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磁致伸缩位移传感器信号拾取部分设计

  信号拾取部分是磁致伸缩位移传感器的一个重要部分,主要作用在于将波导丝产生的扭转波转换为电信号供后级处理。此扭转波以超声波的形式在波导丝中进行传播,根据超声波的接收方式,信号拾取装置有以下几种:

  1. 压电陶瓷检测装置

  压电陶瓷检测装置将波导丝置在压电陶瓷片上面,这样波导丝沿圆周方向的扭转和压电陶瓷薄片的敏感伸缩方向相一致,也就能够检测到超声波。这种检测方式虽然能实现超声波的检测,但是其制作工艺却比较复杂。

  2. 扭转片检测装置

  扭转片检测装置采用一根特殊材料制造的波导管,波导管是一根外径为0.55mm,壁厚 0.05mm 的细长管子,管子里面装有一根绝缘铜丝,波导管上焊接的两条窄金属带上绕着线圈,线圈处在由小磁铁产生的偏置磁场中,当弹性扭转回波到来时,转变为对这两条金属带的推力和拉力,因此这种方式可以检测到波导管中的沿圆周方向扭转的横波。金属带和波导管是用相同的磁致伸缩材料制成的,由于 Villari 效应,两条金属带在拉力和推力的作用下,发生伸缩(一伸一缩),从而引起线圈内磁感应量的变化,在永久磁铁的磁场作用下,线圈中感应出电脉冲。这种检测装置的波导管加工制作非常复杂,难以制作且成本极高。

  3. 线圈直接检测装置

  线圈直接检测装置示意如图1所示,在波导丝的外面套一检测线圈,当扭转超声波传到时,由于线圈处于磁致伸缩逆效应产生的交变磁场中,线圈中将产生感生电动势。

  图 1线圈直接检测

  相对于扭转片检测装置,这种检测方式结构简单,波导丝既导电又导波,省去了制作波导管较高的成本及复杂的工艺。由于波导丝上传播的信号形式杂乱,线圈直接检测波导丝上的磁导率变化,因此磁致伸缩位移传感器接收线圈产生的信号较差,有很大的干扰噪声。

  4. 差动线圈检测装置

  差动线圈检测方式如图 2所示,由扭转波接收带、感应线圈、和偏置磁铁组成。

  A 为波导丝,B 为磁致伸缩带材,C 为右侧线圈,D 为左侧线圈。波导丝 A 上的扭转波转化为带材 B 上的振动。带材上振动比较复杂,是一系列纵波与横波的合成。振动导致带材上应力和应变的变化,根据逆磁致伸缩效应,将使带材磁场发生变化。通过检测这个磁场的变化,就可以检测到扭转信号到来的时间。线圈中接收到的感应电动势为:

  E=2πfn*π÷4*(D1²-D2 ²)*H0*10⁻8(V)

  式中:n 为绕组的匝数;D1为线圈绕组的有效直径;D2为磁致伸缩敏感元件的直径;H0为穿过线圈的磁场强度。为了保证波导丝和带材的振动传播,波导丝和带材之间必须紧密牢固地连接(如点焊),而不可以使用粘接、锡焊焊接等有填充物质的方法,两个检测线圈沿波导丝对称放置。波导丝上的扭转信号在两边带材引起方向相反的振动,产生差模的电压信号,而磁致伸缩位移传感器整体的振动,热噪声等干扰均为共模信号。