CN105180790A - 一种磁致伸缩微位移计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁致伸缩微位移计，其特征在于该位移计包括位移计端部、位移计底座、测量杆、波导丝、直线导轨和活动端子，所述位移计端部为空腔结构，在空腔结构的内壁上安装有硬件电路系统，在空腔结构的腔体内设有前阻尼装置、检测装置和固定装置；位移计端部的右侧底部与位移计底座相连；在位移计端部的右侧中心设有螺纹孔，测量杆左端与位移计端部的螺纹孔进行螺纹连接；所述活动端子套在测量杆上，直线导轨沿长度方向固定在位移计底座上，直线导轨上装有滑块，滑块上端与活动端子的下端相连接，滑块与外部机械装置相连；所述活动端子内部的磁铁采用“halbach”磁铁阵列。

Description

一种磁致伸缩微位移计

技术领域

本发明涉及微位移传感器技术领域，具体涉及一种磁致伸缩微位移计。

背景技术

随着现代信息产业技术的发展，位移传感器的应用范围日益广泛。工业控制不仅对大位移的测量需求较多，对微位移的测量也日渐增多。在微位移测量方面，利用不同的原理实现的位移传感器种类繁多，如电容式、电感式、雷达式、超声波式、多普勒激光式等。所依据的原理主要有磁效应、电容效应、光电效应、电磁辐射效应和机械效应等，虽然这些微位移传感器已经在工业中广泛的应用，但是他们的缺点也是相当多的。其中电容式微位移传感器安装后需要重新标定和定期维修，并且测量的重复性不高，寿命也不长；电感式微位移传感器的灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器本身频率响应低，不易于高频动态测量，对传感器的线圈供电的电源的频率和振幅的稳定性要求较高；雷达式和超声波式微位移传感器的成本昂贵，且适用范围局限，安装复杂。

而利用磁致伸缩原理制成的位移传感器大多数应用在液位测量领域。磁致伸缩液位传感器具有精度高、量程大、易维护、适应性强等特点。但是其应用领域狭窄，只能进行液位的测量；另外，由于结构和设计的不足，它是无法应用于微位移测量领域的。

发明内容

针对现有微位移传感器存在的问题，考虑到精密机械设备的位移测量，设计了一种磁致伸缩微位移计，该位移计的核心部件为波导丝、“halbach型”永磁体阵列、直线导轨以及位移计的硬件电路。其中波导丝放在测量杆内部，测量杆与位移计端部相连；直线导轨固定在位移计底座上，其上的滑块可以在直线导轨上来回的自由滑动；活动端子套在测量杆上且可以在测量杆上来回的移动，其下端与直线导轨上的滑块相连。另外，本发明的磁铁阵列采用新型的“halbach”磁铁阵列模型，采用这种模型可以增加波导丝内部轴向磁场的强度，使轴向磁场更加均匀，从而增加检测信号的灵敏度，提高检测信号的质量，检测精度更高。本发明经过大量实验，通过优化各部分的配置，将磁致伸缩Fe-Ga材料应用于微位移传感器领域，设计得到了Fe-Ga材料的磁致伸缩式微位移计，该位移计可准确获得检测信号并且使检测信号最优，且该位移计体积小、精度高、量程较大、易维护和适应性更强。

本发明采用的技术方案是：

一种磁致伸缩微位移计，其特征在于该位移计包括位移计端部、位移计底座、测量杆、波导丝、直线导轨和活动端子，所述位移计端部为空腔结构，在空腔结构的内壁上安装有硬件电路系统，在空腔结构的腔体内设有前阻尼装置、检测装置和固定装置；位移计端部的右侧底部与位移计底座相连；在位移计端部的右侧中心设有螺纹孔，测量杆左端与位移计端部的螺纹孔进行螺纹连接；所述活动端子套在测量杆上，直线导轨沿长度方向固定在位移计底座上，直线导轨上装有滑块，滑块上端与活动端子的下端相连接，滑块与外部机械装置相连，直线导轨上的滑块随着外部机械装置的移动而移动,从而带动活动端子随着直线导轨上的滑块移动而移动；

所述硬件电路系统包括电源模块、控制模块、功率放大与信号处理模块三部分，电源模块为控制模块和功率放大与信号处理模块供电，功率放大与信号处理模块包括功率放大电路和信号处理电路两部分；控制模块一方面与功率放大与信号处理模块中的功率放大电路的输入端相连，另一方面与功率放大与信号处理模块中的信号处理电路的输出端相连；控制模块用于生成驱动电压脉冲、处理计时数据并显示位移及采集外界温度，并经过控制模块的单片机分析和比较后，对波导丝的参数进行温度补偿；功率放大电路用于对控制模块生成的驱动电压脉冲进行功率放大；信号处理电路用于对检测装置检测的弹性波信号进行滤波、放大、比较处理，包括差分放大电路、比较电路和计时电路；

所述波导丝的左端依次穿过位移计端部的螺纹孔、检测装置中心、前阻尼装置的中心和固定装置，波导丝的最左端与硬件电路系统的功率放大电路的输出端相连，在固定装置与波导丝连接处用螺栓进行固定；位于螺纹孔右侧的波导丝外部套有两端开口的塑料套管，塑料套管末端的波导丝穿过后阻尼装置的中心与返回导线相连接，波导丝通过返回导线穿过位移计端部的螺纹孔直接与硬件电路系统的功率放大与信号处理模块的功率放大电路的输出端连接；套有塑料套管的波导丝装于测量杆内，且后阻尼装置和返回导线均位于塑料套管的外部且在测量杆内部；驱动电压脉冲信号通过功率放大电路的输出端加在波导丝的两端；

