SDMSA 雙磁致伸縮線性位移傳感器標定實驗研究

宋懋征,劉曉敏

 

 

 

 

 

       磁致伸縮位移傳感器是利用磁致伸縮原理研發出的高精度位移傳感器,在使用中采用非接觸的測量方法.在日常實際生產中具有使用壽命長,環境適應能力性強的特點;在測量精度方面具有高精度、高穩定性、高可靠性和高重復性的技術特點.該位移傳感器安裝簡單且方便,廣泛運用于高溫高壓、易燃易爆的場所,并在冶金工業、港口設備、建筑行業和水利等高要求的工業場合,是高精度位移控制的首選 .隨著電子科技的發展,位移傳感器在石油、化工、機械、水利等行業得到廣泛的應用.近年來有較多的學者對位移傳感器理論、數學模型及實驗等方面做了諸多的講究工作[4-5] .河北工業大學張露予等人采用在不同螺旋磁場作用下探究磁致伸縮位移傳感器螺旋磁場與輸出電壓的關系[6] .國網電力科學研究院提出了通過改進位移傳感器的結構優化設計來提高位移傳感器的測量精度,在硬件電路設計及其實現方法上進行了一系列的改進,實現了高壓充電、時間測量及濾波的功能[7] .河北工業大學結合磁致伸縮位移傳感器的原理,從雙磁環產生的偏置磁場與雙磁環間距的關系出發,對傳感器在測量誤區內的信號進行了綜合分析,并通過實驗進行了實踐檢測[8] .上海理工大學李慶山基于FPGA 器件設計了數字移相脈沖計數方式對時間的準確測量,建立了數字相移時間的數學模型[9] .

1　實驗結構與原理

1.1　磁致伸縮線性位移傳感器結構

       磁致伸縮線性位移傳感器的外形結構及尺寸如圖1 所示,該傳感器主要由頭部傳感器、硬件電路系統、探測桿、閉口活動磁環等組成,其中硬件電路系統和檢測線圈位于傳感器頭部.

1.2　磁致伸縮線性位移傳感器工作原理

        雙磁致伸縮位移傳感器結構示意圖如圖2 所示,主要由驅動電路、波導絲、閉口磁環、檢測裝置和阻尼裝置等裝置組成.磁致伸縮位移傳感器,是利用磁致伸縮原理并通過測桿產生的激勵磁場與閉口磁環產生的偏置磁場相交產生一個應變脈沖信號的變化來準確測量位置量的.由于磁致伸縮的原理,隨后波導管內會產生一個相應的應變機械脈沖信號,通過傳感器頭部的芯片計算,將脈沖產生的方波轉換為電壓、電流以及ModBus/ SSI 等多種輸出方式.

       當位移傳感器正式工作時,脈沖驅動電路產生脈沖信號,隨電路進入檢測線圈、閉口磁環處,脈沖電流瞬間產生周向磁場與閉口磁環產生的軸向磁場相疊加,形成了螺旋磁場.根據魏德曼效應,兩磁場疊加處會使波導絲產生扭轉形變,兩個閉口磁環同時工作形成兩個扭轉應力波并以速度v 分別向磁環兩端傳播,當檢測線圈檢測到扭轉波信號,線圈兩端會產生電壓信號,通過收集兩閉口磁環傳輸間的t1、t2,脈沖發出時間與兩個扭轉波被檢測到的時間之間的時間差,環形永磁體與檢測線圏之間的距離為S,波的傳播具有相對獨立性,上述產生的扭轉波產生后會在傳播中相遇,但是不會相互影響,檢測線圈可以檢測到獨立電壓信號,完成檢測任務.而測桿兩端的阻尼裝置,可以有效地減少反射波的干擾.

        雙磁環磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓與線圈匝數、磁環間距、偏置磁場、激勵磁場等因素有關.但當確認了磁致伸縮傳感器與磁環的實驗參數后,輸出的電壓主要與兩磁環的間距有關.并通過在磁致伸縮位移傳感器的測桿上移動兩閉口磁環,并對比經數據采集卡反饋出的輸出電壓,來研究磁致伸縮位移傳感器兩磁環的位移量與輸出電壓的特性關系.探究位移量S 與電壓差值ΔV 之間的關系.

