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磁致伸縮位移傳感器是利用力磁耦合產(chǎn)生的磁彈性波在磁伸波導(dǎo)絲中傳播延時效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)位移測量。該傳感器具有測量精度高、測量范圍大、重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、非接觸測量以及適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于石油、化工和機(jī)械制造等領(lǐng)域。本文闡述了力磁耦合扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波的產(chǎn)生和感應(yīng)線圈檢測磁彈性波產(chǎn)生電信號機(jī)理，優(yōu)化了磁致伸縮位移傳感器的激勵信號參數(shù)和檢測信號脈寬調(diào)制( PWM)處理電路，所得傳感器信號更易處理和控制，實(shí)現(xiàn)待測量D/A 顯示，并對優(yōu)化后傳感器性能進(jìn)行相關(guān)分析。

1、磁致伸縮位移傳感器的相關(guān)理論

1.1 力磁耦合扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波產(chǎn)生分析磁致伸縮材料具有優(yōu)異的電磁性能，當(dāng)其同時受到縱向磁場和軸向環(huán)形磁場共同作用時，磁疇排列發(fā)生改變，在宏觀上表現(xiàn)為材料的扭轉(zhuǎn)。

此處不考慮溫度變化影響，則磁疇的自由能僅由自身內(nèi)應(yīng)力和外界磁場決定。磁伸材料未施加激勵電流時，環(huán)形磁場H_p=0，此時磁疇僅受到內(nèi)應(yīng)力和永久磁體產(chǎn)生的軸向磁場H_e作用，M₁為磁疇平衡時取向。磁伸材料施加周期性瞬時激勵電流I_p時，根據(jù)右手定則，在波導(dǎo)絲周圍產(chǎn)生周期性的瞬時環(huán)形磁場H_p，其與軸向磁場H_e耦合疊加并共同作用于磁疇，M₂為此時磁疇平衡時取向，使磁疇取向在空間上偏轉(zhuǎn)一定角度，磁疇的偏轉(zhuǎn)引起材料宏觀上扭轉(zhuǎn)變形，使待側(cè)位置處形成振動源，即產(chǎn)生力磁耦合扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波，實(shí)現(xiàn)電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

1.2 感應(yīng)線圈檢測磁彈性波產(chǎn)生電信號機(jī)理

力磁耦合扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波的檢測方法是采用磁致伸縮逆效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)待測位置處產(chǎn)生磁彈性波后，形成的振動源沿磁伸材料以聲速v向兩端傳播，傳向末端所引起的振動經(jīng)阻尼裝置吸收，根據(jù)逆磁致伸縮效應(yīng)，傳向前端的振動會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)式?jīng)_擊波，致使檢測線圈處磁伸材料內(nèi)部磁疇變化，進(jìn)而引起其周圍磁場改變。

彈性波拾取裝置，線圈直接纏繞到波導(dǎo)絲的一端，偏置磁鐵用于整形檢測線圈感應(yīng)的激勵脈沖信號。當(dāng)磁伸材料周圍磁場變化時，反映待測位置處磁感應(yīng)強(qiáng)度B、感生磁場強(qiáng)度M和介質(zhì)磁場強(qiáng)度H之間關(guān)系B=μ₀(M + H) ，式中μ₀為真空磁導(dǎo)率。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，檢測線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電磁能。

2、磁致伸縮位移傳感器測量原理

根據(jù)傳感器的工作原理，當(dāng)激勵信號模塊產(chǎn)生的脈沖電流I_p施加于磁伸材料波導(dǎo)絲時，脈沖沿磁伸材料向前傳播，根據(jù)電磁理論，其周圍產(chǎn)生周向環(huán)形磁場Φ_a，該磁場與游標(biāo)磁環(huán)產(chǎn)生的縱向磁場Φ_b 耦合得到瞬間扭轉(zhuǎn)磁場Φ_c，由于磁致伸縮效應(yīng)，導(dǎo)致合成磁場處的磁致伸縮線內(nèi)部磁疇發(fā)生瞬間形變，在波導(dǎo)絲表面形成力磁耦合磁彈性波，并沿軸向以聲速v向波導(dǎo)絲兩端傳播，傳向末端的磁彈性波被阻尼器件吸收，傳向激勵端的信號則被檢波裝置接收。

感應(yīng)線圈感應(yīng)產(chǎn)生的輸()出信號(通過檢測信號調(diào)理電路，得到正比于測量位移的PWM信號。時間差測量示意圖，設(shè)磁彈性波的傳播速度為 v，通過計算磁彈性波從發(fā)生位置至測量基點(diǎn)間的時間t得出待測位移量，故磁鐵至感應(yīng)線圈間的距離為。

