1、引言
細長直線磁致伸縮傳感器是利用磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)實現(xiàn)的一種絕對式位移傳感器，主要用于距離測量領(lǐng)域，如：液位測量、水位監(jiān)測等領(lǐng)域，尤其是易燃易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的環(huán)境中[1]。
該種傳感器通過檢測線圈來監(jiān)測磁致伸縮直線上磁疇變化引起的磁通量的變化，并通過相應(yīng)的時間計算得出實測點的位移。按照引起磁通量變化的主要影響因素可將線圈檢測到的電壓波形分為感應(yīng)波形和彈性波形兩種，其中，感應(yīng)波是由傳感器系統(tǒng)驅(qū)動脈沖電流發(fā)生時，在磁致伸縮線體材料上產(chǎn)生的周向磁場作用下，磁致伸縮材料發(fā)生磁化和磁致伸縮變化引起的;彈性波形是在磁致伸縮效應(yīng)作用下磁致伸縮線體材料中產(chǎn)生了的扭轉(zhuǎn)式超聲波，當(dāng)扭轉(zhuǎn)波到達檢測線圈位置時，磁性材料在逆磁致伸縮效應(yīng)下產(chǎn)生的[2]。
首先，感應(yīng)波信號較彈性波信號強許多，相對容易檢測和分析;其次，感應(yīng)波影響因素相對較少，易于給出相應(yīng)的理論分析和解釋;第三，感應(yīng)波發(fā)生時，磁致伸縮材料發(fā)生的物理變化是產(chǎn)生彈性波的直接原因，對感應(yīng)波的機理研究將對研究彈性波有著重要的意義。
作者對傳感器系統(tǒng)中的感應(yīng)波進行了多種方案的檢測，分析了感應(yīng)波波形中振蕩發(fā)生的主要原因，對檢測線圈匝數(shù)與感應(yīng)波的波形信號關(guān)系進行了實驗分析和理論探討，為該種傳感器檢測系統(tǒng)的設(shè)計及線圈參數(shù)的確定提供了理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。
2、細長直線磁致傳感器基本原理
磁致伸縮傳感器基本工作原理如圖1所示。
圖1 磁致伸縮直線傳感器基本工作原理圖
當(dāng)給磁致伸縮線加以脈沖電流Ip時，線的附近便會產(chǎn)生周向磁場Фi;另一方面，在該線附近的永久磁鐵會引發(fā)軸向磁場Фm。當(dāng)脈沖電流Ip流過磁致伸縮線時，兩磁場Фi和Фm合成一個瞬間扭轉(zhuǎn)磁場Ф。由于磁致伸縮效應(yīng)，導(dǎo)致合成磁場處的磁致伸縮線發(fā)生瞬間形變，進而產(chǎn)生彈性波，并沿軸向以一定的速度v向線的兩端傳播。
由于磁致伸縮線體材料的長度L遠遠大于直徑D，則在計算周向磁場時可將線體假設(shè)為無限長。如圖1所示，在線的一端設(shè)有檢測線圈，當(dāng)加載脈沖電流Ip時，載流無限長直導(dǎo)線周圍的磁感應(yīng)強度B為：
B=(μ0I)/(2πr0) (1)
在此磁場作用下，檢測線圈覆蓋的線體材料中的磁疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)和磁疇壁的位移，改變了軸向磁通量的大小，在檢測線圈中便產(chǎn)生電壓波形，在此稱為感應(yīng)波形。當(dāng)扭轉(zhuǎn)波到達檢測線圈時，由于機械應(yīng)力的改變，在逆磁致伸縮效應(yīng)的作用下，線體中的磁疇發(fā)生變化引起軸向磁通量發(fā)生變化，在線圈中產(chǎn)生電壓波形，稱為彈性波形。
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)檢測線圈軸向發(fā)生磁能量改變時，在線圈兩端便產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e，其大小如(2)式所示。
