磁致位移傳感器檢測線圈與信號振蕩關(guān)系研究

以上實驗表明：不同磁致伸縮線體在同匝檢測線圈方案下進(jìn)行檢測時，材料的變化未引起感應(yīng)波主頻率的較大變化。

表1 同匝異線感應(yīng)波頻率分析結(jié)果(kHz)

4、信號振蕩與線圈匝數(shù)關(guān)系的分析

由于影響線圈信號的因素較多，本文對感應(yīng)波信號振蕩的主要影響因素進(jìn)行了分析。

首先，所檢測到的感應(yīng)波的振蕩不應(yīng)是磁疇偏轉(zhuǎn)振蕩的直接反映。由式(1)可知：當(dāng)電流呈方波波形時，周向磁場隨時間的變化亦呈方波波形。如圖7所示[4]，如果周向磁場引起的是可逆磁疇變化，磁通量應(yīng)為O狀態(tài)對應(yīng)的磁疇磁通量或A狀態(tài)對應(yīng)的磁疇磁通量;如果周向磁場引起的是不可逆磁疇變化，磁通量應(yīng)為B狀態(tài)對應(yīng)的磁疇磁通量或C狀態(tài)對應(yīng)的磁疇磁通量。而在定磁場作用下，磁疇將保持一種固定的狀態(tài)，或在該狀態(tài)附近。另外，在驅(qū)動脈沖電路一定的情況下，驅(qū)動脈沖的前沿振蕩和后沿振蕩是一定的，磁疇即使隨驅(qū)動脈沖的前沿振蕩和后沿振蕩波動，其主頻值也不會因檢測線圈匝數(shù)的變化而變化[5-6]。所以，通過線圈檢測到的振蕩不應(yīng)該是磁疇偏轉(zhuǎn)振蕩的直接反映。

圖7 磁化和反磁化過程的各個階段

其次，所檢測到的感應(yīng)波的振蕩不應(yīng)是由磁致伸縮線體的振蕩變化引起的。分析如下：若振蕩是由磁致伸縮直線扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的逆磁致伸縮效應(yīng)引起的磁通量的變化，則：對于相同的磁致伸縮線體，當(dāng)采用不同的線圈匝數(shù)進(jìn)行檢測時，感應(yīng)波振蕩頻率不應(yīng)有較大的變化;對于不同的磁致伸縮線體，采用相同的線圈匝數(shù)進(jìn)行檢測時，感應(yīng)波振蕩頻率應(yīng)有較大的差異。而這與實驗結(jié)果不符。

反之，由實驗結(jié)果可知，感應(yīng)波振蕩的原因應(yīng)主要是檢測線圈電路的電信號振蕩。作者對感應(yīng)波振蕩頻率與檢測線圈匝數(shù)的關(guān)系進(jìn)行理論分析。

理論上，自感系數(shù)的計算方法一般比較復(fù)雜，實際中常常采用實驗方法來測定，簡單的情形可以根據(jù)畢奧-薩伐爾定律和式(4)進(jìn)行計算：

Ψ=LI 　　(4)

其中Ψ是磁通匝鏈數(shù)，L是自感系統(tǒng)，I是電流。

對于單匝密繞螺線管有：

L=μ0n2V=μ0N2S/l (5)

其中μ0是真空磁導(dǎo)率，n是單位長度內(nèi)的匝數(shù)，V是螺線管的體積，N是總匝數(shù)，S是螺線管的截面積，l是螺線管的長度。

由RLC電路暫態(tài)過程相關(guān)理論，針對如圖8所示的理想電路，對于電路中的振蕩信號討論如下。

圖8 LCR電路

電路中的阻尼度為：

(6)

如果電路中的電阻不太大使得λ1，便可視為阻尼振蕩，其振蕩頻率f和周期T在L>>R時有：

(7)

(8)

由公式(5)、(7)、(8)可得：

(9)

(10)

對于本文所討論的線圈，在匝數(shù)N變化時，截面積S和分布電容C也會發(fā)生變化。由前述實驗可知，引起感應(yīng)波信號振蕩的主要因素應(yīng)為檢測線圈本身，當(dāng)截面積S和分布電容C隨線圈匝數(shù)變化較小時可近似為常量，此時即有：感應(yīng)波信號振蕩頻率與線圈匝數(shù)成反比關(guān)系，感應(yīng)波信號振蕩周期與線圈匝數(shù)成正比關(guān)系。

5、結(jié)論

本文通過實驗確定了在通過檢測線圈檢測磁致伸縮直線位移傳感器的信號波形時，所得到的波形主要是感應(yīng)波形和彈性波形，其中引起感應(yīng)波的主要是磁致伸縮效應(yīng)下磁疇的偏轉(zhuǎn)和磁疇壁的位移，但感應(yīng)波信號的前沿振蕩和后沿振蕩并不是磁疇變化的直接反映，而是與檢測線圈匝數(shù)有關(guān)的量。分析可知，感應(yīng)波信號振蕩頻率與線圈匝數(shù)成反比關(guān)系。該結(jié)論為進(jìn)一步提高傳感器系統(tǒng)的檢測精度和檢測范圍，規(guī)避檢測線圈對檢測信號的負(fù)面影響，提供了實驗數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃卉,肖定國,理華,等.磁致伸縮式扭轉(zhuǎn)超聲波位移傳感器的研究與設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器. 2002.6: 4-5.

[2] 伍艮常,磁致伸縮式液位傳感器[J], 儀表技術(shù)與傳感器, 2007.12:9-11

[3] Fernando Seco, José Miguel Martín, José Luis Pons, et al. Hysteresis compensation in a magnetostrictive linear position sensor [J]. Sensors and Actuators A.2004.110: 247-253.

[4] 鐘文定.鐵磁學(xué)(中冊) [M].北京:科學(xué)出版社.1987.

[5] KUZ’ MENKO A P, ZH UKOV E A. Magneto-elastic waves in the orthoferrite plates induced by solitary domain wall [J]. RARE METALS. 2007.26:5-9

[6] 周浩淼. 鐵磁材料非線性磁彈性耦合理論及其在超磁致伸縮智能材料中的應(yīng)用[D].蘭州大學(xué).2007.