工程科学学报，第39卷.第8期：1232-1237,2017年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.8:1232-1237,August 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.013;http://journals.ustb.edu.cn 考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型 及结构设计 谢新良12)，王博文12)，张露予12)，李佳泽12) 1)河北工业大学电气工程学院，天津300130 2)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 ☒通信作者，E-mail:xiexinliangl993@163.com 摘要基于Jles-Atherton模型，魏德曼效应和压磁效应建立了考虑磁滞影响下磁致伸缩位移传感器的输出电压模型，计算 结果与实验结果基本吻合，表明所建立的输出电压模型的正确性.对传统Fe-G磁致伸缩位移传感器的结构进行了改进，消 除了由磁致伸缩材料的磁滞效应带来的位移迟滞，降低了剩飚和驱动脉冲电流对输出电压的影响，使电压信号的信噪比由 14.7dB提高至27.6dB.制作了Fe-Ga磁致伸缩位移传感器样机，通过实验验证了新结构能改善传感器的线性度、重复性、迟 滞性和精度.基于新的传感器结构，此研究可为磁致伸缩位移传感器的优化、生产提供理论依据和实验基础. 关键词位移传感器：磁致伸缩：磁滞效应：结构：位移迟滞 分类号TP212.12 Output voltage model of Fe-Ga magnetostrictive displacement sensor considering hys- teresis and structural design XIE Xin-liang WANG Bo-wen'2),ZHANG Lu-yu),LI Jia-e 1)School of Electrical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China 2)Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China Corresponding author,E-mail:xiexinliangl993@163.com ABSTRACT The output voltage computation model of a magnetostrictive displacement sensor was established considering the influ- ence of the hysteresis effect based on the Jiles-Atherton hysteretic model,Wiedemann effect,and piezomagnetic effect.The consisten- cy between the calculated data and experimental data shows the correctness of the output voltage model.The structure of the traditional Fe-Ga magnetostrictive displacement sensor was improved,eliminating displacement measurement hysteresis caused by the hysteresis effect of the magnetostrictive material,thereby reducing the influence of the residual magnetization and the driving pulse current on the output voltage so that the voltage signal-to-noise ratio increased from 14.7 to 27.6 dB.A type of Fe-Ca magnetostrictive displacement sensor was fabricated.The experiments show that the new structure can improve the linearity,repeatability,hysteresis,and precision of the magnetostrictive displacement sensor.Based on this new sensor structure,the research provides a theoretical and experimental basis for optimization and manufacture of magnetostrictive displacement sensors. KEY WORDS displacement sensor;magnetostrictive;hysteresis effect;structure;displacement hysteresis 磁致伸缩位移传感器(magnetostrictive displace-ment sensor,MDS)因精度高、，安装简易、可靠程度高、 收稿日期：2016-08-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51171057)
