磁致位移傳感器檢測線(xiàn)圈與信號振蕩關(guān)系研究

1、引言

細長(cháng)直線(xiàn)磁致伸縮傳感器是利用磁致伸縮材料的磁致伸縮效應實(shí)現的一種絕對式位移傳感器，主要用于距離測量領(lǐng)域，如：液位測量、水位監測等領(lǐng)域，尤其是易燃易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的環(huán)境中[1]。

該種傳感器通過(guò)檢測線(xiàn)圈來(lái)監測磁致伸縮直線(xiàn)上磁疇變化引起的磁通量的變化，并通過(guò)相應的時(shí)間計算得出實(shí)測點(diǎn)的位移。按照引起磁通量變化的主要影響因素可將線(xiàn)圈檢測到的電壓波形分為感應波形和彈性波形兩種，其中，感應波是由傳感器系統驅動(dòng)脈沖電流發(fā)生時(shí)，在磁致伸縮線(xiàn)體材料上產(chǎn)生的周向磁場(chǎng)作用下，磁致伸縮材料發(fā)生磁化和磁致伸縮變化引起的;彈性波形是在磁致伸縮效應作用下磁致伸縮線(xiàn)體材料中產(chǎn)生了的扭轉式超聲波，當扭轉波到達檢測線(xiàn)圈位置時(shí)，磁性材料在逆磁致伸縮效應下產(chǎn)生的[2]。

首先，感應波信號較彈性波信號強許多，相對容易檢測和分析;其次，感應波影響因素相對較少，易于給出相應的理論分析和解釋;第三，感應波發(fā)生時(shí)，磁致伸縮材料發(fā)生的物理變化是產(chǎn)生彈性波的直接原因，對感應波的機理研究將對研究彈性波有著(zhù)重要的意義。

作者對傳感器系統中的感應波進(jìn)行了多種方案的檢測，分析了感應波波形中振蕩發(fā)生的主要原因，對檢測線(xiàn)圈匝數與感應波的波形信號關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗分析和理論探討，為該種傳感器檢測系統的設計及線(xiàn)圈參數的確定提供了理論依據和實(shí)驗數據。

2、細長(cháng)直線(xiàn)磁致傳感器基本原理

磁致伸縮傳感器基本工作原理如圖1所示。

圖1 磁致伸縮直線(xiàn)傳感器基本工作原理圖

當給磁致伸縮線(xiàn)加以脈沖電流Ip時(shí)，線(xiàn)的附近便會(huì )產(chǎn)生周向磁場(chǎng)Фi;另一方面，在該線(xiàn)附近的永久磁鐵會(huì )引發(fā)軸向磁場(chǎng)Фm。當脈沖電流Ip流過(guò)磁致伸縮線(xiàn)時(shí)，兩磁場(chǎng)Фi和Фm合成一個(gè)瞬間扭轉磁場(chǎng)Ф。由于磁致伸縮效應，導致合成磁場(chǎng)處的磁致伸縮線(xiàn)發(fā)生瞬間形變，進(jìn)而產(chǎn)生彈性波，并沿軸向以一定的速度v向線(xiàn)的兩端傳播。

由于磁致伸縮線(xiàn)體材料的長(cháng)度L遠遠大于直徑D，則在計算周向磁場(chǎng)時(shí)可將線(xiàn)體假設為無(wú)限長(cháng)。如圖1所示，在線(xiàn)的一端設有檢測線(xiàn)圈，當加載脈沖電流Ip時(shí)，載流無(wú)限長(cháng)直導線(xiàn)周?chē)拇鸥袘獜姸菳為：

B=(μ0I)/(2πr0) (1)

在此磁場(chǎng)作用下，檢測線(xiàn)圈覆蓋的線(xiàn)體材料中的磁疇發(fā)生偏轉和磁疇壁的位移，改變了軸向磁通量的大小，在檢測線(xiàn)圈中便產(chǎn)生電壓波形，在此稱(chēng)為感應波形。當扭轉波到達檢測線(xiàn)圈時(shí)，由于機械應力的改變，在逆磁致伸縮效應的作用下，線(xiàn)體中的磁疇發(fā)生變化引起軸向磁通量發(fā)生變化，在線(xiàn)圈中產(chǎn)生電壓波形，稱(chēng)為彈性波形。

