力磁耦合磁弹性波位移传感器的研究

摘要

力磁耦合磁弹性波位移传感器是根据力磁耦合产生的磁弹性波在磁致伸缩材料中传播的延时效应来完成位移检测的一种非接触式传感器。它的优点包括精度高、重复性能好、稳定可靠、非接触测量、维护及使用方便、价格低廉和可工作于恶劣环境等，因而被广泛地应用于冶金、水利、石油、航空和自动化工业等领域的各种位移控制系统中，它具有很好的应用价值和前景。
　　本文对传统的位移传感器和力磁耦合磁弹性波位移传感器做了比较分析，介绍了常用位移测量仪器的优缺点，阐述了磁致伸缩效应的相关基本理论，着重分析了磁致伸缩效应和力磁耦合磁弹性波的产生及其检测方式，并根据相关理论，给出了力磁耦合磁弹性波位移传感器的测量原理及传感器的整体结构设计。
　　由于铁镍合金材料的磁致伸缩系数大，电磁特性优异，通过在磁伸材料两端施加电流脉冲信号，其产生的环形磁场与永磁产生的恒磁耦合产生磁弹性波，激励电流与反射弹性波在检测线圈中产生两脉冲信号，其时差与永磁位移成一定的比例关系。设计了激励驱动信号发生和感应线圈检测磁弹性波信号调理电路，将反映位移的两脉冲信号时差转换成脉宽调制(PWM)信号，从而实现了用时差和模拟电压反映位移量的两种输出形式，其中激励驱动信号发生电路包括矩形波信号产生、单稳态触发器和功率驱动放大电路;感应线圈检测磁弹性波信号调理电路包括信号放大滤波路、电压滞回比较电路和PWM电路，并通过单片机外围电路实现待测量的实时显示。
　　最后，对实验过程中，影响磁弹性波信号幅值的关键参数进行分析，即激励脉冲信号的脉宽和检测线圈匝数对磁弹性波幅值的影响，并给出了磁弹性波信号幅值最大时的相关最优参数。在传感器性能标定实验中，对数字式和模拟式力磁耦合磁弹性波位移传感器的静态性能指标分别进行相关分析。
　　实验结果表明:当激励信号脉宽为8μs、其功放幅值10.3V和检测线圈匝数为1200匝时，感应的磁弹性波信号幅值达至8.2V。模拟式位移传感器的线性度为0.460％，重复性为0.020％，迟滞性为0.574％，数字式位移传感器的线性度为0.669％，重复性为0.637％，迟滞性为0.762％，其静态性能指标均达到测量要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 磁致伸缩材料国内外研究现状

1．2．2 力磁耦合磁弹性波位移传感器国内外研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 力磁耦合磁弹性波位移传感器的工作原理

2．1 磁致伸缩效应基本理论

2．1．1 磁致伸缩效应

2．1．2 磁致伸缩效应的产生机理分析

2．1．3 力磁耦合扭转应力波产生机理分析

2．1．4 检测线圈感应磁弹性波产生电信号机理

2．2 磁致伸缩材料的分类与选择

2．3 力磁耦合磁弹性波位移传感器的工作原理

2．4 本章小结

第三章 力磁耦合磁弹性波位移传感器结构和关键装置设计

3．1 力磁耦合磁弹性波位移传感器总体结构

3．2 活动永久磁铁的选择

3．3 磁弹性波拾取装置结构设计

3．3．1 压电陶瓷检测方式

3．3．2 螺线管检测方式

3．4 本章小结

第四章 力磁耦合磁弹性波位移传感器功能模块设计

4．1 稳压电路电源设计

4．2 激励信号产生电路设计

4．2．1 矩形波信号产生电路

4．2．2 单稳态触发电路

4．2．3 功率放大电路

4．3 磁弹性波信号调理电路设计

4．3．1 信号滤波放大电路

4．3．2 电压滞回比较电路

4．3．3 脉冲宽度调制电路

4．4 单片机外围电路设计

4．5 本章小结

第五章 实验调试及性能测试

5．1 激励信号脉宽对磁弹性波信号幅值的影响

5．2 检测线圈匝数对磁弹性波信号幅值的影响

5．3 传感器性能测试

5．3．1 模拟式传感器性能测试

5．3．2 数字式传感器性能测试

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其它科研成果

附录