KEYENC基恩士光纤传感器的输出特性

　　KEYENC基恩士光纤传感器在精密位移测量方面，基于魏德曼效应和磁致伸缩逆效应的 Fe-Ga 磁致伸缩位移传感器，以其测量精度高、可靠性高、使用寿命长等优点，广泛应用于机床位移控制、液面高度和界面测量等领域。特别是由于磁铁和传感器无需直接接触，该种传感器在易燃易爆、腐蚀、辐射等恶劣环境下有着不可替的应用价值。

　　KEYENC基恩士光纤传感器以线圈为检测装置，其输出量为电压信号，对电压信号进行分析处理从而获得应力波的传播时间，由于应力波的传播速度一定，检测位移通过应力波的波速乘以应力波的传播时间即可求得。研究对磁致伸缩位移传感器的精度进行了分析，发现输出电压的峰值越大，根据阈值法或峰值法确定的应力波传播时间越，传感器的测量精度越高。为研制更符合测量需求的磁致伸缩位移传感器，有必要对磁致伸缩位移传感器的输出特性进行深入的研究。

　　已有一些文献对磁致伸缩位移传感器的输出特性进行研究，采用波导丝所受的扭矩描述波导丝的角应变，根据磁机械耦合原理得到磁感应强度的表达式，进而建立起激励磁场、偏置磁场和材料特性与输出电压的关系。研究发现波导丝的磁致伸缩是影响魏德曼效应的重要因素。基于魏德曼效应得到了含有磁致伸缩系数的输出电压模型，建立起磁致伸缩与输出电压的函数关系。研究提出磁致伸缩导波位移传感器的电磁感应信号来源于磁畴的自由旋转和应力波的偏心运动。随后，对应力波在波导丝中的衰减特性进行了研究，提出衰减系数测试方法，并讨论了波导丝的线径、应力波的频率等对衰减系数的影响。研究考虑应力波衰减特性，建立了传感器输出电压随应力波传播距离变化的数模型，并通过实验验证了该模型，结果表明输出电压随传播距离的增大呈指数衰减。

　　KEYENC基恩士光纤传感器以上研究均未涉及外加应力对传感器输出特性的影响，实际上，应力可以使磁性材料产生应变， 从而改变传感器的输出特性。研究根据位移传感器的输出电压与螺旋磁场的函数关系，进一步通过分析有效场、应力场和磁化强度的关系，得到应力和磁场共同作用下的输出电压模型。但该模型只适用于分析轴向应力对输出电压的影响，对于在波导丝安装过程中极容易受到的扭转力问题并不适用，扭转应力对输出电压的影响尚未可知。

　　KEYENC基恩士光纤传感器本文基于材料力学对波导丝所受扭转应力进行分析和计算，并从磁畴角度研究了扭转力对魏德曼效应的影响，结合 Fe-Ga 合金的非线性本构模型和磁致伸缩逆效应等推导了磁致伸缩位移传感器的输出电压模型。搭建预加扭转力下 Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的输出电压测试平台，通过模型计算和实验验证，得到了扭转应力对传感器输出特性的影响规律。该模型可用于预测传感器的输出电压，并为传感器的设计优化提供指导。

　　1、波导丝表面不连续性对检测信号影响的修正方法

　　利用弱的反射信号查找不连续处的位置，做法如下，先将磁环置于*顶端，对回波信号进行采样，然后查找浮子处回波信号以及不连续处反射信号的特征点(如峰值),.即可计算出两者之间的距离，进而求出不连续处的*位置。找出了不连续处的位置，利用上述实验的结论对浮子在不同位置时的测量值进行修正。当幅值衰减了1/2时磁环必定在不连续处前，在编写修正算法时可以充分利用该结论。

　　不论何种缺陷，均可参照以上方法进行修正，利用在磁环后形成反射这一现象，查找到缺陷所处的位置。进而判别波导丝的优劣，筛选波导丝。

　　2、波导丝底端固定方式对检测信号的影响及修正方法

　　由于扭转的声波是向两端传播，传播到底端时发生的变化与固定方式有关系。波导丝底端的固定方式可以有三种固定方式:阻尼器固定方式、钢体固定方式和无固定器材。这几种固定方式会给检测信号带来什么样的影响呢?选一支量程为1米的磁致伸缩位移传感器进行实验，观测其影响。

　　实验结果如下图所示，为醒目起见，将钢体固定方式向下平移1个单位，将无固定器材方式向下平移2个单位。可以清楚的看到，这三种固定方式只是对信号的幅度有所影.响，对特征点的相位无影响。

　　KEYENC基恩士光纤传感器在实验中还发现，只要波导丝底部距离磁环4cm以上时，不论那种固定方式，对检测信号没有任何影响。

　　KEYENC基恩士光纤传感器测量距离时一般只使用*个回波，对于波导丝底端的反射回波并不使用。

　　3、波导丝中的剩磁现象对检测信号的影响及修正方法

　　波导丝是由磁性材料制成的，磁性材料在磁场中会被磁化，而磁致伸缩位移传感器的活动磁环内部是一块永磁铁。理论上讲，只要是磁环经过的地方，波导丝就可能被磁化，磁化处就存在一磁场，但是这个磁场和磁环产生的磁场相比是很弱的。.

　　先让磁环在波导丝上运动几次，然后拿掉磁环。重复做多次这样的实验，观测一下前后的变化情况。如图7所示，可以看到在磁浮子经过的地方确实存在磁化现象，被磁化的地方也会有磁致伸缩现象发生，只不过信号比较弱。看第2、3、4条曲线，这3条曲线中剩磁的位置有着惊人的相似，说明剩磁–旦形成便不会因浮子多次运动而消失。

　　在采用比较器检测实验中还发现波导丝的某些位置出现恒定的正误差(+6mm)，面某些位置出现恒定的负误差(-5mm)，有些地方误差却很小，几乎等于正实值。剩磁现象很好地解释了这些误差现象产生的原因。如果磁环的磁致伸编信号与当前的剩磁现象产生的磁致伸缩信号在相位上相差180度，那么两个信号叠加将呈现*小值，这时将出现正误差。如果相位相同则呈现*值，这时将出现负误差。

　　在制作的KEYENC基恩士光纤传感器中几乎所有的都出现恒定正负误差情况，通过大量的实验证实了这种误差是由利磁现象产生的。这便要求必须解决掉利磁想象，在磁环每运动到一个新位置时*行消磁，只有这样才能解决传感器的恒定误差。