對(duì)磁致伸縮位移傳感器的研制進(jìn)行了分析，
研制中涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）大電流周期激發(fā)電路的設(shè)計(jì)；

（2）微弱信號(hào)的檢測(cè)、信號(hào)的濾波、放大、電壓比較、峰值檢驗(yàn)波、電壓限幅等一系列電路的設(shè)計(jì)；

（3）基于單片機(jī)的高精度時(shí)間量測(cè)量。技術(shù)要求：測(cè)量范圍0～8cm，精度0.1mm。測(cè)量范圍不是很大，主要是受到實(shí)驗(yàn)所用波導(dǎo)鋼絲本身長度的限制。

1 位移傳感器的原理

磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器，如圖1所示。除位置磁鐵外，所有其他元器件都安裝在傳感器殼體內(nèi)，組成傳感器的主體。位置磁鐵通常裝在一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件A上，而傳感器主體則裝在一個(gè)固定的部件B上。

傳感器工作時(shí)，電子信號(hào)和處理系統(tǒng)發(fā)給磁致波導(dǎo)鋼絲間隔為T的激勵(lì)脈沖電流ie該脈沖電流將產(chǎn)生一個(gè)圍繞波導(dǎo)鋼絲的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。位置磁鐵也產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場(chǎng)。根據(jù)Widemanm效應(yīng)，金屬隨其瞬間變形產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，使波導(dǎo)鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮，即形成一個(gè)磁致旋轉(zhuǎn)波。磁致旋轉(zhuǎn)波的傳播速度為

式中：G為波導(dǎo)管的剪切彈性模量；ρ為波導(dǎo)管密度。

由于G和ρ均為恒定（對(duì)于一定的波導(dǎo)管來說）的，所以傳播速度也恒定。經(jīng)過計(jì)算該旋轉(zhuǎn)波沿著波導(dǎo)鋼絲以2800m/s的速度向兩邊傳播。當(dāng)它傳到波導(dǎo)鋼絲一端的波檢測(cè)器時(shí)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)ua·通過測(cè)量磁致旋轉(zhuǎn)波從位置磁鐵傳到波檢測(cè)器的時(shí)間tL就能確定位置磁鐵和波檢測(cè)器之間的距離。這樣，當(dāng)部件A和B產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器就可以確定部件A的位置和速度。

在波導(dǎo)鋼絲的另一端，磁致旋轉(zhuǎn)波將通過減波元件被大大削弱，以避免反射的波形對(duì)測(cè)量精度造成影響。波反射器是用于改善電信號(hào)ua的波形和加強(qiáng)電信號(hào)的大小。

2位移傳感器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)這個(gè)原理，設(shè)計(jì)了總體的電子信號(hào)系統(tǒng)方案來檢測(cè)這個(gè)磁致旋轉(zhuǎn)波并送人到MCS51微型計(jì)算機(jī)處理。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)如圖2所示。

(1)產(chǎn)生一個(gè)周期激勵(lì)脈沖電流，該脈沖輸入波導(dǎo)鋼絲，以便圍繞波導(dǎo)鋼絲形成一個(gè)周期脈沖磁場(chǎng)。該脈沖的周期和寬度應(yīng)通過微處理器編程來調(diào)節(jié)。為了獲得較強(qiáng)的脈沖磁場(chǎng)，激勵(lì)脈沖應(yīng)具有足夠的能量，即足夠的電流。

(2)模擬信號(hào)處理，對(duì)從波檢測(cè)器（檢測(cè)線圈）輸出的位置脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，以便比較處理。

(3)對(duì)放大后的位置脈沖信號(hào)進(jìn)行零位或峰值檢波，以便確定位置脈沖信號(hào)從位置磁鐵傳到檢測(cè)線圈的時(shí)間。

(4)時(shí)間測(cè)量和信號(hào)處理（數(shù)字或模擬信號(hào)處理）。

(5)位置信號(hào)輸出（數(shù)字電流和電壓，模擬電流和電壓）。

3傳感器性能指標(biāo)測(cè)試及結(jié)果

為了給傳感器系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，搭建了測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)由傳感器主體、位置磁鐵、螺旋測(cè)微器、印制電路板、LCD、FDPS-50BA型電源（輸人220V，輸出±15V,5 V)組成。

