磁致伸縮位移傳感器(Magnetostrictive Displacement Sensor)利用磁致扭轉(zhuǎn)波作為傳播媒質(zhì)的磁致伸縮式傳感器。該傳感器具有其它位移傳感器所不能達(dá)到的測量大位移、高精度的特點(diǎn)，已應(yīng)用千美國、歐洲的石油、化工、紡織、輕工、冶金、電力、醫(yī)藥、食品、國防等部門，特別是由于磁鐵不和傳感器直接接觸，因此傳感器在惡劣的工業(yè)環(huán)境如易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的場合的汽車制造、化工、冶金礦山、體育，醫(yī)療機(jī)械中的定位和位置測量，液位監(jiān)控等尤其合適。此外，傳感器更能承受高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境。傳感器輸出信號為數(shù)值，所以即使電源中斷重接也不會對數(shù)據(jù)接收構(gòu)成問題，更無須重新調(diào)整零位。最后，由于傳感組件都是非接觸的，所以即使感測過程是不斷重復(fù)的，也不會對傳感器造成任何磨損。如美國MTS公司的Temposonics磁致伸縮線位移傳感器它重復(fù)精度及分辯率均達(dá)到0.002mm,而國內(nèi)只有幾所大學(xué)的研究所正在進(jìn)行研究，很多研究所僅處于引進(jìn)國外的產(chǎn)品的應(yīng)用研究階段。本文參考國外的*經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)研制一套達(dá)到一定精度要求的位移傳感測量裝置。
2、磁致伸縮工作原理
磁致伸縮傳感器基于磁致伸縮和逆磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮是指磁化使鐵磁材料產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變的效用。反過來，鐵磁材料受到機(jī)械應(yīng)力之后，其磁化狀態(tài)也會發(fā)生改變，稱之為逆磁致伸縮效應(yīng)。一些金屬（如鐵或銖）在磁場作用下具有伸縮能力，磁致伸縮的效果是非常細(xì)微的。一般的錦鐵合金是 30ppm ,但科學(xué)界已研制出更新的物質(zhì)，它的磁致伸縮效應(yīng)提升至1500ppm以上。磁致伸縮是利用兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號 (strain pulse), 然后計(jì)算這個信號被探測所需的時(shí)間周期，便能換算出準(zhǔn)確的位置。這兩個磁場一個來自在傳感器外面的活動磁鐵，另一個則源自傳感器內(nèi)波導(dǎo)管 (W aveguide)的電流脈沖，而這個電流脈沖其實(shí)是由傳感器頭的固有電子部件所產(chǎn)生的。當(dāng)兩個磁場相交時(shí)，所產(chǎn)生的一個應(yīng)變脈沖(strain pulse)會以固定速度運(yùn)行回電子部件的感測線圈，基于逆磁致伸縮效應(yīng)，通過感測線圈轉(zhuǎn)化為電脈沖。根據(jù)Widemarun效應(yīng)，金屬隨其瞬間變形產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲。
磁鐵被帶動時(shí)，新的位置很快就會被感測出來由于輸出信號是位置輸出，所以不存在信號漂移或變值的情況 ，因此尤須如其它位移傳感器一 樣定期重標(biāo)和維護(hù)。
3 磁致伸縮傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器(Magnetostrictive Position Sensor) 的結(jié)構(gòu)如圖2所示。殼體采用鑄鋁鑄造（耐腐蝕可在表面涂漆）。位置磁鐵通常裝在運(yùn)動部件A上，而傳感器主體則裝在固定部件 B 上。傳感器工作時(shí)，電子信號和處理系統(tǒng)發(fā)給磁致波導(dǎo)鋼絲間隔為T 的激勵脈沖電流 i,o該脈沖電流將產(chǎn)生一 個圍繞波導(dǎo)鋼絲的旋轉(zhuǎn)磁場。位置磁鐵也產(chǎn)生一 個固定的磁場，在這兩個磁場的共同作用下，使波導(dǎo)鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮，即形成一 個磁致旋轉(zhuǎn)波。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 端的波檢測器時(shí)被轉(zhuǎn)換成電信號止。通過測鼠磁致旋轉(zhuǎn)波從位置磁鐵傳到波檢測器的時(shí)間t, 就能確定位置磁鐵和波檢測器之間的距離。這樣，當(dāng)部件A和B產(chǎn)生相對運(yùn)動，通過磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器就可以確定部件A的位詈和速度。
