磁致伸缩位移传感器

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1、1.概述2.设计建模3.分析验证1.磁致伸缩原理等基本概念2.系统设计原理阐述及仪器模型基本公式推导3.仪器模型验证及数据分析基于磁致伸缩效应的位移测量系统位移位移是指物体位置对参考点产生的偏移量，是指物体相对于某参考坐标系一点的距离的变化量，它是描述物体空间位置变化的物理量。位移传感器又称为线性传感器，是将位移转换成电量的传感器。基于磁致伸缩效应的位移测量系统概述磁致伸缩位移传感器是利用磁致扭转波作为传播媒质的磁致伸缩式传感器。该传感器具有非接触测量、精度高、重复性好、稳定可靠、环境适应性强等特点，一般应用于液体的测量，经过特殊封装后也可用

2、于其他测量场合。基于磁致伸缩效应的位移测量系统所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。其中线磁致伸缩效应是焦耳在1842年发现的，其逆效应是压磁效应。基于磁致伸缩效应的位移测量系统基本原理基于磁致伸缩效应的位移测量系统的基本原理就是利用传感器探头把位移转换成与之成比例的时间间隔的两个脉冲，利用整形电路把两个脉

3、冲变成一个矩形脉冲，其宽度就是两脉冲的时间间隔，根据时间间隔计算出位移。该位移测量系统根据输入的位移量，引起时间间隔的变化，从而输出相应的电压波形，从而计算得到位移量。基于磁致伸缩效应的位移测量系统优势该测量系统主要用来测量微小位移，普通的位移传感器往往由于测量范围小，在恶劣环境下(振动、油污、压力等)的工作能力差，安装困难等原因而达不到要求。由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压

4、和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。基于磁致伸缩效应的位移测量系统原理示意图：基于磁致伸缩效应的位移测量系统激励脉冲发生电路产生激励脉冲S1，经过放大电路放大之后施加给波导丝，产生一个围绕波导丝的旋转磁场。位置磁铁也产生一个固定的磁场，在这2个磁场的共同作用下，会产生一个螺旋状磁场。该波沿着波导丝以固定速度向两边传播，当它传到一端的阻尼器，该波被减弱吸收;当它传到波导丝一端的感应

5、线圈，产生微弱的回波信号，传感器信号处理电路对回波信号进行处理产生感应脉冲S2。由于发射的激励脉冲电流以光速传播，其传播时间可以忽略，所以通过时间测量电路测得激励脉冲S1和接收到感应脉冲S2的时间间隔，便可精确地计算出位置磁铁的位置，即可实现绝对位移L的测量。基于磁致伸缩效应的位移测量系统激励电流脉冲S1首先我们要在波导丝内通激励电流脉冲，该电流会激发周向磁场，同时在该电流脉冲发生的同时，启动计时器计数。经过反复试验，当采用下列相关参数时，在磁致伸缩中加载瞬时驱动脉冲电流，当在长度为3.95m的磁致伸缩线中加载瞬时驱动脉冲电流=0.54A时，

6、其接收到的弹性波电压为约为12V，弹性波形比较明显。基于磁致伸缩效应的位移测量系统表1实验装置参数基于磁致伸缩效应的位移测量系统该系统的导线回路都被封装在波导丝内，如下图红框所示。基于磁致伸缩效应的位移测量系统如果两个导线并排放置，两个导线之间有间隙，如下图在两根导线的中间位置磁场最强，该磁场会和位置磁铁产生的磁场作用，形成扭转波。基于磁致伸缩效应的位移测量系统魏德曼效应导磁材料在外加磁场作用下发生变形的效应称为磁致伸缩效应，而当磁致伸缩效应是圆周上的扭转时，则称为周向磁致伸缩效应,又称魏德曼效应。基于磁致伸缩效应的位移测量系统永久磁铁的恒定

7、磁场和驱动脉冲电流产生的周向磁场叠加后形成瞬间扭转磁场,如图所示。磁畴在瞬间扭转磁场的作用下,由于材料的磁致伸缩效应,磁致伸缩线中的质点发生偏离平衡位置的振动,从而在线中产生弹性波,并向线的两端传播。基于磁致伸缩效应的位移测量系统根据测量的原理可知，我们是通过两个磁场产生的扭转波来测量位移，所以如果我们知道扭转波的速度和传播时间，就可以扭转波传播的路程，从而得到被测物的位移。首先我们分析扭转波的速度。在波导丝上取如图所示为长度为dx的等截面波导丝单元，θ为扭转角，T为扭矩，I为极惯性矩，ρ为材料密度，G为材料剪切模量。假设波导丝变形时横截面始

8、终保持为平面，通过假设，各个运动参量都可以简化为x和时间t的函数。扭矩与扭转角的关系为：基于磁致伸缩效应的位移测量系统扭矩与扭转角的关系为：由动量矩定理可得扭矩与扭