La detección de desplazamiento magnetoestrictivo es un sensor desarrollado utilizando el efecto magnetoestrictivo. El sensor puede lograr una medición absoluta sin contacto, con alta precisión y amplio rango. Especialmente porque no hay contacto directo entre el imán y el sensor, el sensor se puede utilizar en entornos industriales hostiles, como inflamables, explosivos y volátiles. , donde hay corrosión. Además, el sensor puede soportar entornos de alta temperatura, alta presión y alta vibración. La señal de salida del sensor es un valor absoluto, por lo que incluso si se interrumpe y se vuelve a conectar la alimentación, no causará problemas en la recopilación de datos y no es necesario reajustar la posición cero. Dado que los componentes del sensor no tienen contacto, no habrá desgaste en el sensor incluso si se repite el proceso de medición.
Las tecnologías clave involucradas en el desarrollo son:
(1) Diseño de circuito de excitación periódica de gran corriente
(2) Detección de señales débiles, señal; Diseño de una serie de circuitos como filtrado, amplificación, comparación de voltaje, detección de picos de onda, limitación de voltaje, etc.;
(3) Medición del tiempo de alta precisión basada en microcontrolador. Requisitos técnicos: rango de medición 0 ~ 8 cm, precisión 0,1 mm. El rango de medición no es muy grande y está limitado principalmente por la longitud del cable de acero de la guía de ondas utilizado en el experimento.
1 Principio del sensor de desplazamiento
Sensor de desplazamiento de onda de rotación magnética, como se muestra en la Figura 1. Excepto el imán de posición, todos los demás componentes están instalados en la carcasa del sensor y forman el cuerpo principal del sensor. El imán de posición suele estar montado en una parte móvil A y el cuerpo del sensor está montado en una parte fija B.
Cuando el sensor está funcionando, el sistema de procesamiento y señal electrónica envía una corriente de pulso de excitación, es decir, con un intervalo de T al cable de acero de la guía de ondas magnética. Esta corriente de pulso generará un campo magnético giratorio que rodea el acero de la guía de ondas. cable. Los imanes de posición también producen un campo magnético fijo. Según el efecto Widemanm, el metal produce distorsión de la guía de ondas debido a su deformación instantánea, lo que hace que el alambre de acero de la guía de ondas produzca un estiramiento magnetoelástico, es decir, que forme una onda magnetorotacional. La velocidad de propagación de las ondas magnetorotacionales es
donde: G es el módulo elástico de corte de la guía de ondas ρ es la densidad de la guía de ondas.
Dado que G y ρ son constantes (para una determinada guía de ondas), la velocidad de propagación también es constante. Después del cálculo, la onda giratoria se propaga hacia ambos lados a lo largo del alambre de acero de la guía de ondas a una velocidad de 2800 m/s. Cuando llega al detector de ondas en un extremo del cable de acero de la guía de ondas, se convierte en una señal eléctrica ua midiendo el tiempo tL para que la onda de rotación magnética viaje desde la posición del imán hasta el detector de ondas, la distancia entre las posiciones. Se puede determinar el imán y el detector de ondas. De esta manera, cuando los componentes A y B se mueven entre sí, la posición y la velocidad del componente A se pueden determinar a través del sensor de desplazamiento de onda magnetorotacional.
En el otro extremo del cable de acero de la guía de ondas, la onda de rotación magnética será atenuada en gran medida por el elemento de reducción de onda para evitar que la forma de onda reflejada afecte la precisión de la medición. Los reflectores de ondas se utilizan para mejorar la forma de onda de las señales eléctricas y mejorar el tamaño de las señales eléctricas.
2 Estructura del sensor de desplazamiento
Basado en este principio, se diseña un esquema general de sistema de señal electrónica para detectar esta onda de rotación magnética y enviarla a la microcomputadora MCS51 para su procesamiento. El sistema de procesamiento de señales digitales se muestra en la Figura 2. (1) Genere una corriente de pulso de excitación periódica, que se introduce en el cable de acero de la guía de ondas para formar un campo magnético de pulso periódico alrededor del cable de acero de la guía de ondas. El período y la amplitud de este pulso deben ajustarse mediante programación por microprocesador. Para obtener un campo magnético pulsado fuerte, el pulso de excitación debe tener suficiente energía, es decir, suficiente corriente. 3 Pruebas y resultados del índice de rendimiento del sensor
Para calibrar el sistema de sensores, se construyó una plataforma de prueba. La plataforma de prueba consta del cuerpo del sensor, imán de posición, micrómetro en espiral, placa de circuito impreso, LCD, fuente de alimentación FDPS-50BA (entrada 220 V, salida ±15 V, 5 V).
El rendimiento del sensor se midió en la plataforma construida, incluyendo principalmente la linealidad, histéresis y repetibilidad del sensor.
3.1 Linealidad del sensor
Medición: Dentro del rango completo de 0 a 80 mm medido por el sensor, gire el micrómetro en espiral para registrar un conjunto de datos cada 5 mm, y el imán de posición se mueve en consecuencia, tome 20 conjuntos de datos de medición continuamente, como se muestra en la Figura 3.
