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磁致伸缩位移传感器的国内外研究现状

  磁致伸缩现象由美国科学家Jmaes Perseott Joule于1842年发现,并在1940年成功应用在潜艇声纳测距系统上。80年代末磁致伸缩位移传感器在欧美市场上应用,主要应用于加油站油罐计量、油料泄漏检测等领域。在国外,以美国MTS公司、美国Schaevizt公司、美国T-TEK公司、日本NOHKEN公司、德国ASM公司为代表的磁致伸缩位移传感器设计生产公司,早己成功批量地将其应用在了位移、液位测量领域,在液位传感器、位移传感器等方面都有比较成熟的技术和系列化的产品。

  我国自上世纪90年代起开始对磁致伸缩位移传感器进行研究,目前国内主要的生产厂家有康宇测控、浙大精益、太原理工天成科技股份有限公司、航天智控工程公司、北京京仪海福尔自动化仪表公司等。但是国外产品在市场上占有主要的市场份额,国内产品在关键部件上需要从国外进口,传感器的测量精度、量程、测量功能、可靠性与稳定性等性能方面与国外产品相比仍然有比较大的差距。

  随着各种应用领域的需要,作为一种位移测量仪器,磁致伸缩位移传感器正在朝着高精度、大量程、更小的测量盲区、数字化与智能化、多结构与多参数测量以及更广泛的应用领域的方向发展,其中数字化和智能化的产品将会成为磁致伸缩液位传感器产品发展的主流。

  对磁致伸缩位移传感器的研究,主要集中在以下几个方面。

  1、磁致伸缩新材料的研究

  磁致伸缩导波丝是传感器最关键的零部件,传统的用于磁致伸缩导波丝的材料如铁镍合金,磁致伸缩系数较低,严重限制传感器的输出信号进而影响测量性能。随着材料学的发展,新材料、新工艺的研究与应用将极大的提升传感器的性能及其应用领域。如稀土超磁致伸缩材料,其磁致伸缩系数比传统磁致伸缩材料如Fe、Co、Ni等的大100~1000倍。

  2、磁致伸缩位移传感器机理的研究

  磁致伸缩效应是电磁能与机械能之间相互转换的复杂物理过程,其信号受到外部多种参变量的影响。一方面是通过实验的方式对各种参变量如激励脉冲的脉宽、幅值、检测线圈参数等对信号的影响进行研究以优化参数;另一方面通过建立其物理模型,进行理论分析达到优化参数的效果。如国内太原理工的姚世选博士和常晓明教授对磁致伸缩材料的磁畴、扭转波的换能模型、激励脉冲磁场、位置磁铁磁化模型等进行了建模分析,华中科技大学的邓超博士提出了一种新的传感器信号的机理模型。

  3、提高传感器性能的研究

  测量精度是位移传感器最重要的性能指标之一,大量的研究集中在如何保证传感器的测量精度。高精度测量首先需要保证不同环境下信号的一致性。温度会影响晶振频率、扭转波波速和液体介质的密度进而影响测量精度,采用双辅助浮子以及温度补偿的方法可以减小因为温度带来的测量误差。H。Wakiwaka等人通过磁滞补偿等方法减小磁滞误差,提高传感器精度。另一方面通过优化传感器结构的方式也可以提高位移测量的精度,如通过接收线圈阵列的方式提高信号强度,Hristoforou布置两个接收线圈在传感器的两端,以获得更好的水平位置的敏感性,Yongjie Zhang通过一种差分式磁致伸缩位移传感器结构,提高了信号强度与测量精度。在传感器输出端,一方面采用完善的硬件电路保证高质量的输出信号,另一方面可以通过一定的信号处理算法提高传感器的测量精度,而随着电子技术的发展,在工程应用中也越来越多的采用了功能强大的新的微处理器以及一些专用时间测量芯片的开发,完成时间测量。

  量程也是传感器的重要性能指标。然而一方面随着量程的增大,回路电阻增大,直接导致激励减小,原始信号减弱;另一方面扭转波随着传播距离的增加能量衰减。这两方面导致了在大量程下扭转波传播距离有限,传感器的量程受到限制。为了提高信号强度以扩展量程,直接的方法是在激励端提高激励信号的强度,然而信号强度在激励达到一定时将达到饱和状态,并且激励的增大提高了驱动硬件设计的难度;另外一种是采用高磁致伸缩系数的导波丝材料,但是缺点是提高了实现的成本;还有一种是采用滤波放大电路,但是这种处理在传感器的末端,并不是在源头上提高信号强度,效果是有限的。华中科技大学的邓超博士采用波干涉叠加增强的原理提高原始信号强度,通过正负脉冲激励结合反射回波的方式有效的将信号强度提高到原始信号的1.8倍,通过波阵列干涉叠加的方法测量到了28m的位置信号,为大量程的位移测量提供了另一种信号增强的方法。另外针对起始脉冲造成的传感器测量盲区,还采用了双线圈差分的结构减小了传感器的测量盲区。

  4、数字化与智能化传感器的研究以及传感器应用领域的拓展

  随着电子技术、计算机和通讯等技术的发展,磁致伸缩位移传感器也正朝着数字化、智能化的方向发展,并且在越来越多的工程领域发挥作用。

  美国MTS公司的磁致伸缩位移传感器可以提供模拟电压、电流等多种输出形式的信号,并具有SSI、ABQ等多种数字接口,甚至可以提供多点位置与速度信息,并可以通过CAN总线经微机对多传感器进行智能集成控制。新一代的磁致伸缩液位传感器产品功能也不断增强,不仅可以用来测量液位,还可以测量分界面、油层密度、温度等参数。如国内的康宇测控仪器仪表工程公司生产的KYDM2F型传感器,通过串口输出数字测量信息,可与微机或配套的显示器直接通信,同时进行多参数的测量如液位、界面、温度等,并能与工控系统联网实现多台传感器的实时数据采集、显示、报警及自动监测和控制。因传感器自身的优良特性,磁致伸缩位移传感器正在走进工业的方方面面,被越来越广泛的应用在了传统液位测量之外的很多领域,如食品包装机的进料控制、船舶水位测量、冰雪厚度测量等。