一种磁致伸缩位移传感器的优化设计方法
《磁致伸缩直线位移传感器的机理研究与应用》
《磁致伸缩直线位移传感器的机理研究与应用》篇一一、引言磁致伸缩直线位移传感器是一种基于磁致伸缩效应原理工作的精密测量装置，它具有高精度、高分辨率和良好的重复性等特点，在机械、自动化控制、机器人、精密测量等领域有着广泛的应用。
本文将对磁致伸缩直线位移传感器的机理进行深入研究，并探讨其在实际应用中的效果。
二、磁致伸缩直线位移传感器的工作原理磁致伸缩直线位移传感器主要由磁致伸缩材料、传感器探头和电子电路三部分组成。
当外部磁场作用于磁致伸缩材料时，材料会产生伸缩变形，从而改变其长度。
通过测量这一长度变化，即可得到被测物体的位移信息。
1. 磁致伸缩材料磁致伸缩材料是磁致伸缩直线位移传感器的核心部分，它具有优异的磁致伸缩性能和良好的稳定性。
常见的磁致伸缩材料有镍基合金、铁基合金等。
这些材料在磁场作用下会产生明显的伸缩变形，从而为测量位移提供了基础。
2. 传感器探头传感器探头是用于检测磁致伸缩材料长度变化的装置。
它通常由两个部分组成：一是固定的非磁性外壳，用于安装和固定磁致伸缩材料；二是与外部电子电路连接的输出信号端子。
3. 电子电路电子电路是用于将传感器的信号转换为数字信号并输出的部分。
通过外部控制器发送的电流信号可以驱动传感器探头产生磁场，进而引起磁致伸缩材料的伸缩变形。
同时，电子电路还能对传感器输出的信号进行放大、滤波和数字化处理，以便于后续的信号处理和分析。
三、磁致伸缩直线位移传感器的应用磁致伸缩直线位移传感器具有高精度、高分辨率和良好的重复性等特点，在许多领域都有广泛的应用。
以下是几个典型的应用场景：1. 机械制造领域在机械制造领域，磁致伸缩直线位移传感器被广泛应用于各种精密测量和控制系统。
例如，在机床的加工过程中，需要实时检测工件的尺寸和位置信息，以便进行精确的控制和调整。
这时，磁致伸缩直线位移传感器就能发挥出其高精度测量的优势，提高机床的加工精度和生产效率。
2. 自动化控制领域在自动化控制领域，磁致伸缩直线位移传感器也得到了广泛的应用。
磁致伸缩位移传感器研制
早期磁致伸缩位移传感器的研制磁致伸缩位移传感是利用磁致伸缩效应研制的传感器。
该传感器可以实现非接触、绝对式测量，具有高精度、大量程的特点，特别是由于磁铁和传感器并无直接接触，因此传感器可应用在恶劣的工业环境，如易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的场合。
此外，传感器能承受高温高压和高振荡的环境。
传感器输出信号为绝对数值，所以即使电源中断重接也不会对数据收构成问题，更无尖重新调整零位。
由于传感器组件都是非接触的，所以即使测量过程理不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。
研制中涉及的关键技术有：（1）大电流周期激发电路的设计；（2）微弱信号的检测、信号的滤波、放大、电压比较、峰值检验波、电压限幅等一系列电路的设计；（3）基于单片机的高精度时间量测量。
技术要求：测量范围0～8cm，精度0.1mm。
测量范围不是很大，主要是受到实验所用波导钢丝本身长度的限制。
1位移传感器的原理磁致旋转波位移传感器，如图1所示。
除位置磁铁外，所有其他元器件都安装在传感器壳体内，组成传感器的主体。
位置磁铁通常装在一个运动部件A上，而传感器主体则装在一个固定的部件B上。
传感器工作时，电子信号和处理系统发给磁致波导钢丝间隔为T的激励脉冲电流ie 该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝的旋转磁场。
位置磁铁也产生一个固定的磁场。
根据Widemanm效应，金属随其瞬间变形产生波导扭曲，使波导钢丝产生磁致弹性伸缩，即形成一个磁致旋转波。
磁致旋转波的传播速度为式中：G为波导管的剪切弹性模量；ρ为波导管密度。
由于G和ρ均为恒定（对于一定的波导管来说）的，所以传播速度也恒定。
经过计算该旋转波沿着波导钢丝以2 800 m/s的速度向两边传播。
