磁致伸縮位移傳感器反射波電壓特性與阻尼參數(shù)優(yōu)化

孫 英 張耀松 陳 錚 任雷浩 鄭 巖

(1.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130; 3.中國(guó)人民解放軍95939部隊(duì)，滄州 061022)

0 引言

磁致伸縮材料中的鐵鎵合金在低磁場(chǎng)下能夠產(chǎn)生較大的磁致伸縮應(yīng)變，同時(shí)具有應(yīng)力靈敏度高、抗拉能力強(qiáng)、材料成本較低和易于制備等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，因此廣泛應(yīng)用于傳感器、換能器、制動(dòng)器、機(jī)器人等領(lǐng)域[4-12]。

磁致伸縮位移傳感器以線圈為檢測(cè)裝置，其輸出量為電壓信號(hào)。文獻(xiàn)[13]構(gòu)建了螺旋磁場(chǎng)作用下磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型。文獻(xiàn)[14]對(duì)應(yīng)力波在波導(dǎo)絲中的衰減特性進(jìn)行研究，提出衰減系數(shù)測(cè)試方法。文獻(xiàn)[15]研究發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)絲的磁致伸縮是影響魏德曼效應(yīng)的重要因素。文獻(xiàn)[16]在文獻(xiàn)[15]的基礎(chǔ)上，基于魏德曼效應(yīng)得到了含有磁致伸縮系數(shù)的輸出電壓模型，建立了磁致伸縮與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系。以上研究主要集中在構(gòu)建輸出電壓模型和扭轉(zhuǎn)波衰減特性等方面。在提高磁致伸縮位移傳感器穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確性、降低干擾信號(hào)，尤其是反射波信號(hào)對(duì)輸出電壓有效信號(hào)的影響等方面研究較少。

在提高傳感器精度方面，文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)線圈式傳感器結(jié)構(gòu)，提高了檢測(cè)電壓幅值和測(cè)量精度，同時(shí)傳感器信噪比也得到了提高。文獻(xiàn)[18]通過(guò)調(diào)整傳統(tǒng)Fe-Ga磁致伸縮位移傳感器驅(qū)動(dòng)脈沖電流輸入端位置，降低了驅(qū)動(dòng)脈沖電流噪聲，提高了輸出電壓信噪比，同時(shí)減小了位移測(cè)量誤差。在反射波信號(hào)影響有效信號(hào)提取方面，文獻(xiàn)[19]在傳統(tǒng)磁致伸縮位移傳感器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出一種基于無(wú)阻尼扭轉(zhuǎn)波干涉的位移測(cè)量方法，增大了檢測(cè)信號(hào)的輸出幅值，降低了反射波對(duì)測(cè)量精度的影響，提高了檢測(cè)線圈輸出的電壓幅值、信噪比和位移分辨率。文獻(xiàn)[20-21]對(duì)傳感器檢測(cè)信號(hào)濾波電路進(jìn)行了改進(jìn)，提高了傳感器的信噪比。以上研究主要通過(guò)優(yōu)化磁致伸縮位移傳感器濾波電路和改進(jìn)測(cè)量方法，來(lái)提高位移傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確性。而關(guān)于反射波信號(hào)會(huì)對(duì)傳感器造成干擾，從而影響傳感器工作穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確性方面的研究卻鮮有報(bào)道。

本文基于材料力學(xué)分析波導(dǎo)絲所受摩擦力對(duì)應(yīng)力波傳播的影響，闡述阻尼與波導(dǎo)絲之間的摩擦力來(lái)源及其與阻尼參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)不同阻尼直徑、長(zhǎng)度和邵氏硬度等參數(shù)下的磁致伸縮位移傳感器反射波電壓模型?；谠撃Ｐ偷玫阶枘釁?shù)與反射波電壓之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)該模型的分析計(jì)算確定阻尼參數(shù)的最優(yōu)范圍，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同阻尼參數(shù)作用下的反射波電壓幅值變化進(jìn)行對(duì)比。