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期:1232鄄鄄1237,2017 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 8: 1232鄄鄄1237, August 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 08. 013; http: / / journals. ustb. edu. cn 考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型 及结构设计 谢新良1,2) 苣 , 王博文1,2) , 张露予1,2) , 李佳泽1,2) 1) 河北工业大学电气工程学院, 天津 300130 2) 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 苣 通信作者, E鄄mail: xiexinliang1993@ 163. com 摘 要 基于 Jiles鄄鄄Atherton 模型、魏德曼效应和压磁效应建立了考虑磁滞影响下磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算 结果与实验结果基本吻合,表明所建立的输出电压模型的正确性. 对传统 Fe鄄鄄Ga 磁致伸缩位移传感器的结构进行了改进,消 除了由磁致伸缩材料的磁滞效应带来的位移迟滞,降低了剩磁和驱动脉冲电流对输出电压的影响,使电压信号的信噪比由 14郾 7 dB 提高至 27郾 6 dB. 制作了 Fe鄄鄄Ga 磁致伸缩位移传感器样机,通过实验验证了新结构能改善传感器的线性度、重复性、迟 滞性和精度. 基于新的传感器结构,此研究可为磁致伸缩位移传感器的优化、生产提供理论依据和实验基础. 关键词 位移传感器; 磁致伸缩; 磁滞效应; 结构; 位移迟滞 分类号 TP212郾 12 Output voltage model of Fe鄄鄄Ga magnetostrictive displacement sensor considering hys鄄 teresis and structural design XIE Xin鄄liang 1,2) 苣 , WANG Bo鄄wen 1,2) , ZHANG Lu鄄yu 1,2) , LI Jia鄄ze 1,2) 1) School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China 2) Province鄄Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: xiexinliang1993@ 163. com ABSTRACT The output voltage computation model of a magnetostrictive displacement sensor was established considering the influ鄄 ence of the hysteresis effect based on the Jiles鄄鄄Atherton hysteretic model, Wiedemann effect, and piezomagnetic effect. The consisten鄄 cy between the calculated data and experimental data shows the correctness of the output voltage model. The structure of the traditional Fe鄄鄄Ga magnetostrictive displacement sensor was improved, eliminating displacement measurement hysteresis caused by the hysteresis effect of the magnetostrictive material, thereby reducing the influence of the residual magnetization and the driving pulse current on the output voltage so that the voltage signal鄄to鄄noise ratio increased from 14郾 7 to 27郾 6 dB. A type of Fe鄄鄄Ca magnetostrictive displacement sensor was fabricated. The experiments show that the new structure can improve the linearity, repeatability, hysteresis, and precision of the magnetostrictive displacement sensor. Based on this new sensor structure, the research provides a theoretical and experimental basis for optimization and manufacture of magnetostrictive displacement sensors. KEY WORDS displacement sensor; magnetostrictive; hysteresis effect; structure; displacement hysteresis 收稿日期: 2016鄄鄄08鄄鄄10 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51171057) 磁致伸缩位移传感器( magnetostrictive displace鄄 ment sensor, MDS)因精度高、安装简易、可靠程度高
