學(xué)術(shù)期刊論文

1、<p>　　磁致伸縮傳感器性能及關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)測試與分析</p><p>　　郝曉曦，楊敏，郭文峰</p><p>　?。ㄎ逡卮髮W(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東省 江門市 529020）</p><p>　　摘要：設(shè)計(jì)了一套MTL浮球式磁致伸縮位移傳感器的激勵(lì)方案及回波信號(hào)放大，顯示及采集方法；在原傳感器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上作改進(jìn)，采用PVDF壓電薄膜作為敏感元件組建新的測試

2、系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：磁致伸縮；PVDF壓電薄膜；測試</p><p>　　Magnetostrictive sensor performance and key technical indicators Test and Analysis</p><p>　　HAO Xiao-xi,YANG min,GUO Wen-feng</p>&

3、lt;p>　　（School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China）</p><p>　　Abstract:Design an incentive program of MTL Float magnetostrictive displacement sensor.Design a m

4、ethod 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. </p><p>　　Key

5、 words: Magnetostrictive;PVDF Piezoelectric film;Test</p><p>　　磁致伸縮傳感器是一款較為新型的位移傳感器，具有精度高、測量范圍廣、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。而國內(nèi)對(duì)于這款傳感器的研究相對(duì)較少，本論文針對(duì)MTL浮球式磁致伸縮位移傳感器，設(shè)計(jì)了一套激勵(lì)和采集的信號(hào)的方法。通過對(duì)原傳感器的性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估后，提出了一個(gè)新的測試模型，利用PDVF壓電薄膜感受波導(dǎo)絲的應(yīng)

6、變信號(hào)，并搭建了一個(gè)新的測試系統(tǒng)，對(duì)新選擇的模型進(jìn)行合理性驗(yàn)證，對(duì)測量精度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估并與原傳感器的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。</p><p>　　1 磁致伸縮傳感器的介紹</p><p>　　研究對(duì)象為MTL浮球式磁致伸縮位移傳感器。</p><p>　　該傳感器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，包括波導(dǎo)絲、檢測線圈、帶磁浮球、防護(hù)套管、末端阻尼、回路導(dǎo)線等主要部分。</p><

7、;p>　　其測量原理[1]：在波導(dǎo)絲的一端發(fā)射一個(gè)符合要求的激勵(lì)脈沖，脈沖會(huì)沿波導(dǎo)絲傳播，傳播過程中激勵(lì)脈沖會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形磁場，環(huán)形磁場也沿波導(dǎo)絲向前傳播，當(dāng)環(huán)形磁場向前傳播遇到帶磁浮球產(chǎn)生的縱向磁場時(shí)，波導(dǎo)絲將會(huì)發(fā)生扭曲變形并產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)波。該扭轉(zhuǎn)波以恒定的恒率向波導(dǎo)絲兩端同時(shí)傳播，繼續(xù)向前的扭轉(zhuǎn)波被末端阻尼吸引，向后傳播的扭轉(zhuǎn)波信號(hào)會(huì)被檢測線圈接受感應(yīng)到從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。通過調(diào)理電路，可以計(jì)算出發(fā)生激勵(lì)脈沖和接受回波信號(hào)之間

8、的時(shí)間差，并通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)以此來確定帶滋浮球的位置。 </p><p>　　2 MTL浮球式磁致伸縮傳感器測試方案設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1激勵(lì)信號(hào)模塊</b></p><p>　　針對(duì)該傳感器的核心元件波導(dǎo)絲的性質(zhì)，本實(shí)驗(yàn)方法采用STM32芯片激發(fā)不同周期和不同正脈寬的脈沖信號(hào)，采用控制變量法，確定了最佳的脈沖激勵(lì)信號(hào)，為2的正脈

9、寬及周期為10ms~500ms的脈沖信號(hào)。該激勵(lì)信號(hào)使回波信號(hào)的變化最為明顯。</p><p>　　2.2激勵(lì)信號(hào)放大模塊</p><p>　　由于采用STM32芯片發(fā)射的脈沖信號(hào)幅值小，驅(qū)動(dòng)波導(dǎo)絲后回波信號(hào)微弱，選用了驅(qū)動(dòng)芯片L298N，將激勵(lì)脈沖進(jìn)行一定倍數(shù)的放大以便激勵(lì)波導(dǎo)絲。</p><p>　　2.3回波信號(hào)放大模塊</p><p>

10、;　　波導(dǎo)絲經(jīng)脈沖信號(hào)激勵(lì)后，在回波線圈處檢測到的回波信號(hào)非常微弱，故采用2個(gè)AD812運(yùn)算放大器搭建了一個(gè)二級(jí)放大電路，將回波信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，以便實(shí)時(shí)顯示信號(hào)及觀察其變化。</p><p><b>　　2.4回波信號(hào)顯示</b></p><p>　　回波信號(hào)的顯示，可將放大信號(hào)輸出端接顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。</p><p><b>

