軟磁材料進(jìn)行磁化后，其形狀或大小發(fā)生變化的現(xiàn)象，即為磁致伸縮效應(yīng)或威德曼效應(yīng)。這是磁致伸縮位移傳感器彈性波的產(chǎn)生的基礎(chǔ)。因此，與基千其他原理的傳感器不同,只有磁致伸縮位移傳感器才能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，這種明顯優(yōu)勢(shì)使其被廣泛應(yīng)用千航天、石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域] 。目前公開報(bào)道的磁致伸縮位移傳感器(mds)的波導(dǎo)絲大多由飽和磁致伸縮系數(shù)（沁）不足3x 10-5的fe-ni合金制成，此類mds的位移檢測(cè)量不超過5m。雖然有些超磁致伸縮材料的 從 超過1 x 10氣 ，但它們基本上都是燒結(jié)類材料，不能制備為波導(dǎo)絲，因此尤法應(yīng)用于mdscsj 。
21世紀(jì)以來，clark提出fes3ga11材料在特殊的制備工藝條件下，其心可以達(dá)到4xl0氣雖然比燒結(jié)類材料的心小得多，但比現(xiàn)有fe-ni材料磁致伸縮性能優(yōu)越，而且再加工性能良好。近期，李紀(jì)恒對(duì)fes3ga17波導(dǎo)絲的威德曼效應(yīng)進(jìn)行了研究，得到高達(dá)245 s/cm 的扭轉(zhuǎn)角，在材料學(xué)上說明了其優(yōu)越性 。
為此，在對(duì)比前期研究的基礎(chǔ)上，提出將fes3 ga11材料應(yīng)用千大位移磁致伸縮位移傳感器。由千mds波導(dǎo)絲的效果不僅取決千它的沁和威德曼扭轉(zhuǎn)角，還與其磁場(chǎng)特性密切相關(guān)。因此，筆者在掌握mds原理，建立f es3g a11波導(dǎo)絲磁 場(chǎng)模 型 的基礎(chǔ)上，利用matlab對(duì)其磁場(chǎng)特性進(jìn)行了分析，并最終結(jié)合檢測(cè)到的信號(hào)特性證明了 f es3ga11 材 料應(yīng)用于大位移mds的可行性。
1、mds原理
磁致伸縮位移傳感器波導(dǎo)絲在激勵(lì)電流作用下產(chǎn)生的環(huán)形磁場(chǎng)中和永磁鐵產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場(chǎng)中m 相交時(shí) ，便會(huì)瞬間合成一 個(gè)螺旋形 的扭轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，根據(jù)磁致伸縮材料的威德曼效應(yīng)，波導(dǎo)絲將會(huì)產(chǎn)生瞬間形變，由此形成 一 個(gè)向兩端傳播的扭轉(zhuǎn)彈 性波。
當(dāng)接收線圈檢測(cè)到扭轉(zhuǎn)彈性波時(shí)，其磁通量強(qiáng)度 b 會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化 。假設(shè)從永磁鐵到線圈的傳輸時(shí)間為t. 超聲波的傳輸速度為v, 線圈和磁鐵之間的距離l就可以用式(2)計(jì)算得到，從而實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。
2 相關(guān)參數(shù)
在建立磁場(chǎng)模型分析之前，需要確定激勵(lì)信號(hào)和波導(dǎo)絲的參數(shù)以及波導(dǎo)絲的b-h特性。大量實(shí)驗(yàn)表明，激勵(lì)信號(hào)為脈沖電流時(shí)威德曼效應(yīng)，作者在先前的工作中已經(jīng)進(jìn)行了大扯研究。
波導(dǎo)絲的b-h特性曲線如圖2所示。它直接影響著磁場(chǎng)特性的強(qiáng)弱和威德曼效應(yīng)的效果，并對(duì)磁致伸縮位移傳感器量程的改善起著決定性作用。
3 磁場(chǎng)模型
在 一 般 的磁場(chǎng) 模 型分 析 中 ，可 以直 接 利 用 安 培環(huán)路定理來得出相關(guān)模型的磁場(chǎng)特性分布。但是，由千作用于波導(dǎo)絲的激勵(lì)源并不是穩(wěn)恒電流，而是脈沖電流，因此，并不能利用安培環(huán)路定理來對(duì)其進(jìn)行分析。為了對(duì)波導(dǎo)絲在激勵(lì)電流作用下產(chǎn)生的磁場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，筆者首先利用信號(hào)與系統(tǒng)的傅里葉級(jí)數(shù)理論，將周期脈沖電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成 一 系列電磁學(xué)分析中常見的正弦電流信號(hào)，然后利用疊加原理將正弦電流信號(hào)產(chǎn)生時(shí)諧場(chǎng)進(jìn)行疊加，從而得到所需要的磁場(chǎng)模型。
3.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換
設(shè)激勵(lì)電流i
3.2 分析直流分量磁場(chǎng)特性
在對(duì)磁致伸縮波導(dǎo)絲的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，可將其看成半徑為r的長(zhǎng)直圓柱，分析穩(wěn)恒電流信號(hào)對(duì)波導(dǎo)絲的作用，可將其看成圓柱體內(nèi)通過電流為i'的直流信號(hào)，為了便千分析，選取圓柱坐標(biāo)系0必》z為參考系，電流密度與c同向。
3.3 導(dǎo)絲磁場(chǎng)特性
