磁致伸缩线位移传感器的设计

摘要

线位移无论是在工业制造环节还是在人们普通生活中都占据着极其重要的地位，如在桥梁铁路的建设，精密机床的设计，船舶制造等工程领域，高精度且能适应复杂工作环境的线位移传感器对保证工程质量有着其至关重要的意义。为了实现在复杂工作环境下对线位移的精准测量，衍生出磁致伸缩线位移传感器。磁致伸缩线位移传感器是通过铁磁性材料的磁致伸缩效应，在波导材料内部激发出超声导波，通过对超声导波时间信息的分析，达到计算线位移的目的。由于磁声换能器核心在磁结构，因此磁致伸缩换能器的优点在于换能器内部可采用非接触式，无需耦合的结构，该结构可大幅度提高传感器使用年限。由于磁致伸缩线位移传感器信息的传播是通过超声导波完成的，声比光更能适应恶劣环境下工作，不受油污烟尘等因素影响，因此该传感器可在一定程度上替代对工作环境要求较为苛刻的光栅线位移传感器。 本文基于磁致伸缩理论设计了一种结构相对简单且精度高的线位移传感器，设计过程主要包括：通过PCdisp，COMSOL仿真软件对电磁超声换能器中偏置磁场大小，线圈与永磁铁距离位置关系，线圈宽度，激励频率等核心参数进行仿真与实验，得到最优参数。根据磁致伸缩换能器设计相应的激励及接收电路，使激励线圈可提供高频窄带脉冲信号。接收端为带有阻抗匹配功能的放大电路。对导波接收信号进行信号处理，将信号通过线性调频函数进行匹配滤波，对滤波后的导波信号通过互相关算法计算渡越时间，从而获取待测线位移量。 通过实验验证，本论文设计的磁致伸缩线位移传感器精度可达0.1mm，误差率控制在百分之一以内，量程可达2m，满足传感器设计标准。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题背景、目的及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3课题研究内容及方法

第2章 磁致伸缩线位移传感器设计原理

2.1磁致伸缩基本原理

2.2超声导波基本原理

2.3超声导波的轴向传播特性

2.3.1导波的频散特性

2.3.2基于PCdisp的圆柱体导波分析

2.4磁致伸缩线位移传感器结构及测量原理

2.5本章小结

第3章 磁致伸缩换能器设计与仿真

3.1 基于导波模态设计换能器结构

3.1.1 波导材料的选择

3.1.2 导波模态的选择

3.1.3 换能器结构设计

3.1.4基于检测信号的频散曲线验证

3.2 偏置磁场参数确定

3.2.1 偏置磁场与铁磁性材料磁致伸缩力的关系

3.2.2 确定偏置磁场的磁场强度

3.3 偏置磁场与激励线圈间距分析

3.3.1 基于COMSOL对波导丝磁感应强度分析

3.3.2 永磁铁与激励线圈位置关系的分析

3.4 激励线圈对换能效率的研究

3.4.1 激励线圈激发频率的选择

3.4.2 激励线圈宽度

3.5 本章小结

第4章 磁致伸缩线位移传感器测试系统搭建

4.1磁致伸缩线位移传感器前端设计

4.1.1激励换能器的结构

4.1.2接收换能器的结构

4.1.3磁致伸缩线位移传感器测试系统搭建

4.2 线圈驱动电路

4.2.1线圈激励信号

4.2.2 脉冲信号放大电路

4.3 接收信号放大电路

4.4 信号采集模块与界面设置

4.5 本章小结

第5章 信号处理及实验结果分析

5.1 线位移量的计算

5.2 渡越时间的精确计算

5.3 线性调频匹配滤波

5.3.1 导波信号的噪声

5.3.2基于矩形线性调频脉冲函数的信号回波时差算法

5.3.3算法准确性分析验证

5.4 导波群速度的测量

5.5 实验结果分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