谢新良等：考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计 ·1233· 非接触性、能实现多参数测量等优点，广泛应用于自动 应力波传播到检测线圈处时，在磁致伸缩逆效应的作 化工厂、超精密仪器、航天等领域，得到国内外众多科 用下，波导丝内机械应力的改变将导致磁感应强度发 研人员的关注).研究人员在传感器输出电压模型、 生变化]，根据法拉第电磁感应定律知，此时检测线 波导丝材料、信号滤波和结构改进等方面做了诸多研 圈两端产生感应电压，如下式所示. 究[5-].文献[5]基于魏德曼效应和压磁效应建立了 e=-N吨 =-Ns dR 磁致伸缩位移传感器的输出电压模型.文献[6]考虑 dt d (1) 了在波导丝两端施加应力作用下，磁致伸缩位移传感 式中：e为感应电压；N为检测线圈的匝数；中为磁通 器的输出电压模型.文献[7]将铁稼波导丝应用到磁 量：为时间：S为检测线圈的等效横截面积：B为磁感 致伸缩位移传感器中，获得了良好的输出特性.文献 应强度 [8-10]分别对传感器的检测信号、测量方法、信号处 在不考虑磁滞影响的情况下，基于魏德曼效应和 理进行了研究.文献[11]在传统结构基础上提出一种 压磁效应，得到螺旋磁场作用下磁致伸缩位移传感器 双丝差动型磁致伸缩位移传感器结构，提高了传感器 的输出电压方程如下式所示] 的测量精度.文献[12]提出一种基于声延迟线原理的 4πAu,NSRφm√2(1+v)(H(R)2+f) 磁致伸缩位移传感器结构.文献[13]指出由于磁致伸 ILVEp 缩材料的磁滞效应在测量时产生位移迟滞现象，并提 出在磁致伸缩材料与永磁体间加两个铜环进行磁滞补 (2) 偿的方法，位移迟滞现象有效减小，但并没有消除 式中：入为角应变引起的磁场变化率；N和S分别为检 本文在以上的研究基础之上，基于iles-Atherton 测线圈的匝数和等效横截面积；u,、E、p、v、R、L分别为 (J-A)模型、魏德曼效应和压磁效应，建立了考虑磁滞 波导丝的相对磁导率、杨氏模量、密度、泊松比、半径和 影响的磁致伸缩位移传感器的输出电压模型.并针对 长度；中。为轴向磁通量，H,(R)为波导丝表面处的周 磁致伸缩材料在磁化过程中的磁滞效应给位移测量带 向激励磁场；H为永磁体产生的轴向偏置磁场；I.为 来位移迟滞的问题，提出一种新的磁致伸缩位移传感 波导丝截面的极惯性矩 器结构，并对其进行实验研究.实验表明：新结构的传 当磁滞现象不存在时，偏置磁场进行单向磁化，由 感器不仅可以消除磁滞效应产生的位移迟滞，而且可 J-A非磁滞模型，磁化强度M。与外加偏置磁场强度 以在很大程度上减小剩磁和激励电流波动对位移测量 H的关系式如下] 带来的不利影响，提高检测信号的信噪比，改善了传感 器线性度、重复性、迟滞性和精度. 以=u(代a-）o) (3) 1传感器的输出电压模型及结构改进方案 式中：M为饱和磁化强度：α为畴壁相互作用系数，表 征磁畴内部耦合的参数：α为非磁滞磁化强度强度形 1.1考虑磁滞影响的传感器输出电压 状系数 传统磁致伸缩位移传感器主要由检测线圈、永磁 然而，磁致伸缩材料本身的磁滞特性，当永磁体在 体、波导丝、信号处理单元、阻尼、调节电阻、电源、信号 波导丝上移动时，波导丝反复被磁化，使永磁体在波导 发生器及放大电路等组成，其电气原理图如图1所示 丝内磁化的有效偏置磁场发生变化.根据J-A模型建 永磁 检测线圈 应力波 立的外磁场H与磁化强度M的关系有如下6) 脉冲■ H=H.+aM, (4) 电流阻尼 波导丝 信号处理 Me=c(Mn-Mn）, (5) H 电流返回导线 M=Min+M (6) 信号发生器电源可调电阻 式中：H。为有效磁场；M为磁化强度；M为可逆磁化 及放大电路 强度：M为不可逆磁化强度：c为可逆系数 图1传统磁致伸缩位移传感器电气原理图 将(3)式进行Taylor展开，得 Fig.I Electrical schematic of a traditional MDS 传感器的工作原理是基于磁致伸缩材料的魏德曼 M.=M[mh(）-号]=M()+o() 效应和磁致伸缩逆效应[-)，脉冲电流在波导丝中传 (7) 播产生周向激励磁场，与永磁体产生的轴向偏置磁场 合成一个螺旋磁场，根据磁致伸缩材料的魏德曼效应， 式中，0（仁）表示高阶无穷小，当忽略高次项，根据式 此时波导丝内磁畴发生局部偏转继而产生应力波.当 (4)~(7)得波导丝内有效磁场如下式所示
