1、 1.概述2.設計建模3.分析驗證1.磁致伸縮原理等基本概念 2.系統設計原理闡述及儀器模型基本公式推導 3.儀器模型驗證及數據分析基于磁致伸縮效應的位移測量系統位移 位移是指物體位置對參考點產生的偏移量，是指物體相對于某參考坐標系一點的距離的變化量，它是描述物體空間位置變化的物理量。位移傳感器又稱為線性傳感器，是將位移轉換成電量的傳感器。 基于磁致伸縮效應的位移測量系統概述 磁致伸縮位移傳感器是利用磁致扭轉波作為傳播媒質的磁致伸縮式傳感器。該傳感器具有非接觸測量、精度高、重復性好、穩定可靠、環境適應性強等特點，一般應用于液體的測量，經過特殊封裝后也可用于其他測量場合。基于磁致伸縮效應的位移測

2、量系統所謂磁致伸縮是鐵磁物質(磁性材料）由于磁化狀態的改變，其尺寸在各方向發生變化。大家知道物質有熱脹冷縮的現象。除了加熱外，磁場和電場也會導致物體尺寸的伸長或縮短。鐵磁性物質在外磁場作用下，其尺寸伸長（或縮短），去掉外磁場后，其又恢復原來的長度，這種現象稱為磁致伸縮現象（或效應）。其中線磁致伸縮效應是焦耳在1842年發現的，其逆效應是壓磁效應。基于磁致伸縮效應的位移測量系統基本原理 基于磁致伸縮效應的位移測量系統的基本原理就是利用傳感器探頭把位移轉換成與之成比例的時間間隔的兩個脈沖，利用整形電路把兩個脈沖變成一個矩形脈沖，其寬度就是兩脈沖的時間間隔，根據時間間隔計算出位移。 該位移測量系統根

3、據輸入的位移量，引起時間間隔的變化，從而輸出相應的電壓波形，從而計算得到位移量。 基于磁致伸縮效應的位移測量系統優勢 該測量系統主要用來測量微小位移，普通的位移傳感器往往由于測量范圍小，在惡劣環境下 ( 振動 、油污、壓力等 ) 的工作能力差，安裝困難等原因而達不到要求。 由于作為確定位置的活動磁環和敏感元件并無直接接觸，因此傳感器可應用在極惡劣的工業環境中，不易受油漬、溶液、塵埃或其它污染的影響。此外，傳感器采用了高科技材料和先進的電子處理技術，因而它能應用在高溫、高壓和高振蕩的環境中。傳感器輸出信號為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數據也不會丟失，更無須重新歸零。由于敏感元件是非接觸的，就

4、算不斷重復檢測，也不會對傳感器造成磨損，可以大大地提高檢測的可靠性和使用壽命。 基于磁致伸縮效應的位移測量系統原理示意圖：基于磁致伸縮效應的位移測量系統 激勵脈沖發生電路產生激勵脈沖 S 1 ，經過放大電路放大之后施加給波導絲，產生一 個圍繞波導絲的旋轉磁場。位置磁鐵也產生一個固定的磁場，在這 2 個磁場的共同作用下，會產生一個螺旋狀磁場。該波沿著波導絲以固定速度向兩邊傳播，當它傳到一端的阻尼器，該波被減弱吸收;當它傳到波導絲一端的感應線圈，產生微弱的回波信號，傳感器信號處理電路對回波信號進行處理產生感應脈沖 S 2 。由于發射的激勵脈沖電流以光速傳播，其傳播時間可以忽略，所以通過時間測量電路

5、測得激勵脈沖 S 1 和接收到感應脈沖 S 2 的時間間隔，便可精確地計算出位置磁鐵的位置，即可實現絕對位移L 的測量。基于磁致伸縮效應的位移測量系統激勵電流脈沖S1 首先我們要在波導絲內通激勵電流脈沖，該電流會激發周向磁場，同時在該電流脈沖發生的同時，啟動計時器計數。經過反復試驗，當采用下列相關參數時，在磁致伸縮中加載瞬時驅動脈沖電流，當在長度為3.95m的磁致伸縮線中加載瞬時驅動脈沖電流=0.54A時，其接收到的彈性波電壓為約為12V，彈性波形比較明顯。基于磁致伸縮效應的位移測量系統 表1 實驗裝置參數基于磁致伸縮效應的位移測量系統 該系統的導線回路都被封裝在波導絲內，如下圖紅框所示。基于