当它传到波导钢丝一端的波检测器时被转换成电信号ua·通过测量磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间tL就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。
这样，当部件A和B产生相对运动，通过磁致旋转波位移传感器就可以确定部件A的位置和速度。
一种磁致伸缩位移传感器[实用新型专利]
![一种磁致伸缩位移传感器[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c0aaa6f16bd97f192379e98b.png)
专利名称：一种磁致伸缩位移传感器
专利类型：实用新型专利
发明人：张昌金,程言峰,徐雨秀,刘建生,石松申请号：CN201520524519.X
申请日：20150719
公开号：CN204854609U
公开日：
20151209
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种磁致伸缩位移传感器，包括测杆和多个磁环，所述磁环滑动连接测杆，所述测杆的顶部设有传感器组件，所述测杆内设有波导丝、回波检出机构、永久磁铁、前阻尼器和后阻尼器，所述前阻尼器和后阻尼器分别设于波导丝的两端，回波检出机构连接波导丝；所述磁环内设有永久磁铁，本实用现象在同样的回波检测机构条件下，或回波检测机构的灵敏度难以提升时，可以有效提升传感器的测量范围。
可以设计出更大量程的产品，在量程不变的情况下，可以简化回波检测机构的结构和电路设计，能够有效降低传感器的成本，提高产品的性价比。
申请人：张昌金
地址：100076 北京市丰台区东高地南大红门路1号内38栋428号
国籍：CN
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磁致伸缩位移传感器感应信号的分析调理
分别向波导丝两端传播． 向远端传播的扭转波通
感 应信 号是磁 致伸 缩位移 传感 器测 量定位 的
根本 ， 但 由于 扭转 波 经 过 波 导丝 末 端 的阻尼 结 构 无 法彻底 消 除 ， 会在 波导 丝 中多次 反射 ， 相互 叠加
过阻尼器 ， 以衰减远端的反射回波 ； 根据 Ｖ ｉ ｌ ｌ ａ ｒ ｉ 效 应， 近端利用 感应 线 圈产生感 应 电压 ， 来 检测扭 转 波信号 Ｊ ． 由于电流在波导丝上近似为光速 ， 传
米 收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ２ — ２ ８
作者简介 ： 于希文 （ １ ９ ８ ８一） ， 男， 硕士研究生 ， 主要从 事电磁传感器 的研 究
Ｅ－ ｍａ ｉ ｌ ： ｃ ｈ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ａ ｙ ｘ ｗ＠ １ ２ ６． ｅ Ｏ ｌ Ｔ １ ．
—
第 ３期
于希文 ， 等： 磁致伸缩位移传感器感应信 号的分析调 理
ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ， ＭＬ Ｐ Ｓ ） 目前 已广 泛 应 用 于大 尺 寸 、
１ 传 感 器 工 作原 理
磁致 伸缩 位 移传 感 器 基 本工 作 原 理 为 ： 传感
器 电路产 生 的激励 脉 冲施 加 到波 导 丝 近端 ， 该 瞬
非 接触 、 高精 度 、 环 境恶 劣 的测量 场 合 中 ， 其工 作
频 域 的分析 并做 相 应 的 滤 波 ， 以提 升 信 号 的信 噪 比及对 外界 干扰 的抗 性 ； 同时 ， 对 感应 信号 的定位
方 式做 相应 改进 ， 提 出双端 沿 的触 发方 式 ， 进 一步
削减 信号 幅值方 向抖 动所 产生 的随机 误差 ．
基于磁致伸缩原理的液位传感器的设计
基于磁致伸缩原理的液位传感器的设计液位传感器是一种用于测量容器内液体水平高度的装置。
基于磁致伸缩原理的液位传感器利用了磁场和磁性材料之间的相互作用，通过测量磁性材料的伸缩变化来确定液位的高度。
