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磁致伸缩位移传感器波导丝扭转超声波衰减特性研究

更新时间：2020-01-03 14:59:54 大小：954K 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：位移传感器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(1) 举报

资料介绍

为研制大位移磁致伸缩位移传感器,对扭转超声波在波导丝中的衰减特性进行研究。由于波导丝材料的均一性受拉伸等加工环节的影响,材料的内部变化对检测信号的影响大于超声波在短距离传播的衰减变化。提出的检测方案将永磁体固定在波导丝正中间,去掉两端的阻尼,使得向两端传播的超声波受到同样的反射,通过检测两个回波的幅值来测量超声波衰减系数,可以滤除材料不均匀性产生的影响。搭建了磁致伸缩位移传感器实验平台,基于所提实验方法,测得频率为65 k Hz的扭转超声波在线径为0.5 mm且不受拉力作用下的Fe-Ga和Fe-Ni波导丝的衰减系数分别为1.34 d B/m和1.57 d B/m。实验还对比了不同线径Fe-Ga波导丝、不同扭转超声波频率和波导丝在不同拉力作用下的衰减系数变化,结果表明:衰减系数随波导丝线径的增大而增大;衰减系数与扭转超声波的频率呈正相关;衰减系数随波导丝两端拉力的增大先减小后趋于稳定。


