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科技创新

威德曼效应弹性波位移传感器

摘要:根据铁镍合金,具有较高的磁致伸缩系数及优良的机械性能,研制一种基

于铁镍合金材料威德曼效应的位移传感器。通过测量铁镍合金波导丝中激励脉冲

信号与弹性波信号的时间差,获得活动永磁的位移量。设计了传感器的脉冲激励电流发生电路及检测线圈感应信号处理电路,给出了实验结果并对其进行分析。结果表明:铁镍合金弹性波位移传感器具有良好的线性度以及较高的灵敏度和测量精度。


0引言

近些年来,弹性波位移传感器以及精度高、有效传递距离远、非接触式测量、可靠性高却能适应恶劣环境等优点而被广泛应用于各个领域。威特曼效应弹性波位移传感器也称为磁致伸缩位移传感器,它是通过测量弹性波在波导丝上的传播时间来确定位移量的。铁镍合金具有价格低、磁性能优良、强度高、韧性好很适合加工成细丝状等优点。因此研究以铁镍合金为波导丝的磁致伸缩位移传感器,具有重要的实际应用价值。这里设计的磁致伸缩位移传感器,长度约为1.5m的,铁镍合金为波导丝,将激励模块产生的脉冲信号,加载到导师上产生超声波,然后通过信号接收处理模块检测弹性波的传播时间,最终将时间差转换成位移量。


1 弹性波位移传感器原理及装置设计

工作时,激励模块产生足够强度的脉冲电流信号加载到铁镍合金上,电流沿着波导丝传播时产生环绕波导丝的周向磁场,当该磁场传播到活动永磁铁处时将于活动永磁产生的轴向磁场叠加,形成一个螺旋形的合成磁场。根据威德曼效应,铁镍合金材料同时受到轴向和周向磁场的影响,这两种磁场共同作用从而使铁镍材料的磁畴排列发生变化,由此产生的磁致伸缩就形成了铁镍合金材料宏观上的扭转,从而在磁场叠加处产生弹性波并以超声波形式向波导丝两端传播。检测线圈将传播到线圈处的弹性波转换成电势能,经过检测线圈信号处理电路实现对激励脉冲信号与弹性波之间时间差值的测量,并在示波器上显示。


2 位移测量原理

位移的检测是通过计算弹性波从直接到检测线的传播时间来实现的。材料的弹性模量和密度是一定的,因此位移量只与时间成正比关系。


3 电路设计

弹性波位移传感器电路设计主要包括激励脉冲信号发生电路和检测线圈感应信号处理电路。


3.1,激励信号电路设计

激励信号电路主要包括脉冲发生电路、单稳态触发器以及功率放大电路。考虑到传感器的各方面综合因素,这里采用NE555组成的多谐振荡器产生周期为2.4ms的脉冲信号。为了使脉冲信号的边缘更陡峭,以及方便后续实验调整激励脉冲的脉宽,设计了有74LS121组成的单稳态触发电路,将脉冲信号的脉宽调整为4us。由于铁镍合金直流电阻值仅为2.36Ω,为了提高负载的驱动功率以及实现前后级的阻抗匹配设计了由TDA2030组成的功率放大电路,将脉冲信号放大至10V,脉宽保持不变,加载到铁镍合金些上的瞬间电流达到4.2A,满足了实验所需要求。


3.2,回波信号处理电路设计

回波信号处理电路主要包括滤波、放大以及比较电路。这里直接在波导丝一端绕到7200.05mm直径的漆包线作为弹性波的接收装置,相比,压电陶瓷接收以及其他间接测量方法,直接检测具有结构简单,无需添加任何衔接结构既可将回波信号转换成电信号的优点。由于接收到的感应信号十分微弱,幅值还不到1mV,并且包含着大量的杂波信号,因此必须将感应信号放大、滤波。值得注意的是,感应信号频率较高,并且还要保证对感应信号有足够的放大倍数,因此要求放大器的带宽增益足够大。这里选用高频运放OP37G,其带宽增益积为63MHz,将感应信号分4级放大104次方倍,放大后的弹性波输出电压可达2.1V,激励信号产生的电磁波已经放大至饱和状态。为了更明显的在示波器上显示活动磁铁的位置变化以及方便后续采集电路能稳定的采集时间差值,设计了有LM311组成的比较电路,能准确快速地检测有效信号的上升沿,将有效信号变成脉冲形式在示波器上显示或送给数字采集系统。


4 结束语

设计了一种以铁镍合金作为波导丝的弹性波位移传感器,研究了传感器的整体装置、脉冲激励电流发生电路及检测线圈感应信号处理电路,给出了相应的实验结果。铁镍合金弹性波位移传感器具有灵活的测量方式、良好的线性度、分辨率以及测量范围大等优点,为后续开发以铁镍合金为波导丝基于威德曼效应的弹性波位移传感器产品奠定基础。




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