11、　　2.5測試方案</b></p><p>　　以上測試方案的原理如圖1所示：</p><p><b>　　圖1 測試方案</b></p><p>　　建立該測試系統(tǒng)后，移動(dòng)傳感器上的小磁球，能在示波器上觀察到回波信號(hào)的相應(yīng)變化。實(shí)物接線如圖2所示：</p><p>　　圖2 實(shí)物接線 （1磁致伸縮傳感器、2

12、二級(jí)放大電路、3 STM32芯片、4 L298N、5 示波器、6 供電電源）</p><p>　　3 基于PVDF壓電薄膜的新測試模型</p><p>　　在驅(qū)動(dòng)原傳感器的基礎(chǔ)上，對(duì)原傳感器的檢測信號(hào)進(jìn)行采集，并作相應(yīng)的性能指標(biāo)分析。在分析完原傳感器的性能指標(biāo)后，本實(shí)驗(yàn)提出了一個(gè)新的測試模型，不采用原傳感器的檢測線圈檢測信號(hào)，而改用PVDF壓電薄膜來檢測波導(dǎo)絲的機(jī)械應(yīng)變。由于PVDF壓電薄

13、膜對(duì)于機(jī)械應(yīng)變具有極快速的響應(yīng)，頻響范圍寬，故選擇其作為敏感元件?，F(xiàn)搭建一個(gè)新的測試系統(tǒng)對(duì)該假設(shè)模型進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　PVDF作為敏感元件的監(jiān)測原理如圖3所示：</p><p><b>　　圖3 監(jiān)測原理</b></p><p>　　3.1 PVDF壓電薄膜粘貼工藝</p><p>　　在波導(dǎo)絲粘貼處，先用

14、紙巾將其擦拭，然后將丙酮涂抹于上面，然后選用一塊紗布將波導(dǎo)絲的表面進(jìn)行擦拭打磨一段時(shí)間。打磨片刻后，將該段波導(dǎo)絲置于顯微鏡下觀察其表面，表面的坑洼不明顯時(shí)，則該打磨效果符合工藝要求。之后在波導(dǎo)絲打磨處，先502粘貼劑涂抹最后將PVDF壓電薄膜貼于其上，稍待片刻，等502固化變干后，即粘貼成功。</p><p>　　3.2組建新的測試系統(tǒng)</p><p>　　實(shí)物接線如圖4所示。</p

15、><p>　　圖4 搭建系統(tǒng) （1 磁致伸縮傳感器、2 PVDF壓電薄膜、3 L298N、4 AD卡、5 STM32芯片、6 二級(jí)放大電路）</p><p><b>　　3.3 測試實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　現(xiàn)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，用Labview采集壓電薄膜的輸出信號(hào)并進(jìn)行分析。激勵(lì)信號(hào)擬用一個(gè)周期為20ms和脈寬為2的脈沖信號(hào)。</p&g

16、t;<p>　　現(xiàn)將采集實(shí)驗(yàn)的采樣率分別從50kHz、100kHz、200kHz、1000kHz、1050kHz作采集信號(hào)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別把帶磁浮球分別置于量程的最左端和最右端采集信號(hào)。(除去粘貼壓電薄膜的位置，最左端在量程的8.00cm處，最右端在量程的21.30cm處。)從量程的始末兩端采集信號(hào)以便作區(qū)別。</p><p>　　做完采集實(shí)驗(yàn)，用matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。得出結(jié)論如下

17、：上述5組實(shí)驗(yàn)，均用matlab找出8.00cm處和21.30cm處的時(shí)間間隔。處理結(jié)果為：前4組時(shí)間間隔均一樣，沒有分別。在1050kHz的采集率，可得得出在8.00cm處和21.30cm處兩處的時(shí)間間隔有區(qū)別。在8.00cm處的時(shí)間間隔為3個(gè)點(diǎn)，在21.30cm處的時(shí)間間隔為4個(gè)點(diǎn)，結(jié)果如圖5所示。經(jīng)時(shí)間換算，在8.00cm處和21.30cm處的時(shí)間差為1個(gè)點(diǎn)，即0.95。</p><p>　　(a)8.00

18、cm處時(shí)間間隔</p><p>　　(b) 21.30cm處時(shí)間間隔</p><p>　　圖5 1050kHz采樣率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　3.4 與原傳感器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)</p><p>　　為與原傳感器的性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，現(xiàn)在相同的采樣率1050kHz，相同的激勵(lì)信號(hào)下，對(duì)原傳感器進(jìn)行信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)。</p><p

19、>　　由采用線圈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在1050kHz采集率下，采用相同的發(fā)射脈沖信號(hào)，線圈區(qū)別不出8.00cm處和21.30cm處的時(shí)間間隔。</p><p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　采用PVDF壓電薄膜作為敏感元件來感應(yīng)波導(dǎo)絲的機(jī)械應(yīng)變，該模型通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性。</p><p>　　在1050kHz的采樣率