在搭建的平臺(tái)上面對(duì)傳感器的性能進(jìn)行測(cè)量，主要包括傳感器的線性度，遲滯和重復(fù)性。

3.1傳感器線性度

測(cè)量：在傳感器測(cè)量整個(gè)0～80mm范圍內(nèi)，旋動(dòng)螺旋測(cè)微器分別每隔5mm記一組數(shù)據(jù)，位置磁鐵相應(yīng)移動(dòng)，連續(xù)取測(cè)量數(shù)據(jù)20組，如圖3。

線性度的指標(biāo)公式為

式中：el為非線性誤差（線性度）；△max為*大非線性優(yōu)良誤差；YFS為輸出滿量程。

從圖3可知，采用*小二乘法擬合直線的斜率為0.992，直線方程為Y= 0.15784＋0.992X，因此在0~80mm范圍內(nèi)的線性度為0.387％。

3.2傳感器遲滯

將螺旋測(cè)微器在傳感器的正反兩個(gè)方向量程內(nèi)來回移動(dòng)，測(cè)量范圍為0～80mm，測(cè)到的數(shù)據(jù)如圖4。其中有正向測(cè)量和反向測(cè)量數(shù)值（每隔5mm測(cè)量1次），以及正反方向測(cè)量的差值△H。

由遲滯誤差公式

式中△Hmax為正反行程輸出*大差值。

從圖4知，△Hmax=0.41，而rH＝0.256％。

3.3傳感器重復(fù)性

圖5是傳感器在正行程和反行程測(cè)量各測(cè)2次的數(shù)據(jù)，其中還計(jì)算了重復(fù)性偏差。根據(jù)式（2）可計(jì)算出0～80mm滿量程的重復(fù)性誤差指標(biāo)el=±0.287%.。

3.4傳感器其他靜態(tài)特性

3.4.1傳感器的分辨力

經(jīng)過測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試，移動(dòng)螺旋測(cè)微器±0.056mm，傳感器LCD顯示值改變±0.056mm。

3.4.2穩(wěn)定性

在測(cè)試時(shí)，將傳感器設(shè)定在一固定點(diǎn)，然后分別在4h讀取數(shù)據(jù)1次，測(cè)得值分別為31.62 mm, 31.56 mm,31.56nm,31.62mm。穩(wěn)定性誤差為0.06mm。傳感器通、斷電幾次后在此位置讀數(shù)，仍舊為31.62，驗(yàn)證了磁致伸縮傳感器不受掉電影響。

溫度穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟茸兓螺敵隽堪l(fā)生的變化。測(cè)量傳感器溫度穩(wěn)定性時(shí)，分別在房間溫度為15℃和室外溫度為1℃測(cè)量，讀數(shù)變化為0.06 m，即溫度穩(wěn)定性誤差為0.06 mm。

3.4.3測(cè)試系統(tǒng)靈敏度

移動(dòng)螺旋測(cè)微器0.05mm，測(cè)到傳感器LCD屏上變化0.056mm，此測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度為1.12。

綜上，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳感器的靜態(tài)特性，可知傳感器的線性度為0.387%，遲滯誤差為0.256%，重復(fù)性誤差為±0.287%,分辨力為0.056mm。磁致伸縮位移傳感器的自身精度很高，理論可以達(dá)到μm級(jí)，現(xiàn)在實(shí)際分辨力只有0.056mm。

4結(jié)束語

在搭建的平臺(tái)上對(duì)磁致伸縮位移傳感器進(jìn)行了進(jìn)一步的誤差分析。誤差主要還是在傳感器的一些性能指標(biāo)上。磁致伸縮傳感器的主體部分及位置磁鐵開發(fā)與研制，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果理想，位置磁鐵在傳感器不同的位置都有一不同的信號(hào)反＿映。信號(hào)處理電路中占空比可調(diào)的脈沖激發(fā)控制信號(hào)電路部分設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)際的電路調(diào)試結(jié)果理想。脈沖激發(fā)電路用不同方案設(shè)計(jì)并綜合考慮到實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)，在ORCAD上模擬效果理想。進(jìn)一步提高精度有幾種方案。比如用DSP芯片來測(cè)量位移。40MHz的TMS320LF2407型DSP芯片，時(shí)鐘周期t=1/40M=25ns,DSP無需分頻，則位移分辨率為70μm,也可以用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD），它具有使用靈活、可靠性高、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，CPLD可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)編程，而且能重復(fù)多次，使用CPLD器件進(jìn)行開發(fā)，不僅可以提高系統(tǒng)的集成化程度、可靠性和可擴(kuò)充性，而且還可大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。磁致伸縮位移傳感器技術(shù)必將廣泛應(yīng)用于我國的各項(xiàng)工業(yè)領(lǐng)域。