谢新良等: 考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计 非接触性、能实现多参数测量等优点,广泛应用于自动 化工厂、超精密仪器、航天等领域,得到国内外众多科 研人员的关注[1鄄鄄4] . 研究人员在传感器输出电压模型、 波导丝材料、信号滤波和结构改进等方面做了诸多研 究[5鄄鄄12] . 文献[5]基于魏德曼效应和压磁效应建立了 磁致伸缩位移传感器的输出电压模型. 文献[6]考虑 了在波导丝两端施加应力作用下,磁致伸缩位移传感 器的输出电压模型. 文献[7]将铁稼波导丝应用到磁 致伸缩位移传感器中,获得了良好的输出特性. 文献 [8鄄鄄10]分别对传感器的检测信号、测量方法、信号处 理进行了研究. 文献[11]在传统结构基础上提出一种 双丝差动型磁致伸缩位移传感器结构,提高了传感器 的测量精度. 文献[12]提出一种基于声延迟线原理的 磁致伸缩位移传感器结构. 文献[13]指出由于磁致伸 缩材料的磁滞效应在测量时产生位移迟滞现象,并提 出在磁致伸缩材料与永磁体间加两个铜环进行磁滞补 偿的方法,位移迟滞现象有效减小,但并没有消除. 本文在以上的研究基础之上,基于 Jiles鄄鄄 Atherton (J鄄鄄A)模型、魏德曼效应和压磁效应,建立了考虑磁滞 影响的磁致伸缩位移传感器的输出电压模型. 并针对 磁致伸缩材料在磁化过程中的磁滞效应给位移测量带 来位移迟滞的问题,提出一种新的磁致伸缩位移传感 器结构,并对其进行实验研究. 实验表明:新结构的传 感器不仅可以消除磁滞效应产生的位移迟滞,而且可 以在很大程度上减小剩磁和激励电流波动对位移测量 带来的不利影响,提高检测信号的信噪比,改善了传感 器线性度、重复性、迟滞性和精度. 1 传感器的输出电压模型及结构改进方案 1郾 1 考虑磁滞影响的传感器输出电压 传统磁致伸缩位移传感器主要由检测线圈、永磁 体、波导丝、信号处理单元、阻尼、调节电阻、电源、信号 发生器及放大电路等组成,其电气原理图如图 1 所示. 图 1 传统磁致伸缩位移传感器电气原理图 Fig. 1 Electrical schematic of a traditional MDS 传感器的工作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[14鄄鄄15] ,脉冲电流在波导丝中传 播产生周向激励磁场,与永磁体产生的轴向偏置磁场 合成一个螺旋磁场,根据磁致伸缩材料的魏德曼效应, 此时波导丝内磁畴发生局部偏转继而产生应力波. 当 应力波传播到检测线圈处时,在磁致伸缩逆效应的作 用下,波导丝内机械应力的改变将导致磁感应强度发 生变化[14] ,根据法拉第电磁感应定律知,此时检测线 圈两端产生感应电压,如下式所示. e = - N d准 dt = - NS dB dt . (1) 式中:e 为感应电压;N 为检测线圈的匝数;准 为磁通 量;t 为时间;S 为检测线圈的等效横截面积;B 为磁感 应强度. 在不考虑磁滞影响的情况下,基于魏德曼效应和 压磁效应,得到螺旋磁场作用下磁致伸缩位移传感器 的输出电压方程如下式所示[5] . e = 4仔姿urNSR准m 2(1 + 自)(Hi (R) 2 + H 2 m ) IaL E籽 · sin [ 2 ( arctan ( Hi(R) H ) ) ] m . (2) 式中:姿 为角应变引起的磁场变化率;N 和 S 分别为检 测线圈的匝数和等效横截面积;ur、E、籽、自、R、L 分别为 波导丝的相对磁导率、杨氏模量、密度、泊松比、半径和 长度;准m 为轴向磁通量,Hi (R) 为波导丝表面处的周 向激励磁场;Hm 为永磁体产生的轴向偏置磁场;Ia 为 波导丝截面的极惯性矩. 当磁滞现象不存在时,偏置磁场进行单向磁化,由 J鄄鄄A 非磁滞模型,磁化强度 Man与外加偏置磁场强度 Hx 的关系式如下[15] . Man = Ms ( coth ( Hx + 琢Man ) a - a Hx + 琢M ) an . (3) 式中:Ms 为饱和磁化强度;琢 为畴壁相互作用系数,表 征磁畴内部耦合的参数;a 为非磁滞磁化强度强度形 状系数. 然而,磁致伸缩材料本身的磁滞特性,当永磁体在 波导丝上移动时,波导丝反复被磁化,使永磁体在波导 丝内磁化的有效偏置磁场发生变化. 根据 J鄄鄄A 模型建 立的外磁场 Hx 与磁化强度 M 的关系有如下[16] . He = Hx + 琢M, (4) Mrev = c(Man - Mirr), (5) M = Mirr + Mrev . (6) 式中: He 为有效磁场;M 为磁化强度;Mrev为可逆磁化 强度;Mirr为不可逆磁化强度;c 为可逆系数. 将(3)式进行 Taylor 展开,得 Man = Ms [ coth ( He ) a - a H ] e = Ms ( He 3 ) a + 庄 ( H 3 e a 3 ). (7) 式中,O ( H 3 e a 3 ) 表示高阶无穷小,当忽略高次项,根据式 (4) ~ (7)得波导丝内有效磁场如下式所示. ·1233·
·1234· 工程科学学报，第39卷，第8期 H.= H,+a(1-c)M (8) 移迟滞现象，其产生的最大误差达到250m,严重影 1器 响到传感器的测量精度 1.2位移迟滞产生的原因及结构改进 式(8)中建立了波导丝内有效场H与H,M.、M 根据Fe-Ga磁致伸缩材料的物理性质[1s),在磁化 的关系，根据文献[17]，可由公式(9)确定不可逆M, 过程中，外加磁场退回到零时其磁感应强度并不为零， 其中，H为磁场强度：8为方向系数，当H增大时，δ= 此时波导丝内产生剩磁B,当原外加磁场在相反方向 +1,当H减小时，δ=-1，k为不可逆损耗系数饱和 加上一定大小的磁场才能使磁感应强度退回到零，该 磁化强度M可由实验测得 磁场称为矫顽力H,如图2(a)为永磁体在波导丝上 dM.M..-M+M..Mu div (9) 移动示意图，N和N,表示为永磁体的北极，S和S,表示 dH 8冰dH 为永磁体的南极，图2(b)为Fe-Ga材料第一象限的磁 以上各式中的参数a、a、k、c、M.由实验M-H磁滞 化曲线示意图，图2(c)为永磁体覆盖部分波导丝内的 回线确定，当考虑磁滞影响时，此时的轴向偏置磁场应 磁感应强度分布示意图.其中β曲线为初始磁化曲 为波导丝内的有效磁场，故将式(8)中的有效磁场代 线，。和X曲线为第一象限的磁滞回线. 