利用疊加原理分別將直流分量和正弦分量通過波導(dǎo)絲產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行疊加便可求得波導(dǎo)絲的環(huán)形磁場(chǎng)h。
4 matlab分析
利用數(shù)學(xué)軟件matlab對(duì)磁場(chǎng)模型進(jìn)行分析，不僅能夠驗(yàn)證模型的正確性，還能直觀反映fea3 ga17 波導(dǎo)絲的磁場(chǎng)特性。在matlab設(shè)計(jì)處理中，為了全面反映磁場(chǎng)特性，筆者采用了基于磁場(chǎng)強(qiáng)度h、時(shí)間t以及距離軸線的半徑r的三維立體分析方案，最終得到的環(huán)形磁場(chǎng)h。
由圖可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度h與時(shí)間t以及距離軸線半徑r的關(guān)系比較復(fù)雜，并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，總的來說可以得到兩點(diǎn)： 一 是磁場(chǎng)在波導(dǎo)絲上維系的時(shí)間很短；二是磁場(chǎng)強(qiáng)度在波導(dǎo)絲表面處聚集。為了更進(jìn)一步對(duì)磁場(chǎng)的ht關(guān)系進(jìn)行分析，任意選取波導(dǎo)絲上不同位置的兒個(gè)參考點(diǎn)。
在脈沖周期內(nèi)激勵(lì)電流剛作用千波導(dǎo)絲時(shí)，波導(dǎo)絲的磁場(chǎng)強(qiáng)度，并會(huì)因?yàn)榧?lì)脈寬的緣故維系一定時(shí)間，然后隨著時(shí)間的增加逐步削弱直至消失，整個(gè)過程時(shí)間很短，在宏觀上可以理解為瞬時(shí)。此外，波導(dǎo)絲外表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度不僅，而且消失的，這種磁場(chǎng)特性有利于單一彈性波的產(chǎn)生，避免了信號(hào)間的干擾。這就為mds測(cè)量的準(zhǔn)確性奠定了基礎(chǔ)。
同樣，為了更進(jìn)一步對(duì)環(huán)形磁場(chǎng)的h-r關(guān)系進(jìn)行分析，任選了兒個(gè)參考時(shí)刻。波導(dǎo)絲上的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著離軸線的距離長(zhǎng)度的增加而增強(qiáng)，并且增長(zhǎng)幅度呈現(xiàn)先小后大的變化趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榧?lì)電流作用千波導(dǎo)絲產(chǎn)生了趨膚效應(yīng)的緣故，這使得磁場(chǎng)線在波導(dǎo)絲表面處聚集。根據(jù)磁致伸縮位移傳感器原理，波導(dǎo)絲表面處因威德曼效應(yīng)而產(chǎn)生的微小形變是彈性波產(chǎn)生的基礎(chǔ)。因此，磁場(chǎng)強(qiáng)度在波導(dǎo)絲表面處有利于加強(qiáng)威德曼效應(yīng)的效果，進(jìn)而起到增強(qiáng)彈性波，增大mds量程的作用。此外可以看出，波導(dǎo)絲外表處的磁場(chǎng)強(qiáng)度不僅增加得快而且消失得也快，這有利千磁致伸縮的產(chǎn)生和消失，對(duì)后續(xù)回波信號(hào)的測(cè)試大有裨益。
5 信號(hào)特性測(cè)試
信號(hào)特性測(cè)試是波導(dǎo)絲能否應(yīng)用于磁致伸縮位移傳感器關(guān)鍵的一步實(shí)驗(yàn)論證，其主要包括電子系統(tǒng)方案和信號(hào)測(cè)試結(jié)果兩部分。磁致伸縮位移傳感器信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)主要由dsp微處理器，激勵(lì)電流電路，波導(dǎo)絲單元，信號(hào)放大電路，ad采樣電路以及通信電路等部分組成。
測(cè)試長(zhǎng)5m的波導(dǎo)絲前、中、末端時(shí)，示波器得到的回波信號(hào)如圖8所示。由圖可知，mds采用fes3ga17波導(dǎo)絲后，不僅回波信號(hào)效果很好，而且波導(dǎo)絲對(duì)回波信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸過程中造成的衰減也很小。這不僅說明了fes3ga17波導(dǎo)絲具有良好的電磁特性，而且從電子學(xué)的角度對(duì)clark的磁致伸縮特性研究和李紀(jì)恒的威德曼效應(yīng)研究進(jìn)行了論證。
6結(jié)語
針對(duì)國(guó)產(chǎn)mds因fe-沁波導(dǎo)絲飽和磁致伸縮系數(shù)過小而導(dǎo)致的量程過短的問題，在clark研究的基礎(chǔ)上，提出了將fes3ga17波導(dǎo)絲應(yīng)用千mds的新方案，并從傅里葉分析和電磁學(xué)理論的角度建立了fes3ga17波導(dǎo)絲新的磁場(chǎng)模型。matlab對(duì)磁場(chǎng)模型的分析表明，fes3ga11波導(dǎo)絲的電磁特性有利于增強(qiáng)mds的威德曼效應(yīng)，這就為新方案提供了理論基礎(chǔ)；測(cè)試系統(tǒng)對(duì)信號(hào)特性的測(cè)試結(jié)果表明，基于fes3ga,1波導(dǎo)絲的mds具有回波信號(hào)強(qiáng)，長(zhǎng)距離傳輸衰減小的特征，從而有助千增加mds的最程，這在電子學(xué)上證明了方案的可行性。
關(guān)鍵詞：傳感器