磁致伸縮位移傳感是利用磁致伸縮效應研制的傳感器。該傳感器可以實(shí)現非接觸、絕對式測量，具有高精度、大量程的特點(diǎn)，特別是由于磁鐵和傳感器并無(wú)直接接觸，因此傳感器可應用在惡劣的工業(yè)環(huán)境，如易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的場(chǎng)合。此外，傳感器能承受高溫高壓和高振蕩的環(huán)境。傳感器輸出信號為絕對數值，所以即使電源中斷重接也不會(huì )對數據收構成問(wèn)題，更無(wú)尖重新調整零位。由于傳感器組件都是非接觸的，所以即使測量過(guò)程理不斷重復的，也不會(huì )對傳感器造成任何磨損。
研制中涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：  
（1）大電流周期激發(fā)電路的設計；  
（2）微弱信號的檢測、信號的濾波、放大、電壓比較、峰值檢驗波、電壓限幅等一系列電路的設計；  
（3）基于單片機的高精度時(shí)間量測量。技術(shù)要求：測量范圍0～8cm，精度0.1mm。測量范圍不是很大，主要是受到實(shí)驗所用波導鋼絲本身長(cháng)度的限制。
1 位移傳感器的原理
       磁致旋轉波位移傳感器，如圖1所示。除位置磁鐵外，所有其他元器件都安裝在傳感器殼體內，組成傳感器的主體。位置磁鐵通常裝在一個(gè)運動(dòng)部件A上，而傳感器主體則裝在一個(gè)固定的部件B上。
       傳感器工作時(shí)，電子信號和處理系統發(fā)給磁致波導鋼絲間隔為T(mén)的激勵脈沖電流ie該脈沖電流將產(chǎn)生一個(gè)圍繞波導鋼絲的旋轉磁場(chǎng)。位置磁鐵也產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場(chǎng)。根據Widemanm效應，金屬隨其瞬間變形產(chǎn)生波導扭曲，使波導鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮，即形成一個(gè)磁致旋轉波。
       由于G和ρ均為恒定（對于一定的波導管來(lái)說(shuō)）的，所以傳播速度也恒定。經(jīng)過(guò)計算該旋轉波沿著(zhù)波導鋼絲以2 800 m/s的速度向兩邊傳播。當它傳到波導鋼絲一端的波檢測器時(shí)被轉換成電信號ua·通過(guò)測量磁致旋轉波從位置磁鐵傳到波檢測器的時(shí)間tL就能確定位置磁鐵和波檢測器之間的距離。這樣，當部件A和B產(chǎn)生相對運動(dòng)，通過(guò)磁致旋轉波位移傳感器就可以確定部件A的位置和速度。
       在波導鋼絲的另一端，磁致旋轉波將通過(guò)減波元件被大大削弱，以避免反射的波形對測量精度造成影響。波反射器是用于改善電信號ua的波形和加強電信號的大小。
2 位移傳感器的結構
       根據這個(gè)原理，設計了總體的電子信號系統方案來(lái)檢測這個(gè)磁致旋轉波并送人到MCS51微型計算機處理。
 (1)產(chǎn)生一個(gè)周期激勵脈沖電流，該脈沖輸入波導鋼絲，以便圍繞波導鋼絲形成一個(gè)周期脈沖磁場(chǎng)。該脈沖的周期和寬度應通過(guò)微處理器編程來(lái)調節。為了獲得較強的脈沖磁場(chǎng)，激勵脈沖應具有足夠的能量，即足夠的電流。
(2)模擬信號處理，對從波檢測器（檢測線(xiàn)圈）輸出的位置脈沖信號進(jìn)行濾波和放大，以便比較處理。
(3)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(xiàn)圈的時(shí)間。
(4)時(shí)間測量和信號處理（數字或模擬信號處理）。
(5)位置信號輸出（數字電流和電壓，模擬電流和電壓）。
3 傳感器性能指標測試及結果
       為了給傳感器系統進(jìn)行定標，搭建了測試平臺。測試平臺由傳感器主體、位置磁鐵、螺旋測微器、印制電路板、LCD、FDPS-50BA型電源（輸人220V，輸出±15V,5 V)組成。