在设计基于磁致伸缩原理的液位传感器时，需要考虑以下几个方面：1.选取合适的磁性材料：磁性材料是液位传感器的核心组成部分，它的伸缩变化直接关系到液位的测量准确度。
通常选择磁性材料的弹性模量较大、磁导率较高的材料，如Fe-Ni合金。
选取合适的磁性材料可以提高传感器的灵敏度和稳定性。
2.设计磁场产生器：磁场产生器是用来产生稳定的磁场，以对磁性材料产生力，从而实现液位的伸缩变化。
磁场产生器可以采用线圈产生恒定的磁场，也可以使用永磁体产生稳定的磁场。
选择合适的磁场产生器可以保证传感器具有较高的精度和稳定性。
3.测量磁性材料的伸缩变化：液位传感器需要测量磁性材料的伸缩变化来确定液位的高度。
可以使用位移传感器或压电传感器等设备来测量磁性材料的伸缩变化。
位移传感器可以测量磁性材料的位移，从而间接测量液位的高度；而压电传感器可以测量磁性材料的压力变化，从而直接测量液位的高度。
选取合适的测量方法可以提高传感器的测量精度。
4.利用微处理器进行信号处理：设计中可以利用微处理器对传感器的信号进行处理，从而获得更加准确和可靠的液位测量结果。
微处理器可以对传感器的输出信号进行滤波、放大和校正等处理，以提高传感器的灵敏度和稳定性。
此外，微处理器还可以对传感器的输出信号进行数字化处理，以实现传感器的自动化控制和数据采集。
在设计基于磁致伸缩原理的液位传感器时，需要综合考虑材料选择、磁场产生器设计、信号测量和信号处理等方面的问题，以实现传感器的高精度、高灵敏度和高稳定性。
通过科学合理的设计和优化，可以有效提高液位传感器的性能，满足工业生产和科研等领域对液位测量的需求。
同时，可以根据具体应用场景的需求和特点对传感器进行相应的优化和改进，以提高其适用性和可靠性。
磁致位移传感器检测线圈和驱动脉冲优化设计
１ 磁 致伸 缩式 位移传 感器 原理
磁致伸缩式位移传 感器 的主 要结构 如 图 １所示 。
它包括传感器头部 、 波导丝 （ 致伸 缩丝材 ） 探测杆 、 磁 、
修 改稿收 到 日期 ：０ ０— ８ ２ ２ １ ０ —０ 。
其传递 函数为 ：
（） ＝ １
—
ｓ ＋２
ｓ＋
（ ２）
式 中 ： ｃ分别 为线圈 的 电阻 、 、 、 电感 和分 布 电容值 ；
√ 为 圈 固 频 ； Ｄ詈 为 尼 。 ｒ 线 的 有 率 ，阻 比 壶，
为提 高线 圈的动态 响应 特性 ， 要求 在 ０ ６～ ． ． ０８
由电磁感应 理论 可知 ， 圈 的匝数 与扭转 波感应 线 电压的输出成 正 比， 增加感应线 圈匝数可提高灵敏度 。 但匝数的增加也会 带来不 利 的影 响 ： ①输 出噪 声 同步
感应波形是 由驱动脉 冲引起 的环 向磁场使波导丝发生
磁化而产生 的， 扭转 波感应波形 是 由波导丝 的磁致 伸
取决 于感应线 圈的结构 和脉 冲电流 的特性参数 。
在磁致伸缩传感器 的实 验平 台 中， 动脉 冲由脉 驱 冲发生器产生 ， 电流放 大后加 载到波 导丝上 。检 测 经 线 圈的输 出信号经调 理 电路 放大后 ， 通过数 据采集 卡 直接导人 Ｐ Ｃ中进行处理。
应出最大的电势差 ， 而考虑 到线 圈结构尺 寸的 限制和 绕制线圈的方便性 ， 选定线 圈的长度为 ２ｃ ｍ。
张
岚。 等 综合考虑后选择线径为 ０ ０ ｍ的漆包线绕制线圈 。 ．８ｍ 当扭转波传播到线 圈处时 ， 该处波 导丝 中的磁畴 发生偏转 ， 引起轴向磁通量 的变化 ， 由线 圈感应到 的线 圈感应扭转波 的起止时间间隔即为扭转波穿过线 圈所 需的时间 ， 将此段时间间隔乘以波速即得 到绕组长度 。 当绕组长度为扭转波半 波长 的整数倍 时 ， 线圈恰 能感
磁致伸缩纵向导波传感器中偏置磁场的优化设计
密度。
图1 磁 － 力转换效率与偏置磁场关系图
z） ， 采用圆柱坐标系 （ ρ， φ， 静磁场求解器矢量 磁位 A 满足： j z （ ρ， φ） = × φ） ） ) ( μ1μ （ × A （ ρ，
z r 0
2
具有可调结构的偏置磁场设计
导波信号检测在无损检测领域属于微弱信号检
（ 2）