3、傳感器電路系統(tǒng)設(shè)計

磁致伸縮位移傳感器電路結(jié)構(gòu)框圖，主要由激勵信號產(chǎn)生電路、檢測信號處理電路和D/A顯示部分組成

3.1 激勵信號發(fā)生電路設(shè)計

激勵信號發(fā)生電路主要包括脈沖信號發(fā)生電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路和脈沖功率放大電路組成。本實(shí)驗(yàn)選用的鐵鎳合金材料直徑0.75mm、長度92cm，分析鐵鎳合金材料本身性能和相關(guān)理論，實(shí)驗(yàn)選用NE555組成的多諧振蕩器產(chǎn)生周期為1.5ms的矩形波信號。為了方便后續(xù)電路脈寬可調(diào)，需給鐵鎳合金施加6～12μs的窄脈沖，本實(shí)驗(yàn)選用10μs的窄脈沖信號。

由于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的(窄信號帶負(fù)載能力弱，不足以直接驅(qū)動波導(dǎo)絲產(chǎn)生磁彈性波。本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計了由TDA1514構(gòu)成的窄脈沖功率驅(qū)動放大電路，脈沖功率放大信號，輸出的窄脈沖信號幅值達(dá)10.3V，實(shí)驗(yàn)所用鐵鎳合金直流電阻器為2.43Ω，將激勵脈沖信號加載到波導(dǎo)絲材料，其脈沖電流幅值高達(dá)4.24A，滿足實(shí)驗(yàn)激勵要求。

3.2 傳感器輸出信號電路設(shè)計

由于檢測線圈的感應(yīng)信號十分微弱，僅有幾毫伏，且頻率較高，還有雜波干擾，故必須將其進(jìn)行濾波、放大等處理，感應(yīng)信號濾波放大波形圖，前兩個信號分別為感應(yīng)到的激勵信號和磁彈性波信號，第三個信號是由磁彈性波信號傳至傳感器末端反射而形成的，故通過電壓滯回比較電路得到三個脈沖信號。

考慮到末端反射波脈沖信號對后續(xù)時間測量的影響，設(shè)計了PWM電路，采用CD4013構(gòu)成D觸發(fā)器，通過捕捉參考脈沖信號和比較電路的磁彈性波信號的脈沖上升沿而產(chǎn)生PWM信號，為了使參考脈沖信號與感應(yīng)信號相位一致，本實(shí)驗(yàn)選用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)信號作為參考脈沖信號，且需調(diào)節(jié)合適的脈寬，使其大于感應(yīng)信號激勵波的脈寬，這樣通過硬件電路有效地消除了末端反射波造成的影響，提高信號質(zhì)量，觸發(fā)信號的響應(yīng)快，方便后續(xù)處理。

4、傳感器性能測試與分析

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對傳感器性能進(jìn)行測試，本實(shí)驗(yàn)選用92cm鐵鎳合金材料實(shí)驗(yàn)，去除傳感器檢測線圈端和末端測量盲區(qū)，該傳感器有效測量量程84cm，滑動磁鐵組件，每隔3cm記錄一組數(shù)據(jù)，同時，記錄模擬式電壓值和數(shù)字式時間示數(shù)，測得數(shù)據(jù)分別通過Matlab軟件最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，通過數(shù)字式和模擬式擬合曲線可以看出：實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)均勻地分布在擬合直線上，且在該傳感量程范圍內(nèi)擬合線性度高。

5、結(jié) 論

本文設(shè)計了一種數(shù)字/模擬式鐵鎳合金磁致伸縮位移傳感器，研究并分析力磁耦合扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波產(chǎn)生和感應(yīng)線圈檢測磁彈性波產(chǎn)生電信號機(jī)理，在PWM電路設(shè)計中，通過觸發(fā)電路很好地消除了波導(dǎo)絲末端反射波信號。根據(jù)傳感器相應(yīng)參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，當(dāng)激勵脈沖信號脈寬為 10μs，激勵功放幅值達(dá)10.3V，檢測線圈匝數(shù)為600匝時，該傳感器的激勵脈沖信號驅(qū)動鐵鎳合金波導(dǎo)絲效果理想，兩種反映鐵鎳合金磁致伸縮位移傳感器測量線性度的輸出方式線性度相當(dāng)，基本能夠滿足設(shè)計的整體要求，該傳感器系統(tǒng)設(shè)計成本低，結(jié)構(gòu)簡單，為后續(xù)基于磁致伸縮效應(yīng)的相關(guān)位移傳感。