1 基本結(jié)構(gòu)與工作原理

磁致伸縮位移傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)位移傳感器工作時(shí)，脈沖驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的環(huán)形激勵(lì)磁場(chǎng)與活動(dòng)永磁體產(chǎn)生的軸向偏置磁場(chǎng)疊加形成螺旋磁場(chǎng)。由魏德曼效應(yīng)可知，在螺旋磁場(chǎng)的作用下，波導(dǎo)絲會(huì)發(fā)生形變產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波，應(yīng)力波以一定的速度向波導(dǎo)絲兩端進(jìn)行傳播。當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波傳播到檢測(cè)線圈時(shí)，由于磁致伸縮的逆效應(yīng)，扭轉(zhuǎn)波信號(hào)將會(huì)導(dǎo)致波導(dǎo)絲內(nèi)部的磁通發(fā)生改變，被檢測(cè)線圈檢測(cè)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，檢測(cè)電壓可表示為

(1)

式中N——檢測(cè)線圈匝數(shù)

S——檢測(cè)線圈單匝面積

φ——穿過(guò)線圈磁通量

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度t——時(shí)間

2 阻尼對(duì)傳感器反射波電壓的影響分析

2.1 反射波信號(hào)的產(chǎn)生

由圖2可知，當(dāng)脈沖電流產(chǎn)生的環(huán)形激勵(lì)磁場(chǎng)傳播到永磁體處時(shí)，將與永磁體產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)相疊加產(chǎn)生螺旋磁場(chǎng)。此時(shí)波導(dǎo)絲會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波，該應(yīng)力波由永磁體處向波導(dǎo)絲兩端傳播，當(dāng)應(yīng)力波傳播到固定端時(shí)，應(yīng)力波會(huì)在兩端都發(fā)生反射，發(fā)生反射后被檢測(cè)線圈檢測(cè)到形成反射波。由于傳感器左右兩端產(chǎn)生的反射波信號(hào)的過(guò)程相同，本文重點(diǎn)分析右端產(chǎn)生的反射及其造成的反射波電壓。

圖3為傳感器有效信號(hào)與右側(cè)所產(chǎn)生的反射波信號(hào)的波形圖。從圖3可以看出，當(dāng)反射波信號(hào)幅值大于所設(shè)置的閾值電壓時(shí)，反射波信號(hào)會(huì)被識(shí)別為有效信號(hào)造成誤檢測(cè)，影響磁致伸縮位移傳感器工作的穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確性。

2.2 阻尼作用下傳感器反射波電壓模型

在磁致伸縮位移傳感器中，螺旋磁場(chǎng)由激勵(lì)磁場(chǎng)與偏置磁場(chǎng)兩部分疊加而成，波導(dǎo)絲在螺旋磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生應(yīng)力波，螺旋磁場(chǎng)作用下磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓e1表達(dá)式為[13]

(2)

式中Hi(R)——波導(dǎo)絲表面處的激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度

Hm——偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度

φm——波導(dǎo)絲中的軸向磁通量

λ——波導(dǎo)絲角應(yīng)變引起的磁場(chǎng)變化率

L——波導(dǎo)絲長(zhǎng)度

r——波導(dǎo)絲半徑

μr——波導(dǎo)絲相對(duì)磁導(dǎo)率

E——波導(dǎo)絲彈性模量

ν——泊松比ρ——密度

Ia——波導(dǎo)絲截面極慣性矩

傳感器量程不大時(shí)，可以忽略應(yīng)力波在波導(dǎo)絲中的自然衰減[22]，應(yīng)力波從永磁體處產(chǎn)生并在波導(dǎo)絲中傳播。當(dāng)沒有阻尼作用時(shí)，傳感器輸出電壓在波導(dǎo)絲上各個(gè)位置相同均為e1；當(dāng)阻尼作用在波導(dǎo)絲上時(shí)，應(yīng)力波在阻尼作用下會(huì)發(fā)生衰減，導(dǎo)致傳感器的輸出電壓減小。

設(shè)經(jīng)過(guò)阻尼后的輸出電壓減小量為Δe，不考慮固定端的反射衰減，根據(jù)反射波的產(chǎn)生機(jī)理可知，傳播到檢測(cè)線圈得到傳感器反射波電壓e2，可表示為

e2=e1-2Δe

(3)

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，阻尼作用下傳感器輸出電壓減小量Δe可表示為

(4)

當(dāng)檢測(cè)線圈開路時(shí)，線圈中不存在感應(yīng)電流，線圈自身不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化來(lái)源于波導(dǎo)絲在機(jī)械應(yīng)力作用下的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，則檢測(cè)線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度B可表示為[13]