       在搭建的平臺上面對傳感器的性能進(jìn)行測量，主要包括傳感器的線(xiàn)性度，遲滯和重復性。
3.1 傳感器線(xiàn)性度
       測量：在傳感器測量整個(gè)0～80mm范圍內，旋動(dòng)螺旋測微器分別每隔5mm記一組數據，位置磁鐵相應移動(dòng)，連續取測量數據20組。
       采用最小二乘法擬合直線(xiàn)的斜率為0.992，直線(xiàn)方程為Y = 0.15784＋0. 992X，因此在0~80 mm范圍內的線(xiàn)性度為0.387％。
3.2 傳感器遲滯
       將螺旋測微器在傳感器的正反兩個(gè)方向量程內來(lái)回移動(dòng)，測量范圍為0～80mm，測到的數據如圖4。其中有正向測量和反向測量數值（每隔5mm測量1次），以及正反方向測量的差值△H。
3.3 傳感器重復性
       傳感器在正行程和反行程測量各測2次的數據，其中還計算了重復性偏差。根據式（2）可計算出0～80mm滿(mǎn)量程的重復性誤差指標el=±0.287%.。
 
3.4 傳感器其他靜態(tài)特性
3.4.1 傳感器的分辨力
        經(jīng)過(guò)測試系統測試，移動(dòng)螺旋測微器±0.056mm，傳感器LCD顯示值改變±0.056mm。
3.4.2 穩定性
       在測試時(shí)，將傳感器設定在一固定點(diǎn)，然后分別在4h讀取數據1次，測得值分別為31.62 mm, 31.56 mm, 31.56nm, 31.62mm。穩定性誤差為0.06mm。傳感器通、斷電幾次后在此位置讀數，仍舊為31.62，驗證了磁致伸縮傳感器不受掉電影響。
       溫度穩定性是指傳感器在外界溫度變化下輸出量發(fā)生的變化。測量傳感器溫度穩定性時(shí)，分別在房間溫度為15℃和室外溫度為1℃測量，讀數變化為0.06 m，即溫度穩定性誤差為0.06 mm。
3.4.3 測試系統靈敏度
        移動(dòng)螺旋測微器0.05mm，測到傳感器LCD屏上變化0.056mm，此測試系統的靈敏度為1.12。
        綜上，經(jīng)過(guò)實(shí)驗測得傳感器的靜態(tài)特性，可知傳感器的線(xiàn)性度為0.387%，遲滯誤差為0.256%，重復性誤差為±0.287%,分辨力為0.056mm。磁致伸縮位移傳感器的自身精度很高，理論可以達到μm級，現在實(shí)際分辨力只有0.056mm。
4 結束語(yǔ)
       在搭建的平臺上對磁致伸縮位移傳感器進(jìn)行了進(jìn)一步的誤差分析。誤差主要還是在傳感器的一些性能指標上。磁致伸縮傳感器的主體部分及位置磁鐵開(kāi)發(fā)與研制，經(jīng)實(shí)驗測試，結果理想，位置磁鐵在傳感器不同的位置都有一不同的信號反＿映。信號處理電路中占空比可調的脈沖激發(fā)控制信號電路部分設計，經(jīng)實(shí)際的電路調試結果理想。脈沖激發(fā)電路用不同方案設計并綜合考慮到實(shí)際電路實(shí)現，在ORCAD上模擬效果理想。進(jìn)一步提高精度有幾種方案。比如用DSP芯片來(lái)測量位移。40MHz的TMS320LF2407型DSP芯片，時(shí)鐘周期t=1/40M=25ns, DSP無(wú)需分頻，則位移分辨率為70μm,也可以用復雜可編程邏輯器件（CPLD），它具有使用靈活、可靠性高、功能強大的優(yōu)點(diǎn)，CPLD可實(shí)現系統編程，而且能重復多次，使用CPLD器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，不僅可以提高系統的集成化程度、可靠性和可擴充性，而且還可大大縮短產(chǎn)品的設計周期。磁致伸縮位移傳感器技術(shù)必將廣泛應用于我國的各項工業(yè)領(lǐng)域中。

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