入到(2)中的轴向偏置磁场H。中得输出电压方程为： 在初始磁化状态下，永磁体产生的轴向偏置磁场 e1= 对波导丝进行磁化时，波导丝内的磁感应强度如曲线 4TAu.NSRd. 2(1+w){H(R)2+ H,+a(1-c)Mimr 「，所示，此时波导丝中心位置b处的磁感应强度最 1-acM_/3a 大，两边的磁感应强度关于中心位置b对称且略有下 IL√o 降.当永磁体向左移动时，假设位置a、b、c分别移动 H,(R) m(t(a+a-m-a) 到a,b,、c,处，由于Fe-Ga材料的磁滞效应，此时a1 处的磁感应强度增加到A点，b,处的磁感应强度由D (10) 点增加到B点，©，处的磁感应强度由B点下降到C 式(10)为考虑磁滞影响下传感器输出的电压方 点，所以此时a和℃，处的磁感应强度不相等，此时波 程.当波导丝为软磁材料，永磁体在波导丝中产生的 导丝内的磁感应强度分布如曲线「，所示.波导丝内 磁滞很小，传感器输出电压的大小可近似用式(2)计 磁感应强度分布的变化直接影响到输出的电压信号， 算.但磁滞影响到检测电压的波形，在高精密仪器中， 所以由于Fe-Ga材料自身的磁滞效应会在测量过程 由材料磁滞效应带来的测量迟滞影响较大，文献[13] 中产生位移迟滞现象.当永磁体向右移动时其磁感应 通过实验验证了由磁致伸缩材料的磁滞效应引起的位 强度变化刚好相反， 位移 永磁体 波导丝 h BB BB B B H . HH (A.m少 (b) 图2位移变化与磁滞效应的关系.()永磁体在波导丝上移动：(b)移动永磁体产生的磁滞：（©）永磁体覆盖段波导丝上磁感应强度的 分布 Fig.2 Displacement vs.hysteresis effect:(a)the permanent magnet moves on the waveguide wire ;(b)the hysteresis generated by moving the per- manent magnets;(c)magnetic flux density distribution on waveguide wire covered by permanent magnet
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 He = Hx + 琢(1 - c)Mirr 1 - 琢c 3a Ms . (8) 式(8)中建立了波导丝内有效场 He 与 Hx、Mirr、Ms 的关系,根据文献[17],可由公式(9)确定不可逆 Mirr, 其中,H 为磁场强度;啄 为方向系数,当 H 增大时,啄 = + 1,当 H 减小时,啄 = - 1,k 为不可逆损耗系数. 饱和 磁化强度 Ms 可由实验测得. dMirr dH = Man - Mirr 啄k + 琢 Man - Mirr 啄k dM dH . (9) 以上各式中的参数 琢、a、k、c、Ms 由实验 M鄄鄄H 磁滞 回线确定,当考虑磁滞影响时,此时的轴向偏置磁场应 为波导丝内的有效磁场,故将式(8) 中的有效磁场代 入到(2)中的轴向偏置磁场 Hm 中得输出电压方程为: e1 = 4仔姿urNSR准m 2(1 + 自) { Hi (R) 2 + [ Hx + 琢(1 - c)Mirr 1 - 琢cMs / 3 ] a } 2 IaL E籽 · sin [ 2 ( arctan ( Hi(R) (Hx + 琢(1 - c)Mirr) / (1 - 琢cMs / 3a ) ) ] ) . (10) 图 2 位移变化与磁滞效应的关系. (a) 永磁体在波导丝上移动; (b) 移动永磁体产生的磁滞; (c) 永磁体覆盖段波导丝上磁感应强度的 分布 Fig. 2 Displacement vs. hysteresis effect: (a) the permanent magnet moves on the waveguide wire ; (b) the hysteresis generated by moving the per鄄 manent magnets; (c) magnetic flux density distribution on waveguide wire covered by permanent magnet 式(10)为考虑磁滞影响下传感器输出的电压方 程. 当波导丝为软磁材料,永磁体在波导丝中产生的 磁滞很小,传感器输出电压的大小可近似用式(2) 计 算. 但磁滞影响到检测电压的波形,在高精密仪器中, 由材料磁滞效应带来的测量迟滞影响较大,文献[13] 通过实验验证了由磁致伸缩材料的磁滞效应引起的位 移迟滞现象,其产生的最大误差达到 250 滋m,严重影 响到传感器的测量精度. 1郾 2 位移迟滞产生的原因及结构改进 根据 Fe鄄鄄Ga 磁致伸缩材料的物理性质[18] ,在磁化 过程中,外加磁场退回到零时其磁感应强度并不为零, 此时波导丝内产生剩磁 Br,当原外加磁场在相反方向 加上一定大小的磁场才能使磁感应强度退回到零,该 磁场称为矫顽力 Hc,如图 2( a)为永磁体在波导丝上 移动示意图,N 和 N1表示为永磁体的北极,S 和 S1表示 为永磁体的南极,图 2(b)为 Fe鄄鄄Ga 材料第一象限的磁 化曲线示意图,图 2(c)为永磁体覆盖部分波导丝内的 磁感应强度分布示意图. 其中 茁 曲线为初始磁化曲 线,o 和 字 曲线为第一象限的磁滞回线. 在初始磁化状态下,永磁体产生的轴向偏置磁场 对波导丝进行磁化时,波导丝内的磁感应强度如曲线 祝1 所示,此时波导丝中心位置 b 处的磁感应强度最 大,两边的磁感应强度关于中心位置 b 对称且略有下 降. 当永磁体向左移动时,假设位置 a、b、c 分别移动 到 a1 、b1 、c1 处,由于 Fe鄄鄄 Ga 材料的磁滞效应,此时 a1 处的磁感应强度增加到 A 点,b1 处的磁感应强度由 D 点增加到 B 点,c1 处的磁感应强度由 B 点下降到 C 点,所以此时 a1 和 c1 处的磁感应强度不相等,此时波 导丝内的磁感应强度分布如曲线 祝2 所示. 波导丝内 磁感应强度分布的变化直接影响到输出的电压信号, 所以由于 Fe鄄鄄 Ga 材料自身的磁滞效应会在测量过程 中产生位移迟滞现象. 当永磁体向右移动时其磁感应 强度变化刚好相反. ·1234·