(5)

式中 dφ/dx——波導(dǎo)絲角應(yīng)變

將波導(dǎo)絲等效為圓截面直桿，則波導(dǎo)絲角應(yīng)變dφ/dx與其扭矩T的關(guān)系可表示為[23]

(6)

磁致伸縮位移傳感器中阻尼通常采用橡膠等粘彈性材料，阻尼對(duì)應(yīng)力波具有衰減作用，該作用來(lái)源于波導(dǎo)絲在扭轉(zhuǎn)形變時(shí)與阻尼材料發(fā)生的摩擦。

由于摩擦作用發(fā)生在波導(dǎo)絲與阻尼的接觸面，利用微元法對(duì)波導(dǎo)絲表面的受力情況進(jìn)行分析，如圖4所示。

由于波導(dǎo)絲直接穿過(guò)阻尼，根據(jù)粘彈性阻尼材料的回彈作用，波導(dǎo)絲表面質(zhì)元會(huì)受到彈性壓力P和摩擦力FΔf的作用，兩參數(shù)之間的關(guān)系可表示為

FΔf=-μkP

(7)

式中μk——阻尼與波導(dǎo)絲之間的摩擦因數(shù)

式(7)中的負(fù)號(hào)表示摩擦力FΔf的方向與波導(dǎo)絲的扭轉(zhuǎn)方向相反。由式(7)可知，摩擦力FΔf和阻尼及波導(dǎo)絲之間的彈性壓力P密切相關(guān)，而阻尼參數(shù)的變化會(huì)影響彈性壓力，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦力的改變。

阻尼與波導(dǎo)絲之間的彈性壓力P是由于波導(dǎo)絲穿過(guò)阻尼使阻尼發(fā)生形變所產(chǎn)生的。根據(jù)橡膠阻尼形變壓力計(jì)算公式[24]可知彈性壓力P是關(guān)于變量高度h的連續(xù)函數(shù)，其表達(dá)式為

(8)

其中

S1=2πrld/(2πRld)=r/RG=0.117e0.03Y

式中l(wèi)d——阻尼長(zhǎng)度

d——阻尼直徑

H——阻尼受到壓縮變化后的等效直徑

Eah——阻尼表觀彈性模量

i——阻尼幾何形狀影響系數(shù)

S1——阻尼承載面積與自由面積之比，即波導(dǎo)絲和阻尼作用部分面積與阻尼表面積之比

R——阻尼半徑

G——阻尼切變模量

Y——阻尼材料邵氏硬度

從式(8)可以看出，彈性壓力與阻尼長(zhǎng)度、直徑和邵氏硬度等參數(shù)密切相關(guān)。

波導(dǎo)絲表面質(zhì)元在摩擦力FΔf作用下扭矩TΔf可表示為

TΔf=-FΔfr

(9)

根據(jù)合力矩定律，處于該阻尼作用下的波導(dǎo)絲的扭矩為各質(zhì)元所受分力矩之和，由于摩擦力FΔf作用于波導(dǎo)絲表面，阻尼作用下波導(dǎo)絲的合扭矩Tf可通過(guò)曲面積分表示為

(10)

將式(8)、(9)代入式(10)可得到合扭矩Tf為

(11)

將式(6)中扭矩T替換為阻尼作用下波導(dǎo)絲的合扭矩Tf，然后將式(11)、(6)、(5)代入式(4)可得到阻尼作用下傳感器輸出電壓減小量Δe為

(12)

(13)

將式(13)代入式(12)得到

(14)

將式(14)、(2)代入式(3)得到阻尼作用下反射波電壓e2表達(dá)式為

(15)

對(duì)比式(15)與式(2)可以發(fā)現(xiàn)，相比于傳感器有效信號(hào)輸出電壓e1，在阻尼作用下傳感器反射波電壓e2中含有阻尼參數(shù)A，其表達(dá)式為

(16)

該式中，包含波導(dǎo)絲之間的摩擦因數(shù)μk、波導(dǎo)絲半徑r、阻尼半徑R、阻尼長(zhǎng)度ld、比例系數(shù)n、邵氏硬度Y等參數(shù)。

