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量方面，基于魏德曼效應和磁致伸縮逆效應的 Fe-Ga 磁致伸縮位移傳感器，以其測量精度高、可靠性高、使用壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于機床位移控制、液面高度和界面測量等領域。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用價值。

　　KEYENC基恩士光纖傳感器以線圈為檢測裝置，其輸出量為電壓信號，對電壓信號進行分析處理從而獲得應力波的傳播時間，由于應力波的傳播速度一定，檢測位移通過應力波的波速乘以應力波的傳播時間即可求得。研究對磁致伸縮位移傳感器的精度進行了分析，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力波傳播時間越，傳感器的測量精度越高。為研制更符合測量需求的磁致伸縮位移傳感器，有必要對磁致伸縮位移傳感器的輸出特性進行深入的研究。

　　已有一些文獻對磁致伸縮位移傳感器的輸出特性進行研究，采用波導絲所受的扭矩描述波導絲的角應變，根據(jù)磁機械耦合原理得到磁感應強度的表達式，進而建立起激勵磁場、偏置磁場和材料特性與輸出電壓的關系。研究發(fā)現(xiàn)波導絲的磁致伸縮是影響魏德曼效應的重要因素?；谖旱侣玫搅撕写胖律炜s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)關系。研究提出磁致伸縮導波位移傳感器的電磁感應信號來源于磁疇的自由旋轉和應力波的偏心運動。隨后，對應力波在波導絲中的衰減特性進行了研究，提出衰減系數(shù)測試方法，并討論了波導絲的線徑、應力波的頻率等對衰減系數(shù)的影響。研究考慮應力波衰減特性，建立了傳感器輸出電壓隨應力波傳播距離變化的數(shù)模型，并通過實驗驗證了該模型，結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力對傳感器輸出特性的影響，實際上，應力可以使磁性材料產(chǎn)生應變， 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的函數(shù)關系，進一步通過分析有效場、應力場和磁化強度的關系，得到應力和磁場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力對輸出電壓的影響，對于在波導絲安裝過程中極容易受到的扭轉力問題并不適用，扭轉應力對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對波導絲所受扭轉應力進行分析和計算，并從磁疇角度研究了扭轉力對魏德曼效應的影響，結合 Fe-Ga 合金的非線性本構模型和磁致伸縮逆效應等推導了磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型。搭建預加扭轉力下 Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓測試平臺，通過模型計算和實驗驗證，得到了扭轉應力對傳感器輸出特性的影響規(guī)律。該模型可用于預測傳感器的輸出電壓，并為傳感器的設計優(yōu)化提供指導。

　　1、波導絲表面不連續(xù)性對檢測信號影響的修正方法

　　利用弱的反射信號查找不連續(xù)處的位置，做法如下，先將磁環(huán)置于*頂端，對回波信號進行采樣，然后查找浮子處回波信號以及不連續(xù)處反射信號的特征點(如峰值),.即可計算出兩者之間的距離，進而求出不連續(xù)處的*位置。找出了不連續(xù)處的位置，利用上述實驗的結論對浮子在不同位置時的測量值進行修正。當幅值衰減了1/2時磁環(huán)必定在不連續(xù)處前，在編寫修正算法時可以充分利用該結論。

　　不論何種缺陷，均可參照以上方法進行修正，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。進而判別波導絲的優(yōu)劣，篩選波導絲。

　　2、波導絲底端固定方式對檢測信號的影響及修正方法

　　由于扭轉的聲波是向兩端傳播，傳播到底端時發(fā)生的變化與固定方式有關系。波導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。這幾種固定方式會給檢測信號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行實驗，觀測其影響。

　　實驗結果如下圖所示，為醒目起見，將鋼體固定方式向下平移1個單位，將無固定器材方式向下平移2個單位?？梢郧宄目吹剑@三種固定方式只是對信號的幅度有所影.響，對特征點的相位無影響。

　　KEYENC基恩士光纖傳感器在實驗中還發(fā)現(xiàn)，只要波導絲底部距離磁環(huán)4cm以上時，不論那種固定方式，對檢測信號沒有任何影響。

　　KEYENC基恩士光纖傳感器測量距離時一般只使用*個回波，對于波導絲底端的反射回波并不使用。

　　3、波導絲中的剩磁現(xiàn)象對檢測信號的影響及修正方法

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

　　先讓磁環(huán)在波導絲上運動幾次，然后拿掉磁環(huán)。重復做多次這樣的實驗，觀測一下前后的變化情況。如圖7所示，可以看到在磁浮子經(jīng)過的地方確實存在磁化現(xiàn)象，被磁化的地方也會有磁致伸縮現(xiàn)象發(fā)生，只不過信號比較弱?？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–旦形成便不會因浮子多次運動而消失。

　　在采用比較器檢測實驗中還發(fā)現(xiàn)波導絲的某些位置出現(xiàn)恒定的正誤差(+6mm)，面某些位置出現(xiàn)恒定的負誤差(-5mm)，有些地方誤差卻很小，幾乎等于正實值。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)的磁致伸編信號與當前的剩磁現(xiàn)象產(chǎn)生的磁致伸縮信號在相位上相差180度，那么兩個信號疊加將呈現(xiàn)*小值，這時將出現(xiàn)正誤差。如果相位相同則呈現(xiàn)*值，這時將出現(xiàn)負誤差。

　　在制作的KEYENC基恩士光纖傳感器中幾乎所有的都出現(xiàn)恒定正負誤差情況，通過大量的實驗證實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)每運動到一個新位置時*行消磁，只有這樣才能解決傳感器的恒定誤差。