Fe-Ga磁致伸缩位移传感器驱动电流位置调整与回波速度校正*

谢新良,张露予,王博文,管红立

(河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室,天津 300130)

Fe-Ga磁致伸缩位移传感器驱动电流位置调整与回波速度校正*

谢新良,张露予,王博文*,管红立

(河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室,天津 300130)

通过对传统Fe-Ga磁致伸缩位移传感器驱动脉冲电流输入端位置的改进,降低了驱动脉冲电流噪声对检测线圈输出电压的影响,并使检测线圈输出电压信噪比由15.5 dB提高至23.7 dB。基于应力波无阻尼反射原理提出一种新的回波速度校正法,确立了回波速度与波导丝长度、应力波传播时间、反射波传播时间的数学关系,并给出此表达式适用的驱动脉冲电流频率范围。制作了样机,通过实验验证了此方法最大位移测量误差减小到原来的1/5,为Fe-Ga磁致伸缩位移传感器输出性能研究提供了理论依据。

磁致伸缩位移传感器;结构;回波速度;信噪比;无阻尼反射

磁致伸缩位移传感器MDS(Magnetostrictive Displacement Sensor)因精确度高、安全性好、易于安装和维护且能实现多参数测量、具有非接触性等优点,广泛应用于机器人、超精密仪器、机械自动化过程等领域[1-5]。传统磁致伸缩位移传感器都是将驱动脉冲电流输入端加在波导丝最前端[6-12],驱动脉冲电流会流过整段波导丝,致使检测线圈输出的电压信号受驱动脉冲电流噪声的影响较大,目前没有文章对此问题展开研究。

回波速度是影响传感器测量准确度的关键因素,温度变化较大时需对其进行校正。文献[10]提出在波导丝底部安装固定磁铁以实现回波速度校正;文献[11]采用双辅助磁铁对回波速度校正。但引入辅助磁铁会降低电压信号的信噪比、产生测量盲区、减小传感器的有效量程。文献[12]采用最小二乘法对数据进行多次拟合,通过误差评判标准选定逼近程度最好的拟合曲线方程作为传感器的校正方程,其精度得到提高,但是需进行大量的高精度测量实验,且不同材料和不同尺寸波导丝的最小二乘拟合方程差异较大,拟合过程繁琐,其应用范围受到限制。

基于上述问题,本文提出将Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的驱动脉冲电流输入端移至检测线圈右端口处,并设计实验验证了此方案的有效性和合理性。提出了一种基于应力波无阻尼反射的回波速度校正法,通过理论推导和实验研究验证了此方法的正确性和有效性。

1 驱动脉冲电流位置调整

磁致伸缩位移传感器主要由波导丝、永磁体、检测线圈、信号处理单元、阻尼、脉冲发生器及放大电路等组成,其结构如图1所示。

图1 磁致伸缩位移传感器结构

磁致伸缩位移传感器的原理是基于磁致伸缩材料的魏德曼效应和磁致伸缩逆效应[13]。其工作原理是永磁体产生的轴向偏置磁场和驱动脉冲电流产生的周向激励磁场合成一个螺旋磁场[6],使得波导丝内的磁畴发生局部瞬时扭转而产生一个应力波,应力波以一个恒定速度向波导丝两端传播,当传播到检测线圈时,在磁致伸缩逆效应的作用下,波导丝内机械应力的改变导致磁感应强度发生变化[14],根据电磁感应定律可知此时检测线圈两端有电压输出。

由图1知,传统磁致伸缩位移传感器的驱动脉冲电流流过整段波导丝,检测线圈位于波导丝最左端,其既能检测到应力波产生的磁通变化,也能检测到波导丝内驱动脉冲电流波动引起的磁通变化,根据法拉第电磁感应定律,检测线圈输出的电压如式(1)。

(1)

式中:e为检测电压;φ为磁通量;N为检测线圈的匝数;S为检测线圈的等效横截面积;B1为应力波产生的磁感应强度;B2为脉冲电流产生的磁感应强度。

根据文献[15],应力波产生的磁感应强度B1如式(2),电流产生的磁感应强度B2如式(3)。

B1=4πurλ(∂u/∂x)

(2)

B2=u0I/(2πR)

(3)

式中,ur为相对磁导率;λ为角应变引起的磁场变化率;∂u/∂x为角应变;I为电流;R为检测线圈的线辊半径。

当驱动脉冲电流的上升沿和下降沿与应力波到达检测线圈的时间错开,此时由式(1)得到仅由应力波产生的电压(此时脉冲电流为零,即B2=0)如式(4),仅由电流变化产生的电压(此时应力波未传播到检测线圈,即B1=0)如式(5)。

(4)

(5)

磁致伸缩位移传感器的测量原理表明,应力波产生的电压信号e1为检测线圈输出的有效信号,驱动脉冲电流产生的电压信号e2为噪声信号。传感器工作时,检测线圈输出的电压信号送到信号处理装置,信号处理的目的是提取有效信号e1,去除噪声信号e2,有效信号越大,噪声信号越小,传感器的精度越高。故驱动脉冲电流产生的噪声信号直接影响磁致伸缩位移传感器的精度,其噪声主要来源于以下3个方面:①元器件产生的固有噪声;②来源于电路本身设计或安装工艺上的缺陷;③来源复杂的干扰噪声如线路串扰噪声,传输噪声。