根據法拉第電磁感應定律，當檢測線(xiàn)圈軸向發(fā)生磁能量改變時(shí)，在線(xiàn)圈兩端便產(chǎn)生感應電動(dòng)勢e，其大小如(2)式所示。

e=-NS(B/t) (2)

式中 e：感應電壓 [V];N：檢測線(xiàn)圈的匝數;S：檢測線(xiàn)圈金屬線(xiàn)橫截面積 [m2];B：磁通密度 [T]。由于B/t也是隨時(shí)間變化的量，所以，e是t的函數。

位移的檢測是通過(guò)計算彈性波從磁鐵到檢測線(xiàn)圈之間的傳播時(shí)間t來(lái)實(shí)現的，設彈性波的傳播速度為v，則永久磁鐵到線(xiàn)圈的距離L如(3)式所示[3]。

L=vt (3)

由圖1及磁致伸縮傳感器原理可知，不僅彈性波對檢測信號有影響，而且感應波對檢測信號也有影響;在實(shí)際工作系統中，影響檢測信號的還應有周向磁場(chǎng)直接對線(xiàn)圈的影響、環(huán)境磁場(chǎng)對線(xiàn)圈的影響、各種環(huán)境電磁波信號對線(xiàn)圈的影響以及線(xiàn)圈及附屬檢測系統電路自身的電氣特性對信號的影響。

3、檢測線(xiàn)圈與檢測信號

作者采用不同匝數的檢測線(xiàn)圈，對感應波信號進(jìn)行了檢測，檢測線(xiàn)輥相關(guān)技術(shù)參數如圖2所示，檢測結果如圖3所示?？梢钥闯?，隨著(zhù)檢測線(xiàn)圈匝數的增加，感應波振幅變大，周期變長(cháng)。

(a) 200匝 　　　　(b) 1000匝

圖3 不同匝數線(xiàn)圈檢測到的感應波形

圖4為不同匝數線(xiàn)圈檢測到的感應波形的峰峰值變化，及第一個(gè)尖峰值的變化。

(a) 峰峰值　　　 (b) 第一峰值

圖4 不同匝數線(xiàn)圈檢測到的峰值

由圖3和圖4可知，在驅動(dòng)脈沖電流的脈沖方波作用下，脈沖方波的前沿(上升沿)在線(xiàn)圈中產(chǎn)生正向的振蕩波形，本文稱(chēng)之為前沿振蕩;脈沖方波的后沿(下降沿)在線(xiàn)圈中產(chǎn)生負向的振蕩波形本文稱(chēng)為后沿振蕩，它們有以下特點(diǎn)：

① 感應波波形發(fā)生了兩次變化，其中一次發(fā)生在驅動(dòng)脈沖方波的前沿(上升沿)，一次發(fā)生在后沿(下降沿);② 隨著(zhù)線(xiàn)圈匝數的不斷增加，前沿振蕩和后沿振蕩的振幅不斷增大，周期也不斷變長(cháng);③ 振蕩的影響時(shí)間隨線(xiàn)圈匝數的增加而變長(cháng)，直到前沿振蕩和后沿振蕩交織在一起，當交織的前沿振蕩與后沿振蕩相位一致時(shí)峰峰值變大，當前沿振蕩與后沿振蕩相位相反時(shí)峰峰值變小;④由第一峰值的變化可知，隨著(zhù)線(xiàn)圈匝數的不斷增加，第一峰值不斷變大。

本文對不同匝數線(xiàn)圈檢測到的感應波進(jìn)行了頻譜分析，隨線(xiàn)圈匝數的變化感應波周期及頻率變化如圖5、圖6所示。

圖5 線(xiàn)圈匝數與周期的關(guān)系 圖6 線(xiàn)圈匝數與頻率的關(guān)系

而對同匝線(xiàn)圈不同線(xiàn)體材料進(jìn)行測試時(shí)，感應波主頻基本一致，如表1所示。表中所示數據是采用500匝檢測線(xiàn)圈，對六種線(xiàn)體材料、兩種初始化方案下進(jìn)行的感應波檢測和主頻分析。由表可知，在線(xiàn)圈匝數為500匝時(shí)，所檢測到的感應波形的振蕩頻率基本保持在386kHz附近。