6、磁致伸縮效應的位移測量系統如果兩個導線并排放置，兩個導線之間有間隙，如下圖在兩根導線的中間位置磁場最強，該磁場會和位置磁鐵產生的磁場作用，形成扭轉波。基于磁致伸縮效應的位移測量系統魏德曼效應 導磁材料在外加磁場作用下發生變形的效應稱為磁致伸縮效應，而當磁致伸縮效應是圓周上的扭轉時，則稱為周向磁致伸縮效應,又稱魏德曼效應。 基于磁致伸縮效應的位移測量系統 永久磁鐵的恒定磁場和驅動脈沖電流產生的周向磁場疊加后形成瞬間扭轉磁場,如圖所示。磁疇在瞬間扭轉磁場的作用下,由于材料的磁致伸縮效應,磁致伸縮線中的質點發生偏離平衡位置的振動,從而在線中產生彈性波,并向線的兩端傳播。 基于磁致伸縮效應的位移測量系

7、統根據測量的原理可知，我們是通過兩個磁場產生的扭轉波來測量位移，所以如果我們知道扭轉波的速度和傳播時間，就可以扭轉波傳播的路程，從而得到被測物的位移。 首先我們分析扭轉波的速度。在波導絲上取如圖所示為長度為 dx 的等截面波導絲單元， 為扭轉角，T 為扭矩，I 為極慣性矩， 為材料密度，G 為材料剪切模量。假設波導絲變形時橫截面始終保持為平面，通過假設，各個運動參量都可以簡化為 x 和時間 t 的函數。扭矩與扭轉角的關系為：基于磁致伸縮效應的位移測量系統扭矩與扭轉角的關系為：由動量矩定理可得扭矩與扭轉角的關系為 即波導絲中扭轉波傳播的波動方程為： 基于磁致伸縮效應的位移測量系統 由方程可得扭轉

8、波傳播速度為 ： 由此說明一定的溫度范圍內，扭轉波的傳播速度是恒定的，對于某種特定的材料，可由查閱相關手冊得到其扭轉波的傳播速度。本系統采用的波導絲材料為具有磁致伸縮特性的鐵鎳合金，速度V=2800 。 故儀器的數學模型為 是被測物位移，T是脈沖時間間隔，G是剪切模量， 是材料密度， 是零點位置 。 0LLsm/基于磁致伸縮效應的位移測量系統 要達到測量位移的目的，必須將扭轉波有效地接收下來。這里采用的方法是，將波導表面的扭轉應變轉換成縱向應變，再通過壓磁效應把縱向應變轉化為磁場，通過線圈轉換成電壓信號 。基于磁致伸縮效應的位移測量系統 在線的一端設有檢測線圈,當彈性波到達檢測線圈時,由于機械

9、應力的改變導致線中的磁疇發生變化,因此磁通密度也隨之變化。根據法拉第電磁感應定律,在檢測線圈兩端便產生感應電動勢。其大小為：基于磁致伸縮效應的位移測量系統 在得到扭轉波的速度后，我們需要確定扭轉波的傳播時間。根據磁致伸縮位移傳感器的工作原理分析可知，傳感器是通過測量激勵脈沖 S 1 與感應脈沖 S 2 的時間間隔來確定位移的。所以，時間間隔的檢測是實現傳感器高精度測量的關鍵所在。時間間隔的數字檢測方法有多種，其中直接計數法是將模擬信號輸出轉換為數字信號輸出，通過對數字信號進行計數測量來實現高精度時間測量。在此采用直接計數法。基于磁致伸縮效應的位移測量系統時間間隔測量即測量激勵脈沖 S 1 的產

10、生到感應脈沖 S 2 的接收之間的時間間隔 T，采用同步時鐘脈沖對時間間隔 T 進行計數測量。常用的方法如直接在產生激勵脈沖 S 1 的同時觸發計數器開始對同步時鐘脈沖計數，接收的感應脈沖 S 2 對計數器復位，停止計數 。但該方法不易實現，因為接收到的感應脈沖 S中有回波信號，對計數器復位有干擾。故本文采用通過RS觸發器將激勵脈沖 S 1 與感應脈沖 S 2 之間的時間間隔 T 轉化為 PWM 信號S 4 的寬度來測量。同時，為了消除感應脈沖 S 2 中激勵脈沖 S 1 的干擾，引入了延時脈沖 S3 。最終將 S 4 作為閘門信號控制對同步時鐘脈沖進行計數，即可精確測量出時間間隔 T。基于磁