當(dāng)確定了磁場(chǎng)、波導(dǎo)絲材料、檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)以及阻尼與波導(dǎo)絲之間的摩擦因數(shù)后，磁致伸縮位移傳感器反射波電壓主要取決于阻尼長(zhǎng)度、直徑及邵氏硬度等參數(shù)。分析阻尼參數(shù)對(duì)反射波電壓的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，選取合適的阻尼，使得反射波電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸出電壓有效信號(hào)，最大程度上降低反射波信號(hào)對(duì)有效信號(hào)提取造成的影響。

3 反射波電壓計(jì)算

利用式(15)計(jì)算傳感器反射波電壓。波導(dǎo)絲選用性能較好的Fe-Ga波導(dǎo)絲，由文獻(xiàn)[13]可知，偏置磁場(chǎng)與脈沖激勵(lì)磁場(chǎng)相同時(shí)能夠產(chǎn)生較大的輸出電壓。因此，本文選擇偏置磁場(chǎng)和激勵(lì)磁場(chǎng)均為5 kA/m，兩磁場(chǎng)作用能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度為7 kA/m的螺旋磁場(chǎng)，此時(shí)磁致伸縮位移傳感器可以產(chǎn)生較大的有效信號(hào)。其他計(jì)算參數(shù)[13]如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

由式(15)可知，阻尼參數(shù)中阻尼長(zhǎng)度、直徑和邵氏硬度等參數(shù)都會(huì)對(duì)反射波電壓幅值造成影響。從式(16)可以看出，在阻尼參數(shù)A表達(dá)式中，阻尼長(zhǎng)度、直徑及邵氏硬度三者分別與阻尼參數(shù)A呈正比關(guān)系。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)阻尼直徑從10 mm變?yōu)? mm時(shí)ln(d/H)的值變化了0.03，說(shuō)明阻尼直徑的變化對(duì)阻尼參數(shù)A的影響很小，因此本文選擇與塑料套管的內(nèi)徑相同、直徑為10 mm的阻尼，進(jìn)而分析該直徑下阻尼長(zhǎng)度和邵氏硬度的變化對(duì)反射波電壓幅值的影響。

3.1 阻尼長(zhǎng)度與反射波電壓的關(guān)系

邵氏硬度為25、30、35下阻尼長(zhǎng)度與反射波電壓之間的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可看出，在邵氏硬度為25、30、35時(shí)，隨著阻尼長(zhǎng)度的增加反射波電壓幅值的變化情況基本相同，均隨著阻尼長(zhǎng)度的增加逐漸減小。當(dāng)阻尼長(zhǎng)度超過(guò)4 mm后，反射波電壓幅值下降幅度增大。當(dāng)反射波電壓為零時(shí)，邵氏硬度為25所對(duì)應(yīng)的阻尼長(zhǎng)度為16.6 mm；邵氏硬度為30所對(duì)應(yīng)的阻尼長(zhǎng)度為15.2 mm；邵氏硬度為35所對(duì)應(yīng)的阻尼長(zhǎng)度為14.2 mm。

3.2 阻尼邵氏硬度與反射波電壓的關(guān)系

選取了阻尼長(zhǎng)度分別為5、10、15、20 mm的阻尼，分析了各個(gè)長(zhǎng)度下阻尼邵氏硬度與反射波輸出電壓之間的關(guān)系，如圖6所示。

由圖6可看出，在阻尼長(zhǎng)度為5、10、15、20 mm的情況下，隨著阻尼邵氏硬度的增加反射波電壓幅值變化趨勢(shì)基本相同，均隨著邵氏硬度的增加反射波電壓幅值逐漸減小，并且隨著長(zhǎng)度的增大，反射波電壓幅值的變化幅度增大。還可以看出，當(dāng)反射波電壓為零時(shí)，長(zhǎng)度為5 mm的阻尼邵氏硬度為78；長(zhǎng)度為10 mm的阻尼邵氏硬度為58；長(zhǎng)度為15 mm的阻尼邵氏硬度為33；長(zhǎng)度為20 mm的阻尼邵氏硬度為12。

