1 引言

磁致伸縮線性位移傳感器利用磁致伸縮效應(yīng)進(jìn)行位置傳感。其組成包括鐵磁波導(dǎo)、位置磁體、阻尼區(qū)、應(yīng)變脈沖轉(zhuǎn)換器和測(cè)量電子器件。

當(dāng)向波導(dǎo)施加短電流脈沖時(shí)，會(huì)產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)。與可移動(dòng)機(jī)械部件相連的位置磁體，會(huì)在波導(dǎo)上的對(duì)應(yīng)位置產(chǎn)生磁場(chǎng)。

兩個(gè)磁場(chǎng)的瞬時(shí)相互作用會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)變脈沖，該脈沖沿波導(dǎo)向兩端傳播。為避免測(cè)量干擾，應(yīng)變脈沖和電流脈沖會(huì)在波導(dǎo)末端被阻尼。返回測(cè)量電子器件方向的應(yīng)變脈沖，會(huì)被應(yīng)變脈沖轉(zhuǎn)換器中的拾波線圈轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

由于超聲波的傳播速度已知，通過(guò)測(cè)量施加電流脈沖與接收到電信號(hào)的時(shí)間間隔，可將其轉(zhuǎn)換為線性位置測(cè)量值。

磁致伸縮傳感器的基本組件

組件

鐵磁波導(dǎo)

位置磁體

阻尼區(qū)（接地）

應(yīng)變脈沖轉(zhuǎn)換器

測(cè)量電子器件

傳播速度對(duì)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(yīng)用中不可或缺。磁致伸縮位移傳感器還能實(shí)現(xiàn)低至1微米的高精度測(cè)量，已廣泛應(yīng)用于塑料注塑成型機(jī)、液壓和氣壓缸、木工機(jī)械等領(lǐng)域。電子器件面臨的主要挑戰(zhàn)是高精度時(shí)間測(cè)量，而使用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）可輕松解決這一問(wèn)題。

1.1 應(yīng)用實(shí)例

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

1.2 技術(shù)對(duì)比

在“設(shè)計(jì)選用”線性位置傳感器時(shí)，需考慮諸多因素。必須妥善關(guān)注傳感器與應(yīng)用需求的匹配，包括電源輸入、信號(hào)輸出、外殼樣式、安裝結(jié)構(gòu)、傳感行程，以及傳感技術(shù)在應(yīng)用條件下進(jìn)行測(cè)量的能力。

鑒于這些考量因素和眾多可選方案，該任務(wù)可能顯得有些棘手。不過(guò)，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(duì)比

a. 分辨率越高越好，意味著輸出變化的步長(zhǎng)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(cè)量原理

測(cè)量元件由磁致伸縮波導(dǎo)構(gòu)成。磁致伸縮材料在磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生彈性形變，該效應(yīng)的應(yīng)用方式如下：

磁致伸縮波導(dǎo)制成管狀，內(nèi)部有銅棒。通過(guò)短電流脈沖啟動(dòng)測(cè)量，這會(huì)在波導(dǎo)周?chē)a(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)。可移動(dòng)部件的位置由磁體標(biāo)記，其磁場(chǎng)與電流脈沖的環(huán)形磁場(chǎng)垂直。兩個(gè)磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生應(yīng)變脈沖，該脈沖以聲速沿波導(dǎo)傳播。置于波導(dǎo)末端的傳感器將聲脈沖轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳播時(shí)間與磁體位置直接成正比。波導(dǎo)中的聲速約為2800 m/s，對(duì)應(yīng)約0.36 ms/m。要實(shí)現(xiàn)1 mm的分辨率，時(shí)間測(cè)量精度必須達(dá)到t = 360 ns！

例如，在測(cè)量距離為1米、波導(dǎo)速度為2800 m/s時(shí)，時(shí)間延遲為： 1米 ÷ 2800米/秒 = 0.35毫秒

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

因此，距離s的確定精度僅受時(shí)間測(cè)量分辨率的限制。典型裝置可實(shí)現(xiàn)約1 μm的分辨率，對(duì)應(yīng)時(shí)間t = 360 ps。

誤差來(lái)源

該方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，導(dǎo)體中波的傳播速度在一定程度上取決于導(dǎo)體溫度T：

如果不采取措施補(bǔ)償這種偏差，當(dāng)導(dǎo)體溫度偏離校準(zhǔn)溫度（通常為室溫）時(shí)，測(cè)量精度會(huì)降低。

審核編輯 黃宇