La fórmula del índice de linealidad es: el es el error no lineal (linealidad); △max es el error absoluto no lineal máximo; YFS es el rango de escala completa de salida.
Como se puede observar en la Figura 3, la pendiente de la línea recta ajustada usando el método de mínimos cuadrados es 0.992, y la ecuación de la línea recta es Y = 0.15784 0.992X, por lo que la linealidad en el rango de 0~80 mm es 0,387.
3.2 Histéresis del sensor
Mueva el micrómetro en espiral hacia adelante y hacia atrás en las direcciones de avance y retroceso del sensor. El rango de medición es de 0 a 80 mm. Los datos medidos se muestran en la Figura 4. . Hay valores de medición hacia adelante y hacia atrás (medidos cada 5 mm), así como la diferencia ΔH entre la medición hacia adelante y hacia atrás.
Basado en la fórmula del error de histéresis
donde △Hmax es la diferencia máxima entre las salidas de carrera hacia adelante y hacia atrás.
De la Figura 4, sabemos que △Hmax=0,41 y rH=0,256.
3.3 Repetibilidad del sensor
La figura 5 son los datos del sensor medidos dos veces en la carrera de avance y retroceso, en la que también se calcula la desviación de repetibilidad. Según la ecuación (2), se puede calcular el índice de error de repetibilidad el=±0,287 para el rango de escala completa de 0~80 mm.
3.4 Otras características estáticas del sensor
3.4.1 Resolución del sensor
Después de la prueba mediante el sistema de prueba, el micrómetro en espiral móvil es de ±0,056 mm. , y el valor de la pantalla LCD del sensor cambia ±0,056 mm.
3.4.2 Estabilidad
Durante la prueba, el sensor se configuró en un punto fijo y luego los datos se leyeron una vez cada 4 horas. Los valores medidos fueron 31,62 mm. 31,56 mm, 31,56 nm, 31,62 mm. El error de estabilidad es de 0,06 mm. Después de encender y apagar el sensor varias veces, la lectura en esta posición seguía siendo 31,62, lo que verificó que el sensor magnetoestrictivo no se vio afectado por el corte de energía.
La estabilidad de la temperatura se refiere al cambio en la salida del sensor cuando cambia la temperatura externa. Al medir la estabilidad de la temperatura del sensor, cuando la temperatura ambiente es de 15 °C y la temperatura exterior es de 1 °C, el cambio de lectura es de 0,06 m, es decir, el error de estabilidad de la temperatura es de 0,06 mm.
3.4.3 Sensibilidad del sistema de prueba
Mueva el micrómetro de espiral 0,05 mm y detecte un cambio de 0,056 mm en la pantalla LCD del sensor. La sensibilidad de este sistema de prueba es 1,12.
En resumen, las características estáticas del sensor se midieron mediante experimentos. Se puede ver que la linealidad del sensor es 0,387, el error de histéresis es 0,256, el error de repetibilidad es ±0,287 y el. La resolución es de 0,056 mm. El sensor de desplazamiento magnetoestrictivo en sí tiene una precisión muy alta, alcanzando teóricamente el nivel de μm, pero la resolución real es de sólo 0,056 mm.
4 Conclusión
Se realizó un análisis adicional de errores del sensor de desplazamiento magnetoestrictivo en la plataforma construida. El error radica principalmente en algunos indicadores de rendimiento del sensor. La parte principal del sensor magnetoestrictivo y el imán de posición fueron desarrollados y probados. Después de las pruebas experimentales, los resultados fueron ideales. El imán de posición tiene una reflexión de señal diferente en diferentes posiciones del sensor. La parte del circuito de señal de control de excitación de pulso con ciclo de trabajo ajustable en el circuito de procesamiento de señal está diseñada y los resultados reales de depuración del circuito son ideales. El circuito de excitación de pulsos se diseñó utilizando diferentes soluciones y consideró de manera integral la implementación del circuito real, y los resultados de la simulación fueron ideales en ORCAD. Hay varias opciones para mejorar aún más la precisión. Por ejemplo, utilice un chip DSP para medir el desplazamiento.
Chip DSP TMS320LF2407 de 40 MHz, ciclo de reloj t = 1/40 M = 25 ns, DSP no necesita división de frecuencia, la resolución de desplazamiento es de 70 μm, también se pueden usar dispositivos lógicos programables complejos (CPLD), que tienen las características de uso flexible y alta confiabilidad. Con las ventajas de funciones potentes, CPLD puede realizar la programación del sistema y puede repetirse muchas veces. El uso de dispositivos CPLD para el desarrollo no solo puede mejorar el nivel de integración, la confiabilidad y la escalabilidad del sistema, sino que también acorta en gran medida el ciclo de diseño del producto. La tecnología de sensores de desplazamiento magnetoestrictivos se utilizará ampliamente en diversos campos industriales de mi país.