８πλμｒ ＮＳ(λｌ －Ｒλｔ) ２(１^Ｅ＋υ)ρ×HH２_ｂ ＋ｂHHｄ_ｄ((ｒｒ))２ ，式中:λ為角應變引起的磁場變化率，μ_ｒ為波導絲的絕對磁導率。Ｎ為檢測線圈匝數(shù)，v為泊松比。λ_ｌ 、λ_ｔ分別為波導絲軸向磁致伸縮和周向磁致伸縮應變值。S為單匝檢測線圈面積，H_ｄ (ｒ)為激勵磁場，可以得到磁環(huán)１、磁環(huán)２處的輸出電壓模型:^ｅ１=８πλμｒ NS(λｌ －Rλｔ ) ２(１^Ｅ＋υ)ρ ×(H(H_１＋１H＋_２H′)２′２)＋HHｄ_ｄ((ｒｒ))２。可知雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓與波導絲參數(shù)、檢測線圈結構、磁環(huán)規(guī)格、磁環(huán)間距、偏置磁場、激勵磁場等有關。因此當確定波導絲材料、檢測線圈結構、磁環(huán)規(guī)格和激勵磁場后，輸出電壓的大小主要取決于偏置磁場與磁環(huán)間距，為此主要對偏置磁場強度為3kA/m、4kA/m與5kA/m的三組磁環(huán)在兩種不同放置方向與間距下輸出電壓的大小進行了計算。并通過試驗對其進行驗證，傳感器采用閾值法進行檢測。由于磁環(huán)間的相互影響會使輸出電壓發(fā)生變化，從而使傳感器檢測失效。因此將兩個磁環(huán)相互靠近的過程中，輸出電壓開始變化時磁環(huán)的間距確定為磁環(huán)間測量盲區(qū)的大小。通過研究不同放置方向、不同偏置磁場的磁環(huán)相互靠近的過程中輸出電壓的變化，來確定磁環(huán)間測量盲區(qū)大小的影響因素以及輸出電壓在測量盲區(qū)內變化的原因。

2、傳感器輸出電壓計算

對雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓進行數(shù)值計算，波導絲選用性能較好的FｅGａ波導絲，其中角應變引起的磁場的變化率λ、周向磁致伸縮與軸向磁致伸縮均由實驗測得。由于波導絲中的脈沖電流頻率很高，根據(jù)激勵磁場的分布情況。其磁場強度H_ｄ(R)代替H_ｄ(ｒ)，磁環(huán)的規(guī)格為外圓半徑18mm，內圓半徑12mm，厚度6mm來計算。

2.1 雙磁環(huán)同向放置

選擇脈沖電流產生的激勵磁場強度為4.25kA/m，偏置磁場采用規(guī)格及中心磁場完全相同的兩個環(huán)形永磁體。計算了偏置磁場強度為3kA/m、4kA/m與5kA/m的三組磁環(huán)，在同向放置不同間距時輸出電壓的大小。由于磁環(huán)間的間距較小，忽略扭轉信號的傳輸衰減，磁環(huán)1與磁環(huán)2的輸出電壓的大小與變化相同。用同一曲線表示，可以發(fā)現(xiàn)磁環(huán)間距較大時，磁環(huán)間影響較小，輸出電壓相對穩(wěn)定，兩個磁環(huán)相互靠近，偏置磁場強度為5kA/m的兩個磁環(huán)，間距為90mm時輸出電壓開始減小。測量盲區(qū)為90mm，偏置磁場強度為4kA/m的兩個磁環(huán)，測量盲區(qū)為77mm。偏置磁場強度為3kA/m的兩個磁環(huán)，測量盲區(qū)為70mm。當磁環(huán)間距小于20mm時，三組不同偏置磁場強度的兩個磁環(huán)的輸出電壓都逐漸增大,磁環(huán)的厚度為6mm,兩個磁環(huán)中心的最小距離為6mm。

