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磁致伸缩传感器性能及关键技术指标测试与分析郝晓曦,杨敏,郭文峰(五邑大学 机电工程学院,广东省 江门市 529020)摘要:设计了一套 MTL 浮球式磁致伸缩位移传感器的激励方案及回波信号放大,显示及采集方法;在原传感器的结构基础上作改进,采用 PVDF 压电薄膜作为敏感元件组建新的测试系统。关键词:磁致伸缩;PVDF 压电薄膜;测试Magnetostrictive sensor performance and key technical indicators Test and AnalysisHAO Xiao-xi,YANG min,GUO Wen-feng( School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)Abstract:Design an incentive program of MTL Float magnetostrictive displacement sensor.Design a method of amplification, acquisition and display for echo signal. Using PVDF Piezoelectric film as Sensitive element and Based on the structure of the original sensor, establish new test system. Key words: Magnetostrictive;PVDF Piezoelectric film;Test磁致伸缩传感器是一款较为新型的位移传感器,具有精度高、测量范围广、可靠性好等优点。而国内对于这款传感器的研究相对较少,本论文针对 MTL 浮球式磁致伸缩位移传感器,设计了一套激励和采集的信号的方法。通过对原传感器的性能指标进行评估后,提出了一个新的测试模型,利用 PDVF 压电薄膜感受波导丝的应变信号,并搭建了一个新的测试系统,对新选择的模型进行合理性验证,对测量精度指标进行评估并与原传感器的指标进行对比。1 磁致伸缩传感器的介绍研究对象为 MTL 浮球式磁致伸缩位移传感器。该传感器的详细结构,包括波导丝、检测线圈、带磁浮球、防护套管、末端阻尼、回路导线等主要部分。其测量原理 [1]:在波导丝的一端发射一个符合要求的激励脉冲,脉冲会沿波导丝传播,传播过程中激励脉冲会产生一个环形磁场,环形磁场也沿波导丝向前传播,当环形磁场向前传播遇到带磁浮球产生的纵向磁场时,波导丝将会发生扭曲变形并产生一个扭转波。该扭转波以恒定的恒率向波导丝两端同时传播,继续向前的扭转波被末端阻尼吸引,向后传播的扭转波信号会被检测线圈接受感应到从而产生感应电动势。通过调理电路,可以计算出发生激励脉冲和接受回波信号之间的时间差,并通过标定实验以此来确定带滋浮球的位置。 2 MTL 浮球式磁致伸缩传感器测试方案设计2.1 激励信号模块针对该传感器的核心元件波导丝的性质,本实验方法采用 STM32 芯片激发不同周期和不同正脉宽的脉冲信号,采用控制变量法,确定了最佳的脉冲激励信号,为 2 的正脉宽s及周期为 10ms~500ms 的脉冲信号。该激励信号使回波信号的变化最为明显。2.2 激励信号放大模块由于采用 STM32 芯片发射的脉冲信号幅值小,驱动波导丝后回波信号微弱,选用了驱动芯片 L298N,将激励脉冲进行一定倍数的放大以便激励波导丝。2.3 回波信号放大模块波导丝经脉冲信号激励后,在回波线圈处检测到的回波信号非常微弱,故采用 2 个AD812 运算放大器搭建了一个二级放大电路,将回波信号进行二级放大,以便实时显示信号及观察其变化。2.4 回波信号显示回波信号的显示,可将放大信号输出端接显示器进行实时显示。2.5 测试方案以上测试方案的原理如图 1 所示:图 1 测试方案建立该测试系统后,移动传感器上的小磁球,能在示波器上观察到回波信号的相应变化。实物接线如图 2 所示:图 2 实物接线 (1 磁致伸缩传感器、2 二级放大电路、3 STM32 芯片、4 L298N、5 示波器、6 供电电源)3 基于 PVDF 压电薄膜的新测试模型在驱动原传感器的基础上,对原传感器的检测信号进行采集,并作相应的性能指标分析。在分析完原传感器的性能指标后,本实验提出了一个新的测试模型,不采用原传感器的检测线圈检测信号,而改用 PVDF 压电薄膜来检测波导丝的机械应变。由于 PVDF 压电薄膜对于机械应变具有极快速的响应,频响范围宽,故选择其作为敏感元件。现搭建一个新的测试系统对该假设模型进行验证。PVDF 作为敏感元件的监测原理如图 3 所示:图 3 监测原理3.1 PVDF 压电薄膜粘贴工艺在波导丝粘贴处,先用纸巾将其擦拭,然后将丙酮涂抹于上面,然后选用一块纱布将波导丝的表面进行擦拭打磨一段时间。打磨片刻后,将该段波导丝置于显微镜下观察其表面,表面的坑洼不明显时,则该打磨效果符合工艺要求。之后在波导丝打磨处,先 502 粘贴剂涂抹最后将 PVDF 压电薄膜贴于其上,稍待片刻,等 502 固化变干后,即粘贴成功。3.2 组建新的测试系统实物接线如图 4 所示。图 4 搭建系统 (1 磁致伸缩传感器、2 PVDF 压电薄膜、3 L298N、4 AD 卡、5 STM32 芯片、6 二级放大电路)3.3 测试实验现进行测试实验,用 Labview 采集压电薄膜的输出信号并进行分析。激励信号拟用一个周期为 20ms 和脉宽为 2 的脉冲信号。s现将采集实验的采样率分别从 50kHz、100kHz、200kHz、1000kHz、1050kHz 作采集信号实验。每个实验,分别把带磁浮球分别置于量程的最左端和最右端采集信号。(除去粘贴压电薄膜的位置,最左端在量程的 8.00cm 处,最右端在量程的 21.30cm 处。)从量程的始末两端采集信号以便作区别。做完采集实验,用 matlab 对实验数据进行分析处理。得出结论如下:上述 5 组实验,均用 matlab 找出 8.00cm 处和 21.30cm 处的时间间隔。处理结果为:前 4 组时间间隔均一样,没有分别。在 1050kHz 的采集率,可得得出在 8.00cm 处和 21.30cm 处两处的时间间隔有区别。在 8.00cm 处的时间间隔为 3 个点,在 21.30cm 处的时间间隔为 4 个点,结果如图5 所示。经时间换算,在 8.00cm 处和 21.30cm 处的时间差为 1 个点,即 0.95 。s(a)8.00cm处时间间隔(b) 21.30cm处时间间隔图 5 1050kHz采样率的实验结果3.4 与原传感器进行对比实验为与原传感器的性能进行对比评估,现在相同的采样率 1050kHz,相同的激励信号下,对原传感器进行信号采集实验。由采用线圈的实验结果来看,在 1050kHz 采集率下,采用相同的发射脉冲信号,线圈区别不出 8.00cm 处和 21.30cm 处的时间间隔。4 结论采用 PVDF 压电薄膜作为敏感元件来感应波导丝的机械应变,该模型通过实验,验证了其可行性。在 1050kHz 的采样率下,激励信号为周期 50ms,脉宽为 2 的脉冲信号,新的模型能s够区别传感器行程两端的时间差为 0.95 ,而原传感器(检测线圈)区分不出时间差。s新模型的测量精度比原传感器要高。参考文献[1] 姜镇军. 磁致伸缩液压缸位移传感器.大连理工大学硕士学位论文. 2007 年 12 年:16-19
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