想要提高传感器的测量精度,需减小e2或增大e1/e2比值。为此本文提出将传统结构中位于检测线圈左端口处的驱动脉冲电流输入端移动到检测线圈的右端口处,改进后结构如图2所示。此时,检测线圈覆盖部分的波导丝没有驱动脉冲电流流过,所以检测线圈输出的电压中不含驱动脉冲电流波动引起的噪声电压e2,检测线圈输出电压如式(4),避免了驱动脉冲电流噪声对检测线圈输出电压信号的干扰。

图2 驱动脉冲电流位置调整

2 回波速度校正

传统位移传感器在测量时认为环境温度与常温相差较小时,回波速度为常数[1-9],其测量原理图如图3所示。只需测量永磁体位置处的应力波向左传播到检测线圈的时间tLx,经式(6)可计算永磁体与检测线圈间的位移Lx,其中v为回波速度(应力波传播速度)。图3中L为波导丝长;eL为应力波产生后向左传播通过检测线圈时输出的电压信号。

Lx=v·tLx

(6)

图3 传统测量方法

要实现回波速度的校正,需测出应力波在某段已知位移的传播时间,根据式(6)实现回波速度的校正,传统位移测量方法无法满足这一要求。本文提出去除波导丝右端的阻尼(原理见图4),致使向右传播的应力波在波导丝右端发生无阻尼反射后传播到检测线圈时输出电压信号eR,其传播时间为t(2L-Lx)。

图4 应力波无阻尼反射

图5 无阻尼反射的输出电压波形

从图4中可知,无论永磁体在波导丝什么位置处,永磁体处产生的应力波向左传播到检测线圈的位移与向右传播并在右端发生反射后传播到检测线圈的位移之和总是2L,所以要想实现回波速度的校正,则需测量出tLx、t(2L-Lx)。图5示出了此时检测线圈输出的波形。

由图5可得:①由于波导丝右端无阻尼、左端有阻尼,所以驱动脉冲电流输入波导丝后检测线圈输出的电压信号只有两个峰值;②应力波在末端发生反射时会产生一定的衰减,所以电压信号的第1个峰值比第2个峰值幅值高;③电流的速度远大于应力波的传播速度,即脉冲电流与应力波的产生是同一时刻,所以两个电压峰值时刻与脉冲电流之间的时间分别为应力波传播Lx和2L-Lx的时间。

根据式(6)和式(7)可确立回波速度v与波导丝长度、应力波传播时间、反射波传播时间的数学关系如式(8)所示。

2L-Lx=v·t(2L-Lx)

(7)

v=2L/(tLx+t(2L-Lx))

(8)

式(8)表明只要测量出波导丝的长度、应力波传播时间、反射波传播时间,就可实现回波速度校正。

将校正后的回波速度代入到式(6)中,得回波速度校正后位移Lx的表达式,如式(9),即被测位移量与波导丝长度、应力波传播时间、反射波传播时间的关系。当传感器所处环境温度改变引起回波速度变化时,式(8)可实现实时对回波速度进行校正,由式(9)计算位移Lx时不受回波速度变化的影响。

(9)

磁致伸缩位移传感器采用驱动脉冲电流来产生周向激励磁场,为避免反射波与下一个驱动脉冲电流产生的应力波发生重叠,影响t(2L-Lx)的准确测量,驱动脉冲电流频率f应满足式(10)。实验用到的波导丝长500mm,测得常温下应力波的传播速度约为2 777m/s,所以在常温下驱动脉冲电流频率不能超过2 777Hz。

1/f>2L/v

(10)

基于应力波无阻尼反射的回波速度校正法,克服了引入辅助磁铁带来测量范围减小和输出信号信噪比降低的缺点,避免了基于最小二乘拟合法需要大量高精度测量实验和对于不同材料或不同尺寸的波导丝需重新拟合的问题。

3 实验结果分析

采用课题组设计的样机[16](按照前文所述方法加载脉冲电流)进行了实验,实验中采用的波导丝为Fe-Ga材料,电源为稳压电源和可调电源,采用TFG6920A型信号发生器,电压信号的采集显示装置为DPO3014型的四通道示波器,其时间分辨率能够达到0.4ns。脉冲频率设置为200Hz,宽度为7μs,高电平为20V,波导丝半径为0.25mm,波导丝长500mm,检测线圈匝数为600,线径为0.06mm,单匝线圈面积15.89mm2。

3.1 驱动脉冲电流位置调整前后输出电压对比

课题组研究结果表明采用周向激励磁场与轴向偏置磁场相等且磁场强度均为3kA/m,可获得较大的电压信号[5-6,16],本实验仍采用上述方式加载磁场。驱动脉冲电流输入端位置变化前后输出的电压信号如图6所示。