谢新良等：考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计 ·1235· 传感器能实现某一段位移1的测量，本质上是将 环境温度与常温相差不大的情况下，可认为回波速度 位移量转换成时间量.当外界温度变化较小时可以认 是恒定的，但位移传感器分辨率和精确度要求高或环 为回波速度，（应力波在波导丝中的传播速度）为常 境温度与常温相差较大的情况下则需对应力波的回波 数，位移与时间的关系如式(11)所示，故只需测量应 速度进行修正.新结构的传感器其永磁体固定在波导 力波从永磁体传播到检测线圈的时间.而输出的电 丝头部，校正线圈固定在波导丝尾部，故可测量出两者 压信号直接影响到时间1的判定，所以提高传感器的 之间的位移1，由校正线圈输出的检测信号可得到应 精度，需减小磁滞的影响. 力波在永磁体与校正线圈之间的传播时间1，故根据 I=vt. (11) v=l/儿1可实现回波速度的实时校正 磁滞是铁磁材料反复磁化过程中，磁感应强度变 2实验结果与分析 化滞后于磁场强度的现象，所以要消除磁滞产生的位 移迟滞，需使波导丝不被反复磁化.图3为新磁致伸 本实验采用的波导丝材料是Fe-Ga.稳压电源为 缩位移传感器电气原理图，永磁体固定在波导丝头部， 信号处理电路提供稳定电压，可调电源用来调节激励 位置线圈在永磁体与校正线圈之间移动，校正线圈安 脉冲的幅值.采用T℉G6920A函数任意波形发生器及 装在波导丝尾部，脉冲电流的输出端移动到永磁体右 放大电路产生脉冲电流.采用DP03014型四通道示 端口处.新结构中永磁铁固定在波导丝的头部，仅作 波采集和显示电压信号.将波导丝固定在铁氟龙塑料 为轴向偏置磁场使用，其不再反复磁化波导丝，所以可 管内，波导丝两端用螺丝固定在传感器两端（保证波 以消除由磁致伸缩材料的磁滞效应带来的位移迟滞： 导丝无弯曲).永磁体为钕铁硼磁环，其内径和外径分 位置线圈在波导丝上移动，以实现位移改变的作用：校 别为15mm和20mm.阻尼器安装在波导丝两端.检 正线圈固定在波导丝尾部，以实现回波速度的校正：脉 测线圈采用线径0.O6mm的细铜导线绕制而成，其匝 冲电流的输入端不变，输出端移至永磁体右端口处，脉 数为600匝，绕制层数3层.信号发生器产生的脉冲 冲电流的回路电阻大幅度减小，当回路需要同样大小 电流频率设定为1000Hz、宽度7μs、高电平20V.示波 电流时，电源所需提供的电压减小，可达到节能的 器最高采样频率为2.5×10°s1,采用两通道，通道1 目的. 采集检测线圈输出的电压信号，通道2采集回路的电 电流水磁体 压信号，示波器的采样周期设定为0.04μs,采样点数 脉冲 应力波 位骨线圈 校正线圈 10000点.搭建的实验平台如图4所示. rYx 波导丝 阻尼 信号处理 信号处理 信号发生器 及放大电路电源可调电阻 图3新磁致伸缩位移传感器电气原理图 Fig.3 Electrical schematic of the novel MDS 根据上述的分析，新结构还能减小剩磁和脉冲电 流波动产生的影响.由于Fe-Ga材料自身的磁特性， 图4磁致伸缩位移传感器的实验平台 永磁体在波导上移动，必然会产生剩磁问题，新结构中 Fig.4 Experimental platform of the MDS 位置线圈代替永磁体起位移改变作用，所以波导丝内 2.1传感器输出电压的数值计算 不会产生轴向剩磁：新结构中将脉冲电流输出端移至 在图4的实验平台上，按照图3所示的电气原理 永磁体右端口处，此时脉冲电流仅流过永磁体覆盖部 图搭建传感器系统.由文献[19]各参数如下，检测线 分的波导丝，所以新结构能减小脉冲电流对输出电压 圈参数：N=600,S=15.89mm2:铁稼FeGa,波导丝的 信号的影响 参数：R=0.5mm,L=500mm,E=57MPa,p=7.6g· 磁致伸缩位移传感器的测量是将位移量转换为时 cm3,v=0.2,φ。=1Wb,u,=85,M.=60kAm,a= 间量，位移与时间的对应关系是线性的且其比例系数 7012Am,a=-0.051,c=0.18,x=0.9268Am1 为回波速度v(:=√Gp,其中G为波导丝的剪切模 当永磁体提供的外磁场H为3.5kA·m时，传感器 量：P为波导丝的密度).波导丝一旦确定，其剪切模 输出电压与激励磁场的关系如图5所示. 量和密度也就确定了，但是波导丝的剪切模量和密度 从图5可知，当激励磁场较小时，输出的电压较 都受到环境温度的影响，在分辨率和精度要求不高或 小，但较小的激励磁场增加会产生较大的电压增加：当