测， 在传感器接收端减少外部电源、 电磁场引入的干 ， 扰显得十分重要 因此选择用永磁体方式提供偏置 能提供长期稳定的磁 磁场。永 磁 体 一 旦 被 磁 化， 场
将有携带锚杆检测信息的检测 信号转化为电压信号， 通过分析电压信号， 实现了对 试件的无损检测。
［13 － 14 ］
图7
实验系统示意图
激励线圈和接收线圈套置在待测锚杆上， 并且 置于同一个偏置磁场中， 保证磁化方向一致。 用任 意波形发生器 AFG310 产生频率为 60 kHz 的 4 周 期的半正弦脉冲， 经过线性功率放大器 LVC5050 将 激发 激励信号转变成放大的电流信号至激励线圈 ， 导波信号； 导波回波信号由接收线圈接收， 经过调理 电路， 进入 NI 数据采集卡， 并由 Labview 软件采集
)
Abstract ： Bias magnetic field is one of the key factors of longitudinal modes guided wave sensor based on magnetostriction． The optimal bias magnetic field is based on the material and excition condition． In order to keep the bias the magnetic field should be adjustable， and the detection signal should be magnet performed in the optmized region， of high SNR and little interference by the bias magnetic field． The usual bias magnetic providers are solenoid and permenant magnet． However， solenoid introduces electromagnetic interference， permennant magnet lacks flexibility． Then an adjustable bias magnetic equipment is promoted and designed． Finite element analysis is introduced to analyze the adjusting effects of the equipment， and result is welcomed． The equipment is used in longitudinal modes and have the character of high SNR， guided wave sensor． Results show that it is effective to adjust detection signal， easy use． This equipment is suitable in longitudinal modes guided wave sensor based on magnetostrictive effection． Key words： magnetostriction sensor； longitudinal modes guided wave； NDT； bias magnetic field EEACC： 1270 doi： 10． 3969 / j． issn． 1004 － 1699． 2011． 03． 012
《磁致伸缩直线位移传感器弹性波机理研究》范文
《磁致伸缩直线位移传感器弹性波机理研究》篇一一、引言磁致伸缩直线位移传感器是一种基于磁致伸缩效应的测量装置，其核心原理是利用磁性材料在磁场作用下的伸缩效应来测量位移。
这种传感器具有高精度、高稳定性、高可靠性等优点，在工业自动化、精密测量等领域得到了广泛应用。
本文旨在研究磁致伸缩直线位移传感器中的弹性波机理，为优化传感器性能提供理论支持。
二、磁致伸缩效应及弹性波基本原理磁致伸缩效应是指磁性材料在磁场作用下发生尺寸变化的现象。
