KEYENC基恩士光纖傳感器的輸出特性

　　KEYENC基恩士光纖傳感器在精密位移測(cè)量方面，基于魏德曼效應(yīng)和磁致伸縮逆效應(yīng)的 Fe-Ga 磁致伸縮位移傳感器，以其測(cè)量精度高、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)床位移控制、液面高度和界面測(cè)量等領(lǐng)域。特別是由于磁鐵和傳感器無需直接接觸，該種傳感器在易燃易爆、腐蝕、輻射等惡劣環(huán)境下有著不可替的應(yīng)用價(jià)值。

　　KEYENC基恩士光纖傳感器以線圈為檢測(cè)裝置，其輸出量為電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行分析處理從而獲得應(yīng)力波的傳播時(shí)間，由于應(yīng)力波的傳播速度一定，檢測(cè)位移通過應(yīng)力波的波速乘以應(yīng)力波的傳播時(shí)間即可求得。研究對(duì)磁致伸縮位移傳感器的精度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)輸出電壓的峰值越大，根據(jù)閾值法或峰值法確定的應(yīng)力波傳播時(shí)間越，傳感器的測(cè)量精度越高。為研制更符合測(cè)量需求的磁致伸縮位移傳感器，有必要對(duì)磁致伸縮位移傳感器的輸出特性進(jìn)行深入的研究。

　　已有一些文獻(xiàn)對(duì)磁致伸縮位移傳感器的輸出特性進(jìn)行研究，采用波導(dǎo)絲所受的扭矩描述波導(dǎo)絲的角應(yīng)變，根據(jù)磁機(jī)械耦合原理得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式，進(jìn)而建立起激勵(lì)磁場(chǎng)、偏置磁場(chǎng)和材料特性與輸出電壓的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)絲的磁致伸縮是影響魏德曼效應(yīng)的重要因素?；谖旱侣?yīng)得到了含有磁致伸縮系數(shù)的輸出電壓模型，建立起磁致伸縮與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系。研究提出磁致伸縮導(dǎo)波位移傳感器的電磁感應(yīng)信號(hào)來源于磁疇的自由旋轉(zhuǎn)和應(yīng)力波的偏心運(yùn)動(dòng)。隨后，對(duì)應(yīng)力波在波導(dǎo)絲中的衰減特性進(jìn)行了研究，提出衰減系數(shù)測(cè)試方法，并討論了波導(dǎo)絲的線徑、應(yīng)力波的頻率等對(duì)衰減系數(shù)的影響。研究考慮應(yīng)力波衰減特性，建立了傳感器輸出電壓隨應(yīng)力波傳播距離變化的數(shù)模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型，結(jié)果表明輸出電壓隨傳播距離的增大呈指數(shù)衰減。

　　KEYENC基恩士光纖傳感器以上研究均未涉及外加應(yīng)力對(duì)傳感器輸出特性的影響，實(shí)際上，應(yīng)力可以使磁性材料產(chǎn)生應(yīng)變， 從而改變傳感器的輸出特性。研究根據(jù)位移傳感器的輸出電壓與螺旋磁場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)一步通過分析有效場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和磁化強(qiáng)度的關(guān)系，得到應(yīng)力和磁場(chǎng)共同作用下的輸出電壓模型。但該模型只適用于分析軸向應(yīng)力對(duì)輸出電壓的影響，對(duì)于在波導(dǎo)絲安裝過程中極容易受到的扭轉(zhuǎn)力問題并不適用，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對(duì)輸出電壓的影響尚未可知。

　　KEYENC基恩士光纖傳感器本文基于材料力學(xué)對(duì)波導(dǎo)絲所受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力進(jìn)行分析和計(jì)算，并從磁疇角度研究了扭轉(zhuǎn)力對(duì)魏德曼效應(yīng)的影響，結(jié)合 Fe-Ga 合金的非線性本構(gòu)模型和磁致伸縮逆效應(yīng)等推導(dǎo)了磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型。搭建預(yù)加扭轉(zhuǎn)力下 Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓測(cè)試平臺(tái)，通過模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對(duì)傳感器輸出特性的影響規(guī)律。該模型可用于預(yù)測(cè)傳感器的輸出電壓，并為傳感器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