谢新良等: 考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计 传感器能实现某一段位移 l 的测量,本质上是将 位移量转换成时间量. 当外界温度变化较小时可以认 为回波速度 v(应力波在波导丝中的传播速度) 为常 数,位移与时间的关系如式(11) 所示,故只需测量应 力波从永磁体传播到检测线圈的时间 t. 而输出的电 压信号直接影响到时间 t 的判定,所以提高传感器的 精度,需减小磁滞的影响. l = vt. (11) 磁滞是铁磁材料反复磁化过程中,磁感应强度变 化滞后于磁场强度的现象,所以要消除磁滞产生的位 移迟滞,需使波导丝不被反复磁化. 图 3 为新磁致伸 缩位移传感器电气原理图,永磁体固定在波导丝头部, 位置线圈在永磁体与校正线圈之间移动,校正线圈安 装在波导丝尾部,脉冲电流的输出端移动到永磁体右 端口处. 新结构中永磁铁固定在波导丝的头部,仅作 为轴向偏置磁场使用,其不再反复磁化波导丝,所以可 以消除由磁致伸缩材料的磁滞效应带来的位移迟滞; 位置线圈在波导丝上移动,以实现位移改变的作用;校 正线圈固定在波导丝尾部,以实现回波速度的校正;脉 冲电流的输入端不变,输出端移至永磁体右端口处,脉 冲电流的回路电阻大幅度减小,当回路需要同样大小 电流时,电源所需提供的电压减小,可达到节能的 目的. 图 3 新磁致伸缩位移传感器电气原理图 Fig. 3 Electrical schematic of the novel MDS 根据上述的分析,新结构还能减小剩磁和脉冲电 流波动产生的影响. 由于 Fe鄄鄄 Ga 材料自身的磁特性, 永磁体在波导上移动,必然会产生剩磁问题,新结构中 位置线圈代替永磁体起位移改变作用,所以波导丝内 不会产生轴向剩磁;新结构中将脉冲电流输出端移至 永磁体右端口处,此时脉冲电流仅流过永磁体覆盖部 分的波导丝,所以新结构能减小脉冲电流对输出电压 信号的影响. 磁致伸缩位移传感器的测量是将位移量转换为时 间量,位移与时间的对应关系是线性的且其比例系数 为回波速度 v( v = G/ 籽,其中 G 为波导丝的剪切模 量;籽 为波导丝的密度). 波导丝一旦确定,其剪切模 量和密度也就确定了,但是波导丝的剪切模量和密度 都受到环境温度的影响,在分辨率和精度要求不高或 环境温度与常温相差不大的情况下,可认为回波速度 是恒定的,但位移传感器分辨率和精确度要求高或环 境温度与常温相差较大的情况下则需对应力波的回波 速度进行修正. 新结构的传感器其永磁体固定在波导 丝头部,校正线圈固定在波导丝尾部,故可测量出两者 之间的位移 l 1 ,由校正线圈输出的检测信号可得到应 力波在永磁体与校正线圈之间的传播时间 t 1 ,故根据 v = l 1 / t 1 可实现回波速度的实时校正. 2 实验结果与分析 本实验采用的波导丝材料是 Fe鄄鄄Ga. 稳压电源为 信号处理电路提供稳定电压,可调电源用来调节激励 脉冲的幅值. 采用 TFG6920A 函数任意波形发生器及 放大电路产生脉冲电流. 采用 DPO3014 型四通道示 波采集和显示电压信号. 将波导丝固定在铁氟龙塑料 管内,波导丝两端用螺丝固定在传感器两端(保证波 导丝无弯曲). 永磁体为钕铁硼磁环,其内径和外径分 别为 15 mm 和 20 mm. 阻尼器安装在波导丝两端. 检 测线圈采用线径 0郾 06 mm 的细铜导线绕制而成,其匝 数为 600 匝,绕制层数 3 层. 信号发生器产生的脉冲 电流频率设定为 1000 Hz、宽度 7 滋s、高电平 20 V. 示波 器最高采样频率为 2郾 5 伊 10 9 s - 1 ,采用两通道,通道 1 采集检测线圈输出的电压信号,通道 2 采集回路的电 压信号,示波器的采样周期设定为 0郾 04 滋s,采样点数 10000 点. 搭建的实验平台如图 4 所示. 图 4 磁致伸缩位移传感器的实验平台 Fig. 4 Experimental platform of the MDS 2郾 1 传感器输出电压的数值计算 在图 4 的实验平台上,按照图 3 所示的电气原理 图搭建传感器系统. 由文献[19]各参数如下, 检测线 圈参数:N = 600,S = 15郾 89 mm 2 ;铁稼 Fe83Ga17波导丝的 参数: R = 0郾 5 mm,L = 500 mm,E = 57 MPa,籽 = 7郾 6 g· cm - 3 ,自 = 0郾 2,准m = 1 Wb,ur = 85,Ms = 60 kA·m - 1 ,琢 = 7012 A·m - 1 ,a = - 0郾 051,c = 0郾 18,姿 = 0郾 9268 A·m - 1 . 当永磁体提供的外磁场 Hx 为 3郾 5 kA·m - 1 时,传感器 输出电压与激励磁场的关系如图 5 所示. 从图 5 可知,当激励磁场较小时,输出的电压较 小,但较小的激励磁场增加会产生较大的电压增加;当 ·1235·
·1236· 工程科学学报，第39卷，第8期 形 传统结构的输出电压 100 70 维” 脉冲电流产生的 应力波产生的 反射波产生的 60 0 250 实验值 0 利磁产生的 40 -100上 渠30 0 100 200 300 400 时间s 新结构的输出电压 100F 10 4 6 激励磁场依A·m) 0 图5传感器的输出电压与激励磁场关系 -100 Fig.5 Output voltage vs.the excitation magnetic field 100 200 300 400 时间小s 激励磁场与外加磁场接近时，输出电压接近饱和，此时 图6磁致伸缩位移传感器的检测电压波形 输出电压随激励磁场的增加变化较小.由图5中的计 Fig.6 Detected voltage waveform of the MDS 算值与实验值，可见实验结果与计算结果基本吻合 2.2检测信号的数值计算 60 ◆一传统结构 一新结构 当外磁场与周向磁场相等，且都为3.5kA·m 40 时，图6分别为实验测得传统结构和新结构输出的电 压波形.传统结构输出的电压波形中杂波含量较多. 20 输出的电压信号由四部分产生的，分别是脉冲电流、应 0 力波、反射波和剩磁.