当磁场作用于磁性材料时，材料内部磁畴的排列发生变化，导致材料发生伸缩。
这种伸缩效应与材料的磁性能和弹性性能密切相关。
弹性波是物体在受到外力作用时产生的机械波。
在磁致伸缩直线位移传感器中，当磁场作用于磁性材料时，会产生弹性波。
这些弹性波在材料内部传播，并通过传感器内部的检测装置将位移信息转化为电信号，从而实现位移的测量。
三、磁致伸缩直线位移传感器弹性波机理研究1. 传感器结构与工作原理磁致伸缩直线位移传感器主要由磁性材料、线圈、检测装置等部分组成。
当线圈中通入电流时，会产生磁场作用于磁性材料，使材料发生伸缩。
这种伸缩会引起弹性波的传播，并通过检测装置将位移信息转化为电信号。
2. 弹性波传播特性弹性波在磁性材料中的传播特性对传感器的性能具有重要影响。
研究表明，弹性波的传播速度、频率等特性与材料的弹性性能、磁场强度等因素密切相关。
通过对这些特性的研究，可以优化传感器的结构设计，提高传感器的测量精度和稳定性。
3. 传感器性能优化为了提高磁致伸缩直线位移传感器的性能，需要从多个方面进行优化。
首先，优化传感器的结构设计，使弹性波在材料中传播更加均匀、稳定。
其次，提高材料的磁性能和弹性性能，以增强磁致伸缩效应和弹性波的传播能力。
此外，还可以通过改进检测装置的设计和提高信号处理技术来提高传感器的测量精度和抗干扰能力。
四、实验研究与结果分析为了深入研究磁致伸缩直线位移传感器的弹性波机理，我们进行了相关实验。
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一种磁致伸缩位移传感器的优化设计方法李丛珊;姜印平【摘要】介绍了磁致伸缩直线位移传感器的测量原理，对传感器中的关键电路进行了优化。
在激励脉冲发生装置的设计中，提出了一种低成本、低功耗且兼顾脉冲质量的实现方案。
在回波信号拾取装置的设计中，确定了其中关键参数。
在计时装置的设计中，提出了一种简单同时满足精度要求的计时方案。
经过优化的传感器具有很好的静态特性，且具有低成本、低功耗、多接口等优点。
%The measurement principle of magnetostriction linear displacement sensor is introduced,on the key circuit of the sensor is optimized. In the design of excitation pulse generator,this paper proposes a low-cost,low-power and pulse quality implementation scheme. In the design of the echo signal pick-up device,analyzes the factors that affect pick up the signal,further identified the key parameters. In the design of timing device,this paper proposes a simple and at the same time meet the accuracy requirement of timing plan. The optimized sensors have good static charac-teristics and the advantages of low cost,low power consumption and multi-interface and so on.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2014(000)009【总页数】6页(P1202-1207)【关键词】磁致伸缩;位移传感器;激励脉冲;检测线圈【作者】李丛珊;姜印平【作者单位】天津大学电气与自动化工程学院，天津300072;天津大学电气与自动化工程学院，天津300072【正文语种】中文【中图分类】TP212.1磁致伸缩直线位移传感器是利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应及其逆效应实现位移测量的一种非接触式绝对位移传感器。