由圖5、6可得，阻尼長(zhǎng)度和邵氏硬度的變化都對(duì)反射波電壓的幅值產(chǎn)生影響，阻尼長(zhǎng)度和邵氏硬度的增大，均會(huì)使反射波電壓幅值降低。分析反射波信號(hào)產(chǎn)生的原因及阻尼參數(shù)與反射波電壓之間的關(guān)系，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的阻尼參數(shù)，使其能夠大大降低反射波電壓幅值。反射波電壓幅值越小，反射波電壓對(duì)有效信號(hào)提取的影響就越小。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)[9]如圖7所示。實(shí)驗(yàn)選用直徑為0.8 mm、長(zhǎng)度為1 m的鐵鎵絲，并將其固定在內(nèi)徑為10 mm、外徑為12 mm的鐵氟龍塑料管內(nèi)，鐵鎵絲末端采用橡膠阻尼固定，然后再將其放入內(nèi)徑為13 mm、外徑為15 mm、壁厚為2.5 mm的316L的不銹鋼探桿中。實(shí)驗(yàn)中使用的電源為穩(wěn)壓電源，能夠?yàn)楹罄m(xù)信號(hào)調(diào)理電路提供穩(wěn)定的工作電壓。信號(hào)發(fā)生器采用TFG6092A型，脈沖頻率設(shè)定為1 000 Hz，寬度為7 μs，高電平為5 V。檢測(cè)線圈采用直徑0.06 mm的銅漆包線繞制而成，其長(zhǎng)度為10 mm，平均半徑為2 mm，匝數(shù)為800匝。檢測(cè)線圈套在波導(dǎo)絲的頭部用于接收信號(hào)，信號(hào)顯示采用DPO3014型四通道示波器，顯示輸出的電壓信號(hào)。

4.2 阻尼長(zhǎng)度對(duì)反射波電壓的影響

實(shí)驗(yàn)對(duì)半徑為10 mm和邵氏硬度分別為25、30、35的阻尼進(jìn)行研究，分析不同阻尼長(zhǎng)度作用下的傳感器反射波電壓變化情況，如圖8所示。

從圖8可以看出，在3種不同阻尼邵氏硬度下，反射波電壓幅值均隨著阻尼長(zhǎng)度的增大而逐漸減小，其變化趨勢(shì)基本相同。邵氏硬度越大，反射波降為零所需要的阻尼長(zhǎng)度越短。邵氏硬度為25、阻尼長(zhǎng)度為16 mm時(shí)反射波電壓幅值降低為零；邵氏硬度為30、阻尼長(zhǎng)度為14.8 mm時(shí)，反射波電壓幅值降低為零；邵氏硬度為35、阻尼長(zhǎng)度為13.7 mm時(shí)反射波電壓幅值降低為零。

4.3 邵氏硬度對(duì)反射波電壓的影響

實(shí)驗(yàn)對(duì)半徑為10 mm和長(zhǎng)度分別為5、10、15、20 mm的阻尼進(jìn)行研究，記錄了不同邵氏硬度的阻尼作用下反射波電壓幅值的變化情況，如圖9所示。

從圖9可以看出，在不同阻尼長(zhǎng)度下，反射波電壓幅值隨著邵氏硬度的增大而逐漸減小，且阻尼長(zhǎng)度越長(zhǎng)，反射波幅值隨阻尼邵氏硬度的增大變化的幅度也越大。阻尼長(zhǎng)度越長(zhǎng)，使得反射波電壓幅值降為零所需的邵氏硬度越小。阻尼長(zhǎng)度為5 mm、邵氏硬度為74時(shí)反射波電壓幅值降為零；長(zhǎng)度為10 mm的阻尼在邵氏硬度為56時(shí)反射波電壓降為零；阻尼長(zhǎng)度為15 mm、邵氏硬度為31時(shí)反射波電壓幅值降為零；阻尼長(zhǎng)度為20 mm、邵氏硬度為10時(shí)反射波電壓降為零。反射波電壓幅值越小，反射波電壓對(duì)有效信號(hào)提取的影響越低。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)阻尼長(zhǎng)度小于5 mm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的邵氏硬度大于80，此時(shí)阻尼類似于固定端，在阻尼作用處會(huì)有新的反射波干擾出現(xiàn)。因此在對(duì)阻尼進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)避免阻尼長(zhǎng)度過(guò)短和邵氏硬度過(guò)大。