2.2 雙磁環(huán)反向放置

偏置磁場強度為3kA/m、4kA/m與5kA/m的三組磁環(huán),在反向放置不同間距時輸出電壓的大小，可以發(fā)現(xiàn)當磁環(huán)間距較大時。磁環(huán)間影響較小，兩個磁環(huán)相互靠近，偏置磁場強度為5kA/m的兩個磁環(huán)，間距為90mm時輸出電壓開始增大。測量盲區(qū)為90mm，偏置磁場強度為4kA/m的兩個磁環(huán)。測量盲區(qū)為77mm，偏置磁場強度為3kA/m的兩個磁環(huán)。測量盲區(qū)為70mm，當磁環(huán)間距小于20mm時，兩組不同偏置磁場強度的兩個磁環(huán)的輸出電壓都逐漸減小。從以上計算結果可以發(fā)現(xiàn)?規(guī)格為外圓半徑18mm，內圓半徑13mm，厚度6mm的兩個磁環(huán)，間距較大時，輸出電壓變化較小，兩種放置方向的磁環(huán)隨磁環(huán)的靠近，輸出電壓會有不同的變化，磁環(huán)規(guī)格相同時，測量盲區(qū)的大小與磁環(huán)放置方向無關，與磁環(huán)偏置磁場的大小有關。磁環(huán)偏置磁場強度越小，輸出電壓開始變化時磁環(huán)的間距越小，即測量盲區(qū)越小，磁場疊加影響的電壓幅值的變化也越小，因此在對位移傳感器磁環(huán)選型時應考慮實際要求。

3、實驗驗證與分析

3.1 實驗平臺的搭建

對雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器的磁環(huán)間距、放置方向與輸出電壓的關系進行測試。在實驗中采用直徑0.5mm、長度750mm的FｅGａ磁致伸縮材料作為波導絲。TFG6920A型信號發(fā)生器作為脈沖電源輸出?輸出信號為頻率1ｋHｚ，高電平為5V，低電平為0V，脈寬為7μｓ的脈沖信號。DPO3014型四通道示波器作為檢測信號的采集顯示裝置。將示波器的探頭與線圈的兩端連接來檢測磁致伸縮逆效應產生的電壓。兩個相同中心磁場的環(huán)形永磁體作為偏置磁場，利用高斯計測量磁環(huán)中心點處磁感應強度的大小。再根據(jù)環(huán)形永磁體的偏置磁場強度，環(huán)形永磁體的材料為釹鐵硼，規(guī)格為外圓半徑18mm，內圓半徑12mm，厚度6mm。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 雙磁環(huán)同向放置

首先在位移傳感器上將兩個5kA/m的磁環(huán)同向放置相距100mm,可以得到與單磁環(huán)相同電壓幅值的穩(wěn)定輸出電壓,為磁環(huán)間距100mm和50mm的輸出電壓波形?？梢郧逦乜吹诫妷悍惦S磁環(huán)間距的減小而減小，同時記錄偏置磁場強度為3kA/m、4kA/m與5kA/m的三組雙磁環(huán)，隨磁環(huán)間距的改變，輸出電壓變化由實驗數(shù)據(jù)可以得到偏置磁場強度為5kA/m的兩個磁環(huán)，測量盲區(qū)為100mm間距為30mm時，輸出電壓達到最小，輸出電壓下降15ｍV，偏置磁場強度為4kA/m的兩個磁環(huán)?測量盲區(qū)為85mm，間距為30mm時輸出電壓達到最小?輸出電壓下降11ｍV，偏置磁場強度為3kA/m的兩個磁環(huán)，測量盲區(qū)為80mm，間距為30mm時輸出電壓達到最小，輸出電壓下降6ｍV。

3.2.2 雙磁環(huán)反向放置

將偏置磁場強度為5kA/m的磁環(huán)反向放置重新測量,同樣磁環(huán)間距100mm，可以得到與單磁環(huán)相同電壓幅值的穩(wěn)定輸出電壓，為磁環(huán)間距100mm和50mm的輸出電壓波形?？梢郧逦乜吹诫妷悍档淖兓?， 同時記錄偏置磁場強度為3kA/m、4kA/m與 5kA/m的三組雙磁環(huán)。隨磁環(huán)間距的改變，輸出電壓變化，由實驗數(shù)據(jù)可以得到偏置磁場強度為5kA/m的兩個磁環(huán)。測量盲區(qū)為100mm，間距為30mm時輸出電壓達到最大，輸出電壓增大13mV，偏置磁場強度為4kA/m的兩個磁環(huán)，測量盲區(qū)為85mm，間距為30mm時輸出電壓達到最大。輸出電壓增大9mV，偏置磁場強度為3kA/m的兩個磁環(huán)。測量盲區(qū)為80mm，間距為30mm時輸出電壓達到最大，輸出電壓增大8mV。