　　1、波導(dǎo)絲表面不連續(xù)性對(duì)檢測(cè)信號(hào)影響的修正方法

　　利用弱的反射信號(hào)查找不連續(xù)處的位置，做法如下，先將磁環(huán)置于*頂端，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣，然后查找浮子處回波信號(hào)以及不連續(xù)處反射信號(hào)的特征點(diǎn)(如峰值),.即可計(jì)算出兩者之間的距離，進(jìn)而求出不連續(xù)處的*位置。找出了不連續(xù)處的位置，利用上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)論對(duì)浮子在不同位置時(shí)的測(cè)量值進(jìn)行修正。當(dāng)幅值衰減了1/2時(shí)磁環(huán)必定在不連續(xù)處前，在編寫修正算法時(shí)可以充分利用該結(jié)論。

　　不論何種缺陷，均可參照以上方法進(jìn)行修正，利用在磁環(huán)后形成反射這一現(xiàn)象，查找到缺陷所處的位置。進(jìn)而判別波導(dǎo)絲的優(yōu)劣，篩選波導(dǎo)絲。

　　2、波導(dǎo)絲底端固定方式對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響及修正方法

　　由于扭轉(zhuǎn)的聲波是向兩端傳播，傳播到底端時(shí)發(fā)生的變化與固定方式有關(guān)系。波導(dǎo)絲底端的固定方式可以有三種固定方式:阻尼器固定方式、鋼體固定方式和無固定器材。這幾種固定方式會(huì)給檢測(cè)信號(hào)帶來什么樣的影響呢?選一支量程為1米的磁致伸縮位移傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)其影響。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，為醒目起見，將鋼體固定方式向下平移1個(gè)單位，將無固定器材方式向下平移2個(gè)單位?？梢郧宄目吹?，這三種固定方式只是對(duì)信號(hào)的幅度有所影.響，對(duì)特征點(diǎn)的相位無影響。

　　KEYENC基恩士光纖傳感器在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，只要波導(dǎo)絲底部距離磁環(huán)4cm以上時(shí)，不論那種固定方式，對(duì)檢測(cè)信號(hào)沒有任何影響。

　　KEYENC基恩士光纖傳感器測(cè)量距離時(shí)一般只使用*個(gè)回波，對(duì)于波導(dǎo)絲底端的反射回波并不使用。

　　3、波導(dǎo)絲中的剩磁現(xiàn)象對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響及修正方法

　　波導(dǎo)絲是由磁性材料制成的，磁性材料在磁場(chǎng)中會(huì)被磁化，而磁致伸縮位移傳感器的活動(dòng)磁環(huán)內(nèi)部是一塊永磁鐵。理論上講，只要是磁環(huán)經(jīng)過的地方，波導(dǎo)絲就可能被磁化，磁化處就存在一磁場(chǎng)，但是這個(gè)磁場(chǎng)和磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相比是很弱的。.

　　先讓磁環(huán)在波導(dǎo)絲上運(yùn)動(dòng)幾次，然后拿掉磁環(huán)。重復(fù)做多次這樣的實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)一下前后的變化情況。如圖7所示，可以看到在磁浮子經(jīng)過的地方確實(shí)存在磁化現(xiàn)象，被磁化的地方也會(huì)有磁致伸縮現(xiàn)象發(fā)生，只不過信號(hào)比較弱?？吹?、3、4條曲線，這3條曲線中剩磁的位置有著驚人的相似，說明剩磁–旦形成便不會(huì)因浮子多次運(yùn)動(dòng)而消失。

　　在采用比較器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)絲的某些位置出現(xiàn)恒定的正誤差(+6mm)，面某些位置出現(xiàn)恒定的負(fù)誤差(-5mm)，有些地方誤差卻很小，幾乎等于正實(shí)值。剩磁現(xiàn)象很好地解釋了這些誤差現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。如果磁環(huán)的磁致伸編信號(hào)與當(dāng)前的剩磁現(xiàn)象產(chǎn)生的磁致伸縮信號(hào)在相位上相差180度，那么兩個(gè)信號(hào)疊加將呈現(xiàn)*小值，這時(shí)將出現(xiàn)正誤差。如果相位相同則呈現(xiàn)*值，這時(shí)將出現(xiàn)負(fù)誤差。

　　在制作的KEYENC基恩士光纖傳感器中幾乎所有的都出現(xiàn)恒定正負(fù)誤差情況，通過大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種誤差是由利磁現(xiàn)象產(chǎn)生的。這便要求必須解決掉利磁想象，在磁環(huán)每運(yùn)動(dòng)到一個(gè)新位置時(shí)*行消磁，只有這樣才能解決傳感器的恒定誤差。