应力波产生的电压幅值为53mV 时，由反射波产生的电压幅值达20mV,由剩磁产生的 电压幅值达6mV,所以传统结构的检测线圈输出电压 -40 信号信噪比低，影响传感器的精度.与传统结构输出 -60 的电压波形相比，新结构所含杂波明显减少，其表现 100 200300 400 500 位置mm 在：(1)输出的电压受到剩磁的影响显著减小：(2)输 图7位移迟滞曲线 出的电压信号受脉冲电流的影响减小：(3)输出的电 Fig.7 Curves of displacement hysteresis 压信号受到反射波的影响明显减小.因此新结构的传 感器能有效减小杂波信号的含量 效应会在位移测量中表现为位移迟滞，传统结构的位 信噪比是描述信号中有效信号与噪声信号的比 移迟滞曲线宽度达90μm.而新结构中磁滞回线明显 例，其值越大代表信号失真越少，其计算公式如式 减小，最大偏差为12μm.在新结构单次正或反行程 (12),其中P和Q分别表示有效信号和噪声信号的有 中，测量偏差在零附近波动，所以新结构的测量偏差的 效值，根据图6所得电压波形，得结构改进前后输出电 主要来源不是材料的磁滞效应，而是传感器的温漂和 压信号的信噪比分别为14.7dB和27.6dB,故电压信 系统误差带来的 号的信噪比SNR约提高了1倍. 2.4结构改进前后的性能测试实验 针对于磁致伸缩位移传感器的几个性能指标进行 SNR =20lg P (12) 实验，包括线性度实验、重复性实验和迟滞性实验，比 2.3位移迟滞实验 较结构改进前后的各项性能指标 对传统结构传感器的位移迟滞现象进行实验，将 传感器的线性度又称非线性误差，指传感器的输 永磁体缓慢地移动，每次移动位移50mm,正反行程重 入输出曲线与理论拟合直线的最大偏差与传感器满量 复实验两次，同理对新结构进行实验.所得结构改进 程输出之比.将永磁体（位置线圈）从同一方向上做全 前后的位移迟滞曲线如图7所示，实际位移用光学编 量程连续10次测试实验，并用最小二乘法线性拟合输 码器测定，其精确度可达2μm,图中的偏差指光学编 入量与输出量的特性曲线.由实验得传统结构的非线 码器测得的实际位移与传感器测得的位移之差 性误差Y1=0.05%,新结构的非线性误差Y2= 从图7可知：由于磁致伸缩材料磁化过程的磁滞 0.013%,新结构的非线性误差约降低为传统结构的
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 图 5 传感器的输出电压与激励磁场关系 Fig. 5 Output voltage vs. the excitation magnetic field 激励磁场与外加磁场接近时,输出电压接近饱和,此时 输出电压随激励磁场的增加变化较小. 由图 5 中的计 算值与实验值,可见实验结果与计算结果基本吻合. 2郾 2 检测信号的数值计算 当外磁场与周向磁场相等,且都为 3郾 5 kA·m - 1 时,图 6 分别为实验测得传统结构和新结构输出的电 压波形. 传统结构输出的电压波形中杂波含量较多. 输出的电压信号由四部分产生的,分别是脉冲电流、应 力波、反射波和剩磁. 应力波产生的电压幅值为 53 mV 时,由反射波产生的电压幅值达 20 mV,由剩磁产生的 电压幅值达 6 mV,所以传统结构的检测线圈输出电压 信号信噪比低,影响传感器的精度. 与传统结构输出 的电压波形相比,新结构所含杂波明显减少,其表现 在:(1)输出的电压受到剩磁的影响显著减小;(2)输 出的电压信号受脉冲电流的影响减小;(3) 输出的电 压信号受到反射波的影响明显减小. 因此新结构的传 感器能有效减小杂波信号的含量. 信噪比是描述信号中有效信号与噪声信号的比 例,其值越大代表信号失真越少,其计算公式如式 (12),其中 P 和 Q 分别表示有效信号和噪声信号的有 效值,根据图 6 所得电压波形,得结构改进前后输出电 压信号的信噪比分别为 14郾 7 dB 和 27郾 6 dB,故电压信 号的信噪比 SNR 约提高了 1 倍. SNR = 20lg ( P ) Q . (12) 2郾 3 位移迟滞实验 对传统结构传感器的位移迟滞现象进行实验,将 永磁体缓慢地移动,每次移动位移 50 mm,正反行程重 复实验两次,同理对新结构进行实验. 所得结构改进 前后的位移迟滞曲线如图 7 所示,实际位移用光学编 码器测定,其精确度可达 2 滋m,图中的偏差指光学编 码器测得的实际位移与传感器测得的位移之差. 从图 7 可知:由于磁致伸缩材料磁化过程的磁滞 图 6 磁致伸缩位移传感器的检测电压波形 Fig. 6 Detected voltage waveform of the MDS 图 7 位移迟滞曲线 Fig. 7 Curves of displacement hysteresis 效应会在位移测量中表现为位移迟滞,传统结构的位 移迟滞曲线宽度达 90 滋m. 而新结构中磁滞回线明显 减小,最大偏差为 12 滋m. 在新结构单次正或反行程 中,测量偏差在零附近波动,所以新结构的测量偏差的 主要来源不是材料的磁滞效应,而是传感器的温漂和 系统误差带来的. 2郾 4 结构改进前后的性能测试实验 针对于磁致伸缩位移传感器的几个性能指标进行 实验,包括线性度实验、重复性实验和迟滞性实验,比 较结构改进前后的各项性能指标. 传感器的线性度又称非线性误差,指传感器的输 入输出曲线与理论拟合直线的最大偏差与传感器满量 程输出之比. 将永磁体(位置线圈)从同一方向上做全 量程连续 10 次测试实验,并用最小二乘法线性拟合输 入量与输出量的特性曲线. 由实验得传统结构的非线 性误 差 酌1 = 0郾 05% , 新 结 构 的 非 线 性 误 差 酌2 = 0郾 013% ,新结构的非线性误差约降低为传统结构的 ·1236·