• 公司地址
    广东,深圳
  • 联系电话
    4000-077-366

正交实验在磁致伸缩位移传感器温漂中的应用

  目前在磁致伸缩位置传感器的各种性能上国产的产品始终与国外的产品存在一定的差异当然这个性能是一种综合指标包括线性度、分辨率、温度性能、抗干扰性能等这些性能的差异受影响的因素太多。这里仅以温度漂移这一项的指标进行正交实验寻找产品性能升级的最优实验方案。目前国外MTS公司的产品在温度漂移的指标是15ppm/℃,而国内生产此类型传感器的厂家并不是很多并且大部分的指标都在100ppm/℃以上。

  1、温漂现状及优化指标

  1.1磁致伸缩位置传感器的原理简介

  磁致伸缩是铁磁材料受到磁场作用时铁磁质的尺寸变化。1842年焦耳发现了这一效应因此取名为焦耳效应。1858年威德曼(GustaveWiedemann)进一步观察到浸没在纵向磁场中的铁磁棒当携带电流时将产生扭转。这种扭转来源于组合的纵向磁场和圆形磁场圆形磁场则由电流产生。由于趋肤效应圆柱形导体中的电流在中心处最小而在表面达到最大。因此磁场也是非均匀磁场它与外场相互作用将产生局部畸变。威德曼效应是磁致伸缩式位置传感器的基础。位移传感器主要由磁致伸缩线(波导丝)、测杆、电子仓和套在测杆上的非接触磁环组成。当传感器工作时电子仓内的电子电路产生一“起始脉冲”此起始脉冲建立圆形磁场并沿波导丝传播当该磁场与磁环的永磁体磁场相组合威德曼效应使波导丝扭转产生一个以恒速(约2830m/s)并向两个方向传输的扭转应变脉冲即机械波。这种扭转在薄磁弹性条带中被变换成横向应力根据维拉里效应磁致伸缩材料发生物理变形时会在磁致伸缩材料内引起磁场强度的变化因此通过传感器线圈的磁通将发生变化在传感器线圈两端将产生一个可以被检测到的感应电动势。电路测量起始脉冲与接受信号(终止脉冲)之间的时间间隔由此可以计算出到磁体的距离和速度。橡胶阻尼器防止来自波导丝末端的反射。

  1.2温漂现状

  温度漂移即温漂一个产品的所有构成元件或者部件都对此指标产生影响环境温度会对电子元件内部参数造成影响如电阻阻值变化、电容容量变化、晶体管参数变化等温度同时也会对外部材料的收缩膨胀产生影响而引起漂移。因为磁致伸缩位置传感器的特殊安装方式电气和材料这两大因素因为温度的变化将会导致整个位置传感器的温漂指标产生严重的影响。

  考虑了成本的因素所有的电子元器件特别是电容、电阻等都采用了25ppm/℃的产品而其他的芯片全部都是国外进口的与国外厂家采用的是同一生产商的产品暂时忽略了电气方面的影响。因此实验思路集中在核心材料、工艺设计方面进行改良。

  目前国产磁致伸缩位置传感器的产品温漂性能指标在50ppm/℃之内而且产品电气元件全部是15ppm/℃的在当前的性能参数下不可能马上达到国外最好的水平15ppm/℃。把指标定在20ppm/℃之内是可行并且能够实现的以此目标作为参数升级的追求。

  2实验设计与分析

  忽略电气方面的影响主要从产品安装工艺入手进行正交实验根据目前的生产工艺确定了4项最大的影响因素。在实验设计中分别用ABCD表示核心材料的来源、保护材料配合的松紧、外壳与电气材料之间的距离、供电电压这4个主要因素每个因素有2个水平。用1、2表示因素水平(见表1)采用L8(24)正交表安排实验(见表2)。

  表1因素水平表

水平因素
ABCD
1国外5mm12VDC
2国内10mm24VDC

  表2正交实验表

实验号ABCD
11111
21112
31221
41222
52121
62122
72211
82212

  具体实验过程:①确定安装的产品为同一量程,选用的电路板经过高低温老化测试,并且温度漂移满足检验指标。②根据正交实验的配置方案对产品进行安装,经过检验,保证产品在常温下的输出是正常且稳定的。③把产品同时放入高低温箱中进行高低温测试,温度范围为-40℃~+85℃,通过电脑记录数据,再对数据进行分析,找出提升产品温度漂移的最佳方案。

  表3、表4分别为各次实验结果以及各因素对温漂的影响数据分析表。表4中K1、K2为各因素同一水平实验结果之和;W1、W2为各因素水平的效应,极差R为W1.W2的差值。极差Rj越大,说明该因素对温度漂移的影响程度越大。

  表3正交实验结果

实验号ABCD结果
111115.2406
211125.2025
312215.2343
412225.2405
521215.2126
621225.2296
722115.2174
822125.2218

  表4正交实验结果分析

实验号ABCD
K120.917920.885320.882320.9049
K220.881420.91420.91720.8944
W15.22955.22135.22065.2262
W25.22045.22855.22935.2236
R0.00910.00720.00870.0026

  3结果与讨论

  由表4得到因素主次顺序为核心材料的来源(因素A)>外壳与电气材料之间的距离(因素B)>保护材料配合的松紧(因素C)>供电电压(因素D),同时根据各因素各水平的平均值确定最优水平,进而选出最优组合,按照平均值大小选取最优水平A1B2C2D1.即最佳为国外材料,对核心材料的保护要松,外壳与电路的距离远些,采用12V供电。

  按此条件进行更多的试验,得到的结果比原来的温漂性能要好,通过此正交实验以及后来的测试验证,证明改变生产工艺会使得产品的性能得到进一步提高。

  4结语

  本文通过正交实验对磁致伸缩位置传感器的温度漂移这一性能参数进行优化,通过少量的实验次数,找出了在工艺安装上对产品温漂性能影响最大的因素,减少了技术人员摸索的时间,获得了较好的配置方案,可以为产品的进一步提升提供捷径。该种测试方法具有高效性和准确性,可以作为技术人员必须掌握的一种方法,并作为提高产品性能的高效的测试手段。