它有非接触、精度高、重复性好、稳定性可靠、环境适应能力强、成本适中等众多优点,被广泛应用于石油、化工、水利、航空等行业的各种罐储的液位测量系统中。
国外量程高达18 m的磁致伸缩液位传感器准确度可达到0.025% FS或0.508 mm,并且可以同时测量液位、界面和温度等多个参数,形成了系列化产品[1]。
我国在磁致伸缩位移传感器的研究方面与西方国家还有较大差距,但也正在进行积极的探索,并取得了一定进展[2]。
本文对磁致伸缩位移传感器的关键电路进行了优化设计,并对优化后传感器的性能进行了分析。
图1是磁致伸缩位移传感器的测量原理图。
在磁致伸缩液位传感器波导丝的一端施加一个激励脉冲,脉冲沿波导丝向前传播时,有一个环形磁场H伴随着激励脉冲以光速向前传播。
当环形磁场遇到浮子中的永磁体产生的纵向磁场时,将会使波导丝发生扭变并产生扭转波[3]。
该扭转波以恒定的速率沿着波导丝向两端传播,继续向前传播的扭转波被波导丝一端的阻尼原件吸收,向回传播的扭转波会传到接受带材上[4]。
根据磁致伸缩逆效应,缠绕带材的接受线圈中的磁通量会发生变化,从而接受线圈中会产生感应电动势。
通过调理电路滤波放大处理,将产生感应电动势转换为计时器可以识别的电脉冲,计数器通过计算发生激励脉冲和接受脉冲之间的时间差t来计算浮子的位置,从而得到当前被测体的液位[5-6]。
图2是磁致伸缩位移传感器系统原理框图。
由单片机(MCU)主控制器控制脉冲发生电路发生激励脉冲,同时计时电路开始工作,当激励脉冲信号遇见活动浮子(永磁体)时,会在波导丝上面发生磁致伸缩效应,产生扭转波。
当扭转波返回到接受装置时,根据磁致伸缩逆效应,接受装置将扭转波转化为电信号即将感应出感生电动势,经过信号调理电路的处理得到较好的脉冲信号发送给计时电路和单片机(MCU),此时计时电路停止计时并把数值传给MCU。
MCU通过计算得到被测液体的准确液位,并通过LCD显示出来、通过4 mA～20 mA和其他通讯方式传送给上位机或者其他设备[7-8]。
2.1 激励脉冲电路设计激励脉冲电路设计如图3所示。
图3中MIC4425为MOSFET管IRF2807专用的驱动芯片。
电容C31、C32连接升压电路的输出端,当MOSFET管IRF2807不导通的时候,电容C31,C32充电,储存电能。
当MOSFET管IRF2807导通的时候,电容C31,C32放电,电能通过MOSFET管IRF2807,线圈S-和线圈S+到电容C31,C32的另一端。
图4为S+点的信号图,可以看到S+的脉冲信号的脉宽约为2 μs,幅值约为-60 V,频率为100 kHz。
采用单片机处理器产生最原始的激励脉冲信号,这样电路既简单又容易控制。
选择电容-晶体二级管升压电路来提高幅值,并增加级联使电压幅值达到60 V,大大提高了激励脉冲信号的质量,同时拥有经济、不会浪费很多电能(低功耗)等多种优点。
2.2 回波信号拾取装置电路设计回波信号拾取装置的关键技术是信号调理电路系统。
由于检测线圈接收到的信号十分微弱,并且有很多复杂的噪声,因此计时装置若想识别,必须将信号通过信号调理电路才能输送给计时装置。
因此本文设计了如下回波信号拾取装置:对原始的线圈检测电信号,首先进行一级放大,再通过频率特性进行滤波,再进行二级放大,最后通过比较电路将信号进行整形。
回波信号拾取装置电路系统框图如图5所示。
2.2.1 一次放大和简单带通滤波电路设计由于线圈中检测的电信号较微弱,且为交流信号,频率很高,所以要求放大器的增益不应小于10 MHz,且有良好的放大特性。
这里我们选用MAX4452作为放大器,其带宽(200 MHz 3 dB Bandwidth)、增益平稳度(30 MHz 0.1 dB Gain Flatness)、速率(95 V/μs Slew Rate)等指标都满足信号放大的要求。
从图6可以看出,放大器MAX4452只对输入的交流信号有放大作用,其放大增益为MDS-F/L为检测线圈,电容C3为线圈信号的储能元件。