e=-NS(əB/ət) (2)
式中 e：感應(yīng)電壓 [V];N：檢測線圈的匝數(shù);S：檢測線圈金屬線橫截面積 [m2];B：磁通密度 [T]。由于əB/ət也是隨時間變化的量，所以，e是t的函數(shù)。
位移的檢測是通過計算彈性波從磁鐵到檢測線圈之間的傳播時間t來實現(xiàn)的，設(shè)彈性波的傳播速度為v，則永久磁鐵到線圈的距離L如(3)式所示[3]。
L=vt (3)
由圖1及磁致伸縮傳感器原理可知，不僅彈性波對檢測信號有影響，而且感應(yīng)波對檢測信號也有影響;在實際工作系統(tǒng)中，影響檢測信號的還應(yīng)有周向磁場直接對線圈的影響、環(huán)境磁場對線圈的影響、各種環(huán)境電磁波信號對線圈的影響以及線圈及附屬檢測系統(tǒng)電路自身的電氣特性對信號的影響。
3、檢測線圈與檢測信號
作者采用不同匝數(shù)的檢測線圈，對感應(yīng)波信號進行了檢測，檢測線輥相關(guān)技術(shù)參數(shù)如圖2所示，檢測結(jié)果如圖3所示。可以看出，隨著檢測線圈匝數(shù)的增加，感應(yīng)波振幅變大，周期變長。
(a) 200匝 (b) 1000匝
圖3 不同匝數(shù)線圈檢測到的感應(yīng)波形
圖4為不同匝數(shù)線圈檢測到的感應(yīng)波形的峰峰值變化，及第一個尖峰值的變化。
(a) 峰峰值 (b) 第一峰值
圖4 不同匝數(shù)線圈檢測到的峰值
由圖3和圖4可知，在驅(qū)動脈沖電流的脈沖方波作用下，脈沖方波的前沿(上升沿)在線圈中產(chǎn)生正向的振蕩波形，本文稱之為前沿振蕩;脈沖方波的后沿(下降沿)在線圈中產(chǎn)生負向的振蕩波形本文稱為后沿振蕩，它們有以下特點：
① 感應(yīng)波波形發(fā)生了兩次變化，其中一次發(fā)生在驅(qū)動脈沖方波的前沿(上升沿)，一次發(fā)生在后沿(下降沿);② 隨著線圈匝數(shù)的不斷增加，前沿振蕩和后沿振蕩的振幅不斷增大，周期也不斷變長;③ 振蕩的影響時間隨線圈匝數(shù)的增加而變長，直到前沿振蕩和后沿振蕩交織在一起，當(dāng)交織的前沿振蕩與后沿振蕩相位一致時峰峰值變大，當(dāng)前沿振蕩與后沿振蕩相位相反時峰峰值變小;④由第一峰值的變化可知，隨著線圈匝數(shù)的不斷增加，第一峰值不斷變大。
本文對不同匝數(shù)線圈檢測到的感應(yīng)波進行了頻譜分析，隨線圈匝數(shù)的變化感應(yīng)波周期及頻率變化如圖5、圖6所示。
圖5 線圈匝數(shù)與周期的關(guān)系 圖6 線圈匝數(shù)與頻率的關(guān)系
而對同匝線圈不同線體材料進行測試時，感應(yīng)波主頻基本一致，如表1所示。表中所示數(shù)據(jù)是采用500匝檢測線圈，對六種線體材料、兩種初始化方案下進行的感應(yīng)波檢測和主頻分析。由表可知，在線圈匝數(shù)為500匝時，所檢測到的感應(yīng)波形的振蕩頻率基本保持在386kHz附近。
以上實驗表明：不同磁致伸縮線體在同匝檢測線圈方案下進行檢測時，材料的變化未引起感應(yīng)波主頻率的較大變化。
表1 同匝異線感應(yīng)波頻率分析結(jié)果(kHz)
4、信號振蕩與線圈匝數(shù)關(guān)系的分析
由于影響線圈信號的因素較多，本文對感應(yīng)波信號振蕩的主要影響因素進行了分析。