兩種放置方向的磁環(huán)在相互靠近的過程中，理論與實驗輸出電壓的變化趨勢是一致的。將實驗結果與計算結果對比，存在一定誤差。 其中測量盲區(qū)大小的誤差是由實驗中對磁環(huán)的偏置磁場強度、剩磁量及規(guī)格測量的誤差引起的。電壓幅值變化量的誤差是實驗中磁環(huán)偏置磁場強度的測量、波導絲兩端產生的反射波及環(huán)境電磁波等因素引起的。

3.2.3 雙磁環(huán)間距大小

理論中計算了磁環(huán)間距最小到6mm時的輸出電壓，而實驗中磁環(huán)的間距最小為30mm。這是因為在磁環(huán)相互靠近的過程中，輸出電壓信號會疊加變成新的畸變信號，此時電壓輸出信號不僅與偏置磁場、磁環(huán)間距有關還與信號波形的疊加有關。根據(jù)實驗可以測得，兩組不同偏置磁場強度的兩個磁環(huán)之間的距離為30mm時，兩個電壓波形會出現(xiàn)疊加的現(xiàn)象。磁環(huán)間距小于30mm時電壓變化較大且無法預測輸出電壓的變化，電壓輸出信號的寬度決定了電壓波形開始疊加時磁環(huán)間的距離。而電壓輸出信號的寬度與檢測裝置及激勵信號有關。故當檢測裝置與激勵信號確定后，電壓輸出信號開始疊加時磁環(huán)間的間距是固定的?？梢杂蓪嶒灉y得，雙磁環(huán)同向放置間距30mm的輸出電壓波形根據(jù)上述實驗可以發(fā)現(xiàn)兩種不同放置方向以及不同偏置磁場強度的磁環(huán)在相互靠近的過程中，電壓輸出信號的實驗結果與計算結果變化趨勢是一致的?且電壓輸出信號受偏置磁場與電壓波形的疊加影響? 測量盲區(qū)的大小與磁環(huán)放置方向無關?與磁環(huán)偏置磁場的大小有關。磁環(huán)偏置磁場強度越小，磁環(huán)間的測量盲區(qū)越小。磁場疊加影響的電壓幅值變化也越小， 偏置磁場的大小不僅與磁環(huán)間測量盲區(qū)有關還與傳感器的量程有關。因此在實際應用中應綜合考慮傳感器應用環(huán)境選擇合適的磁環(huán)進行安裝?從而達到測量目的。

4、結 論

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

磁環(huán)規(guī)格相同時，測量盲區(qū)的大小與磁環(huán)放置方向無關，與磁環(huán)偏置磁場的大小有關。磁環(huán)偏置磁場強度越小，磁環(huán)間的測量盲區(qū)越小，磁場疊加影響的電壓幅值變化量也越小。當磁環(huán)規(guī)格為外徑36mm，內徑24mm，厚度6mm時，磁環(huán)偏置磁場強度為3kA/m的雙磁環(huán),比磁環(huán)偏置磁場強度為5kA/m的雙磁環(huán)測量盲區(qū)小20mm，且電壓幅值的變化量小9mV。

在磁環(huán)相互靠近的過程中，輸出電壓信號會疊加變成新的畸變信號，此時電壓輸出信號不僅與磁場疊加有關還與信號波形有關。在這個過程中電壓變化較大且無法準確預測電壓的變化。

綜上，在進行實際測量時，應綜合考慮傳感器各方面要求后，通過計算選擇合適的磁環(huán)，從而達到測量要求，減小雙磁環(huán)磁致伸縮位移傳感器磁環(huán)間的測量盲區(qū)。