当扭转波没有到来时,即线圈中没有检测到交流信号时,放大器MAX4452的1脚输出电压只有直流分量当线圈中检测到交流信号时,其信号首先通过R4和C4的简单滤波,然后在通过放大器MAX4452放大输出。
这时放大器MAX4452的1脚输出为直流分量和交流分量之和2.2.2 带通滤波电路设计滤波器分为有源滤波器和无源滤波器[9]。
无源RLC滤波器设计电路实现,可以使电路成本很低,但无源滤波器却不容易调整带通的参数,且对元器件的品质因数要求高。
信号经过无源滤波器后,经常会有很大的幅值衰减,所以综上选择有源滤波器进行设计。
本设计采用专用的集成滤波芯片来实现。
采用这种方案的优点是元器件容易选择,滤波器的各项参数容易调节。
经过比较选择MAX275来设计有源滤波放大电路。
图7为MAX275组成的滤波电路,回波检测信号的频率大约为200 kHz左右,MAX275组成的滤波电路可以防止150 kHz以下的噪声信号通过,提高信号的质量。
图8为滤波放大后的信号图。
2.2.3 比较整形电路设计为了使计时装置更好的采集信号,我们在调理电路后端加上比较整形电路,使信号成为脉冲方波信号。
这样计时装置就可以有效地采集到信号的上升沿或者下降沿。
本文选择和一级放大中同样型号的放大器,如图9所示。
图10为整形后的信号采集图。
2.3 计时装置电路设计采用8位单片机和RLC振荡计时电路设计该装置,采用PIC16F系列单片机来完成计时操作和传感器系统控制逻辑处理,如图11所示。
图12中曲线a为图11中S_BACK点信号采集图,下降沿为激励脉冲信号起始时间,上升沿为回波信号接受时间;图12中曲线b是RC0/TIME点的信号采集图,激励脉冲和回波信号之间发生RLC振荡,用来给单片机计时装置提供计数基准;图12中曲线c是RLC振荡周期放大采集图,从图中可以看出振荡周期在50 ns左右,这样计时器影响的直接测量误差为150 μm。
经过对3种计时装置的比较,最后选择了第3种方案,采用RLC振荡作为计时装置的基准时钟,只要调节合理的RLC参数,就可以得到不同频率的基准时钟。
为了获得磁致伸缩位移传感器的性能指标如线性度、迟滞性、重复性等,对磁致伸缩位移传感器进行标定系统实验。
通过LABVIEW完成测量标定实验上位机PC程序设计开发,如图13所示。
通过采集可以记录该位移点的位移值和传感器计数器的值,并对数据进行曲线拟合。
在0～100 cm量程范围内,平均设定9个点进行记录,根据实验数据绘出曲线如图14所示。
由图可以看出正行程和反行程重合在一起,线性度较高。
由最小二乘法拟合直线可得式中,x为计数器的值,y为传感器的位移值。
①线性度。
在标准条件下,传感器的拟合直线与校准曲线间的最大偏差与满量程(F·S)输出值的百分比称为线性度δL[10],有式中,ΔYmax为拟合直线与校准曲线间的最大偏差,YF·S为传感器满量程输出。
计算得传感器的线性度为②迟滞。
迟滞是指在相同的工作条件下,对应同一输入量的正行程和反行程其输出值的最大偏差[11]。
其数值表示为最大偏差的一半与满量程的输出比,即式中,ΔHmax为输出值在正行程和反行程最大偏差,δH为传感器的迟滞。
正行程和反行程在不同测量点处的偏差如表1所示。
因为100 cm绝对值对应的计数器的绝对值为3205,所以最大偏差为=0.002975,计算传感器的迟滞为③重复性。
重复性是指在相同的工作条件下,输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性,数值上表示为各测量值正反行程标准差最大值的两至三倍与满量程的百分比[12],即式中,δK为重复性,σ为标准差。
用贝赛尔公式计算标准差有式中,Yi是测量值是测量值的算术平均值,n是测量次数。
在不同测量点处正行程和反行程的误差如表2所示。
计算可得从实验数据看出,磁致伸缩位移传感器在线性度、迟滞性、重复性方面都有很好的表现。
在激励脉冲发生装置的设计中,提出了一种低成本、低功耗同时又兼顾脉冲质量的实现方案,特别是把脉冲的幅值提高到了60 V。