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測蜇精度造成影響。波反射器是用于改善電信號 U o 的波形和加強(qiáng)電信號的大小。
磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器的測措原理是基千時(shí)間測量。該傳感器系統(tǒng)屬于測量系統(tǒng)。是傳感器接通電源后，位置磁鐵的位置可自動確定，斷電對測械精度不造成任保影響。
4 磁致伸縮傳感器的電子信號處理系統(tǒng)
電子信號處理系統(tǒng)在微處理駢系統(tǒng)的控制下，周期脈沖電流發(fā)生器向波導(dǎo)鋼絲發(fā)送激勵脈沖。由檢測線圈輸出的位詈脈沖信號進(jìn)行濾波和放大后。將進(jìn)行零位或峰值檢波，以便進(jìn)一步確定位置脈沖信號從位置磁鐵傳到檢測線圈的時(shí)間。經(jīng)過進(jìn)一步的信號處理，便可確定位置磁鐵和檢波器之間的距離，以達(dá)到位移測措的目的。
該處理系統(tǒng)具有如下功能：
(1)產(chǎn)生一 個周期激勵脈沖電流，該脈沖輸入波導(dǎo)鋼絲，以便圍繞波導(dǎo)鋼絲形成一個周期脈沖磁場。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，激勵脈沖應(yīng)具有足夠的能樁，即足夠大的電流。
(2) 模擬信號處理，對從波檢測器（檢測線圈）輸出的位置脈沖信號進(jìn)行濾波和放大，以便比較處理對放大后的位置脈沖信號進(jìn)行零位或峰值檢波，以便確定位置脈沖信號從位置磁鐵傳到檢測線圈的時(shí)間時(shí)間測量和信號處理位置信號輸出。
5 磁致伸縮位移傳感器的性能
(1)磁致伸縮位移傳感器的精度。美國MTS公司的Tern-posonics R型傳感器達(dá)到2μm分辯率和重復(fù)精度，4μm滯后，RF型行程可達(dá)9m以上。本設(shè)計(jì)與德國傳感器研究所合作，設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與測暈范圍：0-100毫米以及0-6米；模擬量輸出：0-10伏或0-20毫安；數(shù)字量輸出：分辯率為5微米、10微米、15微米；非線性誤差：小于土0.05% FS; 工作溫度：-20-80'C。
(2)環(huán)境影響小。旋轉(zhuǎn)波一般很難通過環(huán)境干擾和振動而產(chǎn)生，而傳感器的波檢測器被設(shè)計(jì)成只對旋轉(zhuǎn)波特別靈敏。所以，磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器具有很好的環(huán)境抗力。
(3)非接觸式測扭。傳感器工作時(shí)，位置磁鐵以一定的間隙a與傳感器的主體作平行運(yùn)動。間隙可達(dá)到30mm。間隙波動為土5mm。
(4)可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。通過溫度補(bǔ)償可使傳感器的測掀精度不受環(huán)境溫度的影響。
(5)運(yùn)動速度高。位置磁鐵相對千傳感器的主體的運(yùn)動速度高運(yùn)動速度可達(dá)IOOm/s。（主要適用于大范圍量程）
6 結(jié)束語
本文分析了磁致伸縮位移傳感器的原理、信號處理系統(tǒng)，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)高精度測量，精度主要取決于傳感器制造工藝及電子信號的處理系統(tǒng)。我們與國外傳感器公司及研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)硬件及電子信號處理系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)成本，將以性價(jià)比合理的產(chǎn)品投放到國際、國內(nèi)市場。
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