4.4 阻尼實(shí)驗(yàn)誤差分析

從圖5、8和圖6、9可以看出阻尼長(zhǎng)度和邵氏硬度變化對(duì)反射波電壓的影響，實(shí)驗(yàn)分析與理論計(jì)算中的反射波電壓幅值變化情況基本相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比如表2所示。當(dāng)反射波電壓幅值為零時(shí)，阻尼長(zhǎng)度與邵氏硬度存在一些誤差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比理論計(jì)算值均偏小。阻尼長(zhǎng)度和邵氏硬度變化的誤差主要是由扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波在波導(dǎo)絲中傳播時(shí)衰減以及應(yīng)力波在末端經(jīng)過(guò)反射產(chǎn)生的衰減造成。

表2 理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.5 阻尼參數(shù)選擇

在實(shí)際情況下由于電磁干擾等噪聲信號(hào)的存在，一般電壓在5 mV以下都不在提取范圍[14]。從理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析中發(fā)現(xiàn)，為使反射波電壓幅值降為5 mV以下，在阻尼直徑為10 mm的情況下，阻尼長(zhǎng)度和邵氏硬度的取值可以為：長(zhǎng)度5 mm、邵氏硬度75；長(zhǎng)度10 mm、邵氏硬度50；長(zhǎng)度15 mm、邵氏硬度30；長(zhǎng)度20 mm、邵氏硬度15等。

考慮到阻尼長(zhǎng)度對(duì)位移傳感器量程的影響，在能夠使得反射波電壓不影響有效信號(hào)的情況下，阻尼長(zhǎng)度應(yīng)越短越好。當(dāng)阻尼長(zhǎng)度小于5 mm時(shí)，此時(shí)邵氏硬度較大，會(huì)有新的干擾產(chǎn)生。因此給出了阻尼長(zhǎng)度取值范圍為5～10 mm，邵氏硬度取值范圍為50～75。

利用實(shí)驗(yàn)室所搭建的平臺(tái)對(duì)不同阻尼參數(shù)作用下反射波電壓幅值變化進(jìn)行比較，得到的輸出電壓波形如圖10所示。從圖10可以看出，在無(wú)阻尼時(shí)反射波電壓幅值約為75 mV；在直徑為10 mm時(shí)，長(zhǎng)度10mm和邵氏硬度20、長(zhǎng)度15 mm和邵氏硬度20、長(zhǎng)度10 mm和邵氏硬度40、長(zhǎng)度10 mm和邵氏硬度50的阻尼作用下反射波電壓幅值分別約為50、37、18、4 mV；在所選最優(yōu)阻尼(直徑10 mm、長(zhǎng)度10 mm、邵氏硬度50)作用下有效信號(hào)電壓約為100 mV并保持不變，反射波電壓幅值從75 mV降至4 mV左右，約為原來(lái)的1/15，遠(yuǎn)小于傳感器有效電壓信號(hào)，不會(huì)對(duì)傳感器造成干擾。

5 結(jié)論

(1)基于磁致伸縮位移傳感器輸出電壓模型及阻尼對(duì)應(yīng)力波的吸收衰減作用，構(gòu)建了阻尼作用下磁致伸縮位移傳感器反射波電壓模型，獲得阻尼參數(shù)與反射波電壓之間的關(guān)系。通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，阻尼參數(shù)對(duì)反射波電壓幅值有很大影響，隨著阻尼長(zhǎng)度和邵氏硬度的增加，反射波電壓幅值逐漸減小。

(2)考慮到阻尼長(zhǎng)度對(duì)傳感器量程影響及阻尼長(zhǎng)度較短、邵氏硬度較大帶來(lái)的干擾等因素，確定了阻尼長(zhǎng)度取值范圍為5～10 mm、邵氏硬度取值范圍為50～75，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同阻尼參數(shù)作用下的反射波電壓幅值變化進(jìn)行比較。在長(zhǎng)度為10 mm、直徑10 mm和邵氏硬度為50的最優(yōu)阻尼作用下反射波電壓幅值從75 mV降至4 mV左右，對(duì)反射波電壓起到了很好的抑制作用，基本消除了反射波對(duì)有效信號(hào)提取造成的影響，提高了傳感器的穩(wěn)定性與測(cè)量準(zhǔn)確性。