2　標定方法

       為驗證磁致伸縮線性位移傳感器SDMSA 位置量與電壓信號的特性關系,利用不同位移量對應不同電壓值的特性.室溫條件下,在磁致伸縮位移傳感器的測桿上固定某一個磁環,實驗中閉口磁環要與測桿無接觸,需用到磁環固定環來固定閉口磁環,見圖4 中(a)所示.均勻移動另一個磁環,由于兩磁環不同磁場對波導管產生的圓周磁場的影響,波導管產生兩個應變機械波脈沖信號,經過控制模塊輸出兩磁環對應的電壓值,經過計算兩磁環之間對應的電壓值.進而得出SDMSA 位移傳感器位置量與電壓信號的特性關系.實驗測試系統,將直徑為12 mm,有效長度為1 000 mm 的磁致伸縮測桿用測桿支架固定在60×60 的非導磁鋁制工作臺,將閉口磁環套在該位移傳感器的測桿上,并在位移傳感器首、末端測桿死區用測桿支架固定.實驗中使用的電壓為直流穩壓電源,為后續信號的調理電路提供穩定的工作電壓.

        實驗方法模型如圖4(b)所示,固定右端磁環,活動左端磁環.分別測兩磁塊等間距30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、90 mm、100 mm、150 mm 對應的電壓值,通過USB5935 數據采集器反饋到電腦端.本實驗用到的實驗器材有SDSMA 位移傳感器、閉口磁環、USB 數據采集卡、電腦、無磁性鋁制工作臺、測桿支架、色環電阻、導線等。

3　實驗結果及誤差分析

3.1　實驗結果分析

       在室溫條件下,傳感器正常工作,兩磁環移動相同位移量并采集記錄數據,數據由USB5935 數據采集卡讀取輸出電壓,為保證實驗數據的可靠性,在顯示輸出感應電壓中采集3 組實驗數據并取得電壓平均值.得出不同位移量的條件下傳感器的輸出感應電壓峰值V 的關系。

3.2　誤差分析

       對(2)中的誤差A 進行數據分析,100 mm≤S≤10 000 mm,在圖6 中,可見誤差值基本穩定在一數值之間.但在0 ~100 mm 之間誤差較大,沒有任何規律.現對100~1 000 mm 之間對誤差進行分析,從(b)圖可以看出，誤差值維持在0%~0.9%之間。

       在兩閉口磁環間距較大時,兩磁環間偏置磁場影響較小甚至不相互影響,位移量與輸出電壓呈線性關系,當磁環間間隙過小,兩磁環的偏置磁場相互影響,導致輸出電壓的不準確性和不穩定性,位移量與輸出電壓沒有確定關系.偏置磁場的變化嚴重影響輸出電壓的變化.雙磁環磁致伸縮位移傳感器測桿上兩個磁環,在0~100 mm 之間,主要的原因是磁環剩磁的存在,兩磁環在一定距離內,磁環的剩余磁場強度與另一個磁環的中心磁場強度疊加形成的新的偏置磁場,會導致輸出電壓的不穩定變化,從而使傳感器失效,形成測量盲區.

在100~1 000 mm 之間,實驗數據可能受線圈溫度、環境溫度、測量誤差等因素,導致數據有所偏差.

        現對誤差進行綜合分析,當兩磁環間距小于25 mm 時,兩磁環相互排斥且磁致伸縮位移傳感器檢測不到磁環位置,位移傳感器檢測失效.所以現針對位移傳感器的測量誤區進行數據采集.從圖7 中曲線的趨勢可以看出,當兩磁環間距≥100 mm 時,兩閉口磁環位移量與傳感器的輸出電壓呈很好的線性關系,但在0-1 000 mm 之間,兩磁環的偏置磁場相互影響,兩磁環相互排斥,曲線呈不規律曲線.所以在使用該型號的磁致伸縮位移傳感器時,應盡量避開0 ~1 000 mm 的測量誤區,避免實驗數據的不真實和不可靠性.綜上數據分析,通過實驗數據推出傳感器位移量與輸出電壓標定方程S 能很好地滿足實驗數據,并通過誤差的計算與分析,得出較為準確地誤差值.試驗結果表明,在測量誤區外,傳感器位移量與輸出電壓的線性關系較好.

4　結　　論

        本文中建立了磁致伸縮位移傳感器雙磁環間距與輸出電壓的關系特性模型,控制其線圈匝數、偏置磁場、激勵磁場相同的條件下,改變兩磁環的間距,得到位移量與輸出電壓的擬合曲線,推出的標定方程可以準確的描述該傳感器在不同位移下的輸出電壓關系特性;其后又進一步對雙磁環的測量誤區進行了數據收集,結果表明,在0~100 mm之間,雙磁環由于自身產生的偏置磁場相互影響,對實驗數據的影響較大,而在100 ~ 1 000 mm 之間,位移量與輸出電壓呈線性相關.本文采用的實驗方法與采集的數據,為以后磁致伸縮位移傳感器的使用提供了寶貴的經驗.

 

 

 

 

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