1 引言

磁致伸縮線性位移傳感器利用磁致伸縮效應進行位置傳感。其組成包括鐵磁波導、位置磁體、阻尼區(qū)、應變脈沖轉換器和測量電子器件。

當向波導施加短電流脈沖時，會產(chǎn)生徑向磁場。與可移動機械部件相連的位置磁體，會在波導上的對應位置產(chǎn)生磁場。

兩個磁場的瞬時相互作用會產(chǎn)生扭轉應變脈沖，該脈沖沿波導向兩端傳播。為避免測量干擾，應變脈沖和電流脈沖會在波導末端被阻尼。返回測量電子器件方向的應變脈沖，會被應變脈沖轉換器中的拾波線圈轉換為電信號。

由于超聲波的傳播速度已知，通過測量施加電流脈沖與接收到電信號的時間間隔，可將其轉換為線性位置測量值。

磁致伸縮傳感器的基本組件

組件

鐵磁波導

位置磁體

阻尼區(qū)（接地）

應變脈沖轉換器

測量電子器件

傳播速度對比

聲波（340 m/s…2,850 m/s）<< 電磁波（3.00×10? m/s）

非接觸式線性位置傳感在許多工業(yè)應用中不可或缺。磁致伸縮位移傳感器還能實現(xiàn)低至1微米的高精度測量，已廣泛應用于塑料注塑成型機、液壓和氣壓缸、木工機械等領域。電子器件面臨的主要挑戰(zhàn)是高精度時間測量，而使用時間數(shù)字轉換器（TDC）可輕松解決這一問題。

1.1 應用實例

磁致伸縮線性位移傳感器在眾多行業(yè)中有廣泛應用。表1列出了目前在生產(chǎn)流程和產(chǎn)品中采用這類傳感器的部分行業(yè)及應用場景。 表1：使用磁致伸縮線性位移傳感器的行業(yè)及應用

1.2 技術對比

在“設計選用”線性位置傳感器時，需考慮諸多因素。必須妥善關注傳感器與應用需求的匹配，包括電源輸入、信號輸出、外殼樣式、安裝結構、傳感行程，以及傳感技術在應用條件下進行測量的能力。

鑒于這些考量因素和眾多可選方案，該任務可能顯得有些棘手。不過，表2列出了一些值得考慮的主要產(chǎn)品方案。 表2：幾種常用線性位置傳感器的對比

a. 分辨率越高越好，意味著輸出變化的步長更小。

b. 非線性度越低越好，指輸出與理想直線的偏差。

c. FSR表示全行程。

d. 電位器是接觸式傳感器，所列其他均為非接觸式。

1.3 測量原理

測量元件由磁致伸縮波導構成。磁致伸縮材料在磁場作用下會發(fā)生彈性形變，該效應的應用方式如下：

磁致伸縮波導制成管狀，內部有銅棒。通過短電流脈沖啟動測量，這會在波導周圍產(chǎn)生環(huán)形磁場。可移動部件的位置由磁體標記，其磁場與電流脈沖的環(huán)形磁場垂直。兩個磁場的相互作用產(chǎn)生應變脈沖，該脈沖以聲速沿波導傳播。置于波導末端的傳感器將聲脈沖轉換為電信號，傳播時間與磁體位置直接成正比。波導中的聲速約為2800 m/s，對應約0.36 ms/m。要實現(xiàn)1 mm的分辨率，時間測量精度必須達到t = 360 ns！

例如，在測量距離為1米、波導速度為2800 m/s時，時間延遲為： 1米 ÷ 2800米/秒 = 0.35毫秒

波導中波的傳播速度約為2800 m/s，且對環(huán)境影響不敏感。由于導體中波的速度v已知（如通過校準），且測量了電流脈沖發(fā)射與磁致伸縮回波接收的時間t，因此可按以下公式近似確定路徑： 距離s ≈ 波速v × 時間t

因此，距離s的確定精度僅受時間測量分辨率的限制。典型裝置可實現(xiàn)約1 μm的分辨率，對應時間t = 360 ps。

誤差來源

該方法的一個缺點是，導體中波的傳播速度在一定程度上取決于導體溫度T：

如果不采取措施補償這種偏差，當導體溫度偏離校準溫度（通常為室溫）時，測量精度會降低。

審核編輯 黃宇