首先，所檢測到的感應(yīng)波的振蕩不應(yīng)是磁疇偏轉(zhuǎn)振蕩的直接反映。由式(1)可知：當(dāng)電流呈方波波形時，周向磁場隨時間的變化亦呈方波波形。如圖7所示[4]，如果周向磁場引起的是可逆磁疇變化，磁通量應(yīng)為O狀態(tài)對應(yīng)的磁疇磁通量或A狀態(tài)對應(yīng)的磁疇磁通量;如果周向磁場引起的是不可逆磁疇變化，磁通量應(yīng)為B狀態(tài)對應(yīng)的磁疇磁通量或C狀態(tài)對應(yīng)的磁疇磁通量。而在定磁場作用下，磁疇將保持一種固定的狀態(tài)，或在該狀態(tài)附近。另外，在驅(qū)動脈沖電路一定的情況下，驅(qū)動脈沖的前沿振蕩和后沿振蕩是一定的，磁疇即使隨驅(qū)動脈沖的前沿振蕩和后沿振蕩波動，其主頻值也不會因檢測線圈匝數(shù)的變化而變化[5-6]。所以，通過線圈檢測到的振蕩不應(yīng)該是磁疇偏轉(zhuǎn)振蕩的直接反映。
圖7 磁化和反磁化過程的各個階段
其次，所檢測到的感應(yīng)波的振蕩不應(yīng)是由磁致伸縮線體的振蕩變化引起的。分析如下：若振蕩是由磁致伸縮直線扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的逆磁致伸縮效應(yīng)引起的磁通量的變化，則：對于相同的磁致伸縮線體，當(dāng)采用不同的線圈匝數(shù)進行檢測時，感應(yīng)波振蕩頻率不應(yīng)有較大的變化;對于不同的磁致伸縮線體，采用相同的線圈匝數(shù)進行檢測時，感應(yīng)波振蕩頻率應(yīng)有較大的差異。而這與實驗結(jié)果不符。
反之，由實驗結(jié)果可知，感應(yīng)波振蕩的原因應(yīng)主要是檢測線圈電路的電信號振蕩。作者對感應(yīng)波振蕩頻率與檢測線圈匝數(shù)的關(guān)系進行理論分析。
理論上，自感系數(shù)的計算方法一般比較復(fù)雜，實際中常常采用實驗方法來測定，簡單的情形可以根據(jù)畢奧-薩伐爾定律和式(4)進行計算：
Ψ=LI (4)
其中Ψ是磁通匝鏈數(shù)，L是自感系統(tǒng)，I是電流。
對于單匝密繞螺線管有：
L=μ0n2V=μ0N2S/l (5)
其中μ0是真空磁導(dǎo)率，n是單位長度內(nèi)的匝數(shù)，V是螺線管的體積，N是總匝數(shù)，S是螺線管的截面積，l是螺線管的長度。
由RLC電路暫態(tài)過程相關(guān)理論，針對如圖8所示的理想電路，對于電路中的振蕩信號討論如下。
圖8 LCR電路
電路中的阻尼度為：
(6)
如果電路中的電阻不太大使得λ<1，便可視為阻尼振蕩，其振蕩頻率f和周期T在L>>R時有：
(7)
(8)
由公式(5)、(7)、(8)可得：
(9)
(10)
對于本文所討論的線圈，在匝數(shù)N變化時，截面積S和分布電容C也會發(fā)生變化。由前述實驗可知，引起感應(yīng)波信號振蕩的主要因素應(yīng)為檢測線圈本身，當(dāng)截面積S和分布電容C隨線圈匝數(shù)變化較小時可近似為常量，此時即有：感應(yīng)波信號振蕩頻率與線圈匝數(shù)成反比關(guān)系，感應(yīng)波信號振蕩周期與線圈匝數(shù)成正比關(guān)系。
5、結(jié)論
本文通過實驗確定了在通過檢測線圈檢測磁致伸縮直線位移傳感器的信號波形時，所得到的波形主要是感應(yīng)波形和彈性波形，其中引起感應(yīng)波的主要是磁致伸縮效應(yīng)下磁疇的偏轉(zhuǎn)和磁疇壁的位移，但感應(yīng)波信號的前沿振蕩和后沿振蕩并不是磁疇變化的直接反映，而是與檢測線圈匝數(shù)有關(guān)的量。分析可知，感應(yīng)波信號振蕩頻率與線圈匝數(shù)成反比關(guān)系。該結(jié)論為進一步提高傳感器系統(tǒng)的檢測精度和檢測范圍，規(guī)避檢測線圈對檢測信號的負面影響，提供了實驗數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。
參考文獻
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