图7 永磁体在不同位置时的输出电压波形

图6 驱动脉冲电流位置调整前后的电压波形

实验结果表明:①由于波导丝材料的磁导率较大,检测线圈输出的电压信号会受到脉冲电流产生磁场的影响,但从脉冲电流产生的感应电压幅值减小可知,将脉冲电流输入端移动到检测线圈右端口后,检测线圈受到脉冲电流影响减小;②驱动脉冲电流输入端位置变化时,应力波产生的电压波形基本一致,表现在应力波产生的电压峰值、相位相同,但传统结构输出电压信号的毛刺(杂波)较多,这是由检测线圈覆盖部分的波导丝有驱动脉冲电流流过造成的。

信号的信噪比计算公式如式(11),vs和vn分别代表有效信号和噪声信号电压的有效值,算得传统结构的信噪比为15.5dB,将脉冲电流输入端移至检测线圈右端口处,信噪比提高到23.7dB,故信噪比明显提高。

SNR=20lg(vs/vn)

(11)

3.2 回波速度校正实验

永磁体在不同位置时,检测线圈输出的电压信号如图7所示。电压波形中存在两个峰值与理论分析一致,但第1个峰值大于第2个峰值,主要与应力波反射时产生了一定的衰减有关。其中,检测线圈输出的第1个峰值电压是由永磁体处的应力波向左传播时产生的,第2个峰值电压是由永磁体处的应力波向右传播经右端无阻尼反射后产生的。

当永磁体缓慢地向检测线圈方向移动(位移Lx逐渐减小),检测线圈输出电压信号的第1个峰值向左移动,第2个峰值向右移动,但是两者的时间之和不变为360μs。在应力波传播速度不知道的前提下,由式(9)可计算位移。实验之前的回波速度为2 777.2m/s,此时测量结果的最大误差达0.07mm,由式(8)校正后的回波速度为2 777.8m/s,此时最大误差为0.013mm,所以校正后的最大测量误差约减小到原来的1/5。

永磁体在位移为340.28mm时,不同环境温度下检测线圈输出的电压信号如图8所示。永磁体在波导丝上固定不动,温度变化改变了应力波的传播速度,所以时间tLx和t(2L-Lx)将改变。由图中数据可得:当温度变化时,未对回波速度校正时,回波速度取2 777.2m/s,此时最大测量误差达0.13mm,由式(8)对回波速度进行实时校正,利用式(9)计算位移时,最大测量误差降低到0.02mm,所以此方法可以对回波速度进行准确、有效的校正。

图8 永磁体位置不变时不同温度下的电压波形

4 结束语

①对传统Fe-Ga磁致伸缩位移传感器驱动脉冲电流输入端位置进行了改进,降低了驱动脉冲电流噪声对检测线圈输出电压的影响,并使检测线圈输出电压信噪比由15.5dB提高至23.7dB。

②基于应力波无阻尼反射原理提出一种新的回波速度校正法,确立了回波速度与波导丝长度、应力波传播时间、反射波传播时间的数学关系,并给出此表达式适用的驱动脉冲电流频率范围。

③制作了样机,并通过实验验证了基于应力波无阻尼反射的回波速度校正法的有效性,可使最大位移测量误差减小到原来的1/5。

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Adjustment of Drive Current Position and Correction of Echo Wave Speed of the Fe-Ga Magnetostrictive Displacement Sensor*

XIEXinliang,ZHANGLuyu,WANGBowen*,GUANHongli

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability,Hebei University of Technology,Tianjin 300130 China)

The input position of the drive pulse current in traditional Fe-Ga magnetostrictive displacement sensor is improved to reduce the effect of noise from the driving pulse current to the output voltage of detection coil. And the SNR of the output voltage is increased from 15.5 dB to 23.7 dB. A new method which is based on the principle of the stress wave is reflected undamped to correct the echo velocity. It establishes the mathematical relationship between the echo velocity,waveguide length of wire,the stress wave propagation time and the reflected wave propagation time. Moreover,the range of drive pulse current frequency has been given by this method. Based on the experimental results,a new type of Fe-Ga magnetostirctive displacement sensor is fabricated and it performs well. The experimental results verify that the maximum measurement error is reduced to 1/5 of the traditional ones. They provide important theoretical guidance in improving the output performance of Fe-Ga Magnetostrictive displacement sensor.

magnetostrictive displacement sensor;structure;echo velocity;SNR;undamped-reflection

谢新良(1993-),男,江西吉安人,硕士研究生,主要研究方向为磁致伸缩位移传感器及其应用xiexinliang1993@163.com;张露予(1989-),女,河北廊坊人,博士研究生,主要研究方向为磁致伸缩位移传感器理论与建模分析zhangluyu2011@163.com; 王博文(1956-),男,辽宁沈阳人,教授,博士生导师,主要研究方向为新型磁性材料与器件xxlsunday@126.com。

项目来源:国家自然科学基金项目(51171057);河北省高等学校创新团队领军人才培养计划(LJRC003)

2016-06-05 修改日期:2016-08-22

TP212.12

A

1004-1699(2017)01-0109-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.01.020