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2018 年  
2
月
电 工 技 术 学 报  
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY  
Vol.33 No. 3  
Feb. 2018  
第 33 卷第 3 期  
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.161617  
磁致伸缩位移传感器波导丝扭转超声波  
衰减特性研究  
谢新良 王博文 周露露 翁 玲 孙 英  
（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 天津 300130）  
摘要 为研制大位移磁致伸缩位移传感器，对扭转超声波在波导丝中的衰减特性进行研究。  
由于波导丝材料的均一性受拉伸等加工环节的影响，材料的内部变化对检测信号的影响大于超声  
波在短距离传播的衰减变化。提出的检测方案将永磁体固定在波导丝正中间，去掉两端的阻尼，  
使得向两端传播的超声波受到同样的反射，通过检测两个回波的幅值来测量超声波衰减系数，可  
以滤除材料不均匀性产生的影响。搭建了磁致伸缩位移传感器实验平台，基于所提实验方法，测  
得频率为 65 kHz 的扭转超声波在线径为 0.5 mm 且不受拉力作用下的 Fe-Ga 和 Fe-Ni 波导丝的衰  
减系数分别为 1.34 dB/m 和 1.57 dB/m。实验还对比了不同线径 Fe-Ga 波导丝、不同扭转超声波频  
率和波导丝在不同拉力作用下的衰减系数变化，结果表明：衰减系数随波导丝线径的增大而增大；  
衰减系数与扭转超声波的频率呈正相关；衰减系数随波导丝两端拉力的增大先减小后趋于稳定。  
关键词：磁致伸缩 位移传感器 波导丝 超声波 衰减系数  
中图分类号：TP212  
Research on Torsional Ultrasonic Attenuation Characteristics of  
the Magnetostrictive Displacement Sensor Waveguide  
Xie Xinliang Wang Bowen Zhou Lulu Weng Ling Sun Ying  
（Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability  
Hebei University of Technology Tianjin 300130 China）  
Abstract A new model is developed to predict the attenuation characteristics of torsional ultrasonic  
in the waveguide. Because the uniformity of waveguide is affected by machining process. The influence of  
internal variation of material on the detection signal is greater than that of the attenuation of ultrasonic  
propagation in the short distance. There is a new detection scheme. Compared with the existing models, the  
effect of material inhomogeneity can be filtered. The permanent magnet is fixed in the middle of waveguide.  
Removing damping at both ends. Both ends of the ultrasonic can be reflected. The ultrasonic attenuation  
coefficients can be measured by detecting the amplitude of the two echoes. The attenuation coefficients of  
Fe-Ga and Fe-Ni waveguides of 0.5 mm wire diameter are 1.34 dB/m and 1.57 dB/m under 65 kHz torsional  
ultrasound. Furthermore, the effects of the waveguide wire diameter, torsional ultrasonic frequency and  
stress on the attenuation coefficient have been analyzed. The attenuation coefficient increases with  
increasing the diameter wire of waveguide. It has obviously positive correlation with torsional ultrasonic  
frequency. Moreover, it decreases firstly and then tended to be stable with increment of stress. Research  
results provide a theoretical guidance for the optimal design of large range magnetostrictive displacement  
sensor (MDS).  
Keywords：Magnetostrictive, displacement sensor, waveguide wire, ultrasonic wave, attenuation  
coefficien  
国家自然科学基金（51171057，51201055）资助项目。  
收稿日期 2016-10-12 改稿日期 2017-01-25  
690  
电 工 技 术 学 报  
2018 年 2 月  
0
引言  
1
扭转超声波的波动方程及衰减系数的  
测量方法  
基于磁效应的测量仪表和精密仪器在工业生产  
中具有良好的应用前景[1-3]。磁致伸缩位移传感器  
（Magnetostrictive Displacement Sensor, MDS）因超  
精密性、非接触性、可靠性高、抗干扰能力强和测  
量位移大等优点而在超精密仪器、数控机床、自动  
化生产中有广泛的应用[4,5]。国外的 MTS 系统公司  
已研制最大量程 18 m、精度可达μm 级的大位移磁  
致伸缩位移传感器，并且可以实现多参数的测量。  
国内对于磁致伸缩位移传感器的研究正处于自主研  
究和开发阶段，目前所能达到的最大量程为 6 m。  
因磁场与应力场、温度场和声场等之间存在复杂的  
耦合关系[6-8]，要实现大位移磁致伸缩位移传感器的  
制作仍较困难。  
1.1 磁致伸缩位移传感器原理  
磁致伸缩位移传感器主要由脉冲激励模块、扭  
转超声波产生模块和检测信号接收及处理模块等组  
成，图 1 为电气原理。脉冲激励模块由电源、可调  
电阻和信号发生器及放大电路等组成，其产生一个  
幅值、频率、脉宽等可调的脉冲电流。扭转超声波  
产生模块由波导丝和永磁体组成，当脉冲电流产生  
的周向激励磁场与永磁体产生的轴向偏置磁场相遇  
时发生魏德曼效应[13]。由于施加的是瞬时周向激励  
磁场，在波导丝内将产生瞬时形变，进而产生分别  
向波导丝两端传播的扭转超声波。检测信号的接收  
及处理主要由检测线圈和信号处理单元组成。当扭  
转超声波传播到检测线圈位置处，由于磁致伸缩逆  
效应，检测线圈覆盖部分的波导丝所受应力的变化  
会引起磁通变化，根据法拉第电磁感应原理，检测  
线圈两端的输出电压为  
科研人员已分别从输出电压模型、波导丝选材、  
传感器结构、信号滤波、检测线圈结构和驱动脉冲  
参数等方面对磁致伸缩位移传感器进行了研究[9-18]  
。
张露予[9,10]和王悦民[11]等基于魏德曼效应和压磁效  
应分别建立了应力波在波导丝和管道中传播时检测  
线圈的输出电压模型。夏天 [12] 和李纪恒[13] 等对  
Fe-Ni 和 Fe-Ga 材料的魏德曼效应进行了研究，得  
到 Fe-Ga 比 Fe-Ni 的魏德曼效应强，Fe-Ga 的扭转  
角可达 245 s/cm。周新志[14,15] 等研究了 Fe-Ga 和  
Fe-Ni 作为波导丝材料时检测线圈输出的电压信号，  
提出将 Fe-Ga 波导丝应用到大位移的磁致伸缩位移  
传感器中。陶若杰[16]等在传统结构上提出一种双丝  
差动型的磁致伸缩位移传感器。李丛珊[17]等研究了  
驱动脉冲电流的幅值和脉宽以及检测线圈绕组的长  
度和匝数对感应波形的影响。然而，目前对扭转超  
声波在波导丝中传播衰减的研究鲜有报道。文献[19]  
对大位移磁致伸缩传感器的扭转波建模时，考虑了  
传播衰减，但并没有给出具体的衰减系数，也没有  
对衰减的影响因素进行研究。  
dB  
（1）  
e  NS  
dt  
式中，e 为感应电压；N 为检测线圈的匝数；S 为检  
测线圈的面积；B 为磁感应强度；t 为时间。  
图 1 磁致伸缩位移传感器电气原理  
Fig.1 Electrical schematic diagram of traditional MDS  
1.2 扭转超声波的无阻尼波动方程  
实验所用波导丝材料的物理性质及线径不超过  
1 mm，将其视为连续、均一和各向同性材料[20]。将  
永磁体放在波导丝正中心位置，以波导丝中心为原  
点建立的坐标如图 2 所示，此时波导丝元件的扭矩  
本文在以上研究的基础上，为实现大位移磁致  
伸缩位移传感器的制作，对扭转超声波在波导丝内  
传播时的衰减问题进行研究。文献[9]给出的检测电  
压计算式表明：检测电压受波导丝材料参数的影响，  
在波导丝的拉伸等过程中波导丝材料内部均一性变  
差，且扭转超声波在波导丝中的衰减较小，使得利  
用移动永磁体来研究扭转超声波衰减的方案是不可  
行的。利用本文提出的实验方法对波导丝的材料、  
尺寸、超声波的频率和波导丝所受拉力与衰减系数  
的关系进行了研究。  
振动方程[21]  
为
图 2 系统坐标的设定  
Fig.2 Coordinate arrangement of the system  

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全部评论(1)

  • 2024-02-28 16:36:17steelen

    好文章 这个真的是好文章

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