11、致伸縮效應的位移測量系統 S3接R，S2接S基于磁致伸縮效應的位移測量系統 本系統采用CPLD實現時間間隔測量。 CPLD是指復雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發展出來的器件，相對而言規模大，結構復雜，屬于大規模集成電路范圍。是一種用戶根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。其基本設計方法是借助集成開發軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，通過下載電纜（“在系統”編程）將代碼傳送到目標芯片中，實現設計的數字系統。整個時間間隔獲取電路均在 CPLD 內部實現，有利于減少干擾，提高測量精度。CPLD 具有集成度高、工作速度快、編程方便、價格低廉等優點。芯片本身具

12、有較強的抗干擾能力，內部可實現硬件濾波算法和傳感器功能電路集成。此外與 FPGA 相比，CPLD 內部連線相對固定，延時小且可預測，更利于器件在高頻下工作 ，從而提高系統的測量分辨率。基于磁致伸縮效應的位移測量系統 基于磁致伸縮效應的位移測量系統 回波問題 在時間間隔測量中，磁致伸縮位移傳感器中的磁致扭轉波沿著波導絲向兩邊傳播，一端被阻尼器所吸收，另一端被感應線圈吸收產生回波信號，經放大濾波電路處理后產生感應脈沖 S 2 。若阻尼器未能全部吸收磁致扭轉波，則未被吸收磁致扭轉波傳至感應線圈而產生二次回波信號。隨著位置磁鐵的移動，距離越來越大，二次回波會越來越弱，被濾波電路消除。但在小范圍測位移時

13、，二次回波經過放大電路放大后，其電壓幅值接近一次回波的電壓幅值，濾波電路消除不了，則影響感應脈沖 S 2，對測量產生干擾。基于磁致伸縮效應的位移測量系統 本系統設計的感應脈沖信號處理電路能有效消除二次回波。由于時間測量只跟激勵脈沖與一次回波有關系，故通過在 CPLD 內部編程實現，在一個測量周期里，只捕捉 S 5 的前 2 個高電平脈沖，將檢測到的第 2 個脈沖的高電平延時一定時間達到消除二次回波的目的，從而保證測量結果的準確性。基于磁致伸縮效應的位移測量系統 減小計數誤差： 在基于 CPLD 的時間間隔測量過程中，采用 CPLD 的基準時鐘50 MHz 晶振。要想消除晶振帶來的隨機誤差，獲得

14、較準確的計數數值，提高系統的可靠性，則需對計數數據進行處理，該系統選擇平滑度高，適用于高頻振蕩的滑動平均濾波法。其數學公式為： 為第 n 次采樣經濾波后的結果，N為濾波滑動平均的點數， 為未經過濾波的第(n i) 次采樣值該系統采用 8 級 16 位移位寄存器和 7個加法器和除法器來實現對 16 位計數器進行滑動平均濾波。基于磁致伸縮效應的位移測量系統 16 位計數器對 PWM 信號 S4 計數得到的計數值為 ，對 計 數 值 采 樣 n 次， 采 樣 值 分 別 為 ，系統的時鐘頻率為 。故位移L的數學模型為：0/1 f? 在本設計中，時鐘頻率為 =50 MHz，則時間間隔測量的分辨率為 2

15、0 ns。對于一般的波導絲來說，在一定的溫度范圍內，G和都是恒定的，根據式(2) 可知，扭轉波的傳播速度 V 是固定的，對于本傳感器的材料，V =2 800 m/s，故對應的理論位移分辨率為 56 m。0f5.0)/(pGv 速度 的單位為m/s, 計數值無量綱，系統時鐘頻率單位為s，零點的單位為m，故位移L為m。基于磁致伸縮效應的位移測量系統結合以上分析，可構造出完整的測量系統，如下圖：基于磁致伸縮效應的位移測量系統在本次實驗中，在波導絲內均勻取幾點進行實驗測量。實驗裝置限制及傳感器固有死區，所以首先需要根據實驗測定零點位置 L，然后移動傳感器上位置磁鐵，進行測量。為了測試傳感器的分辨率，故將位置磁鐵在同一個位置固定不動，進行 4 次測量，再根據公式，進行計算，即可得到所測得的位移值L 及對應的時間間隔T。數據如下：基于磁致伸縮效應的位移測量系統由以上數據可知： 磁致伸縮位移傳感器的零點位置為 177.800 mm，根據在同一個固定位置所測得的4 組數據可知，測量結果的有效數字顯示位數為0.001 mm，位移分辨率達到0.01 mm，量程為1000mm。 由于磁致伸縮位移傳感器通常安裝在戶外較惡劣的環境下，溫度變化比較大，且長時間使用晶振容易發生老化。系統晶振的溫漂及老化直接影響測量的準確度。下一步的工作主要對溫度及晶