所述检测装置包括第一线圈、第二线圈、线圈骨架和公共端；第一线圈和第二线圈按照相同的绕制方向绕制在线圈骨架上，线圈骨架为空心柱体；第一线圈的末端和第二线圈的首端相连作为公共端，此公共端再与信号处理电路的差分放大电路输入端的模拟地端相连，第一线圈的首端为第一信号采集端，第二线圈的末端为第二信号采集端；第一信号采集端和第二信号采集端分别与硬件电路系统中的功率放大与信号处理模块中的信号处理电路的输入端相连接；

所述活动端子内部的磁铁采用“halbach”磁铁阵列，该磁铁阵列由三个圆环磁铁组成，三个圆环磁铁的结构大小相同，其中两个磁铁的充磁方向为径向充磁，另外一个磁铁的充磁方向为轴向充磁；轴向充磁的磁铁放在中间，径向充磁的磁铁放在轴向充磁的磁铁的两边，且两个径向充磁的磁铁中心处的磁感线方向与轴向充磁的磁铁的磁感线方向相同。

上述磁致伸缩微位移计，所述的波导丝为Fe-Ga合金。

上述磁致伸缩微位移计，所述Fe-Ga合金中镓元素占合金总质量的17％，铁元素为83％。

上述磁致伸缩微位移计，所述活动端子设有圆筒形活动端子外壳，三个圆环磁铁放入活动端子外壳中，活动端子外壳的下端固定在直线导轨的滑块上。

上述磁致伸缩微位移计，所述位移计端部为正方体空腔结构。

本发明的有益效果为：磁致伸缩式微位移计采用磁场易于饱和、磁致伸缩系数大的Fe-Ga材料作为波导丝，在驱动脉冲电压较低的情况下，磁致伸缩Fe-Ga合金能够获得较大的弹性波，从而获得较大的检测电压；提高了检测信号的质量和微位移计的精度。另外，Fe-Ga材料的温度特性好，能在较恶劣的环境下稳定工作；检测装置采用线圈检测方式，成本低廉且方便绕制，并且线圈采用双组并行同向绕制的差分信号的检测线圈方式，提高了检测信号的幅值，克服了单组线圈检测中存在的信噪比较低的问题；活动端子内部的磁铁采用“halbach”磁铁阵列结构，即使用了三块相邻极性依次相差90度的圆环永磁体堆叠成磁体阵列，使得磁场极大程度地集中在磁体的内环，该阵列能够使内部波导丝的磁场比同等尺寸单个磁铁大两倍以上，而且在波导丝内部产生的磁场更均匀，可以为位移计提供稳定的轴向磁场，并且可以提高轴向磁场的磁感应强度，提高了磁场利用率，并且活动端子内部的三块磁铁总长度约为4.5mm，可以减少磁铁的长度对检测信号的影响；使用了直线导轨作为活动端子的运动部件，使运动摩擦力比较小。在实验中经测试，双组线圈中每组采用线径为0.06mm的漆包线绕制400匝得到的检测信号最优，能提供高达±0.1％F.S的测量精度。

附图说明

图1本发明磁致伸缩微位移计一种实施例的主视剖面结构示意图。

图2本发明磁致伸缩微位移计一种实施例的活动端子10的剖面结构示意图。

图3本发明磁致伸缩微位移计一种实施例的检测装置6的结构示意图。

图4本发明磁致伸缩微位移计一种实施例的活动端子10内部磁铁的结构示意图。

图5本发明磁致伸缩微位移计的工作原理图。

图6实验结果图。

其中，1-位移计端部、2-位移计底座、3-硬件电路系统、4-前阻尼装置、5-后阻尼装置、6-检测装置、7-波导丝、8-返回导线、9-测量杆、10-活动端子、11-固定装置、12-塑料套管、13-第一线圈、14-第二线圈、15-公共端、16-线圈骨架、17-第一磁铁、18-第二磁铁、19-第三磁铁、31-第一信号采集端、32-第一线圈的末端、33-第二线圈的首端、34-第二信号采集端、35-直线导轨、36-滑块、37-活动端子外壳。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详述。本实施例及其附图仅为对本发明的具体说明，不视为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明磁致伸缩微位移计(简称位移计，参见图1-4)包括位移计端部1、位移计底座2、测量杆9、波导丝7、直线导轨35和活动端子10，所述位移计端部1为空腔结构，在空腔结构的内壁上安装有硬件电路系统3，在空腔结构的腔体内设有前阻尼装置4、检测装置6和固定装置11；位移计端部1的右侧底部与位移计底座2相连，位移计底座2的作用是为活动端子10提供支撑并且将整个位移计固定在需要检测的外部机械装置上；在位移计端部1的右侧中心设有螺纹孔，测量杆9左端与位移计端部1的螺纹孔进行螺纹连接；所述活动端子10套在测量杆9上，直线导轨35沿长度方向固定在位移计底座2上，直线导轨35上装有滑块36，滑块36上端与活动端子10的下端相连接，滑块36与外部机械装置相连，直线导轨上的滑块36随着外部机械装置的移动而移动；从而带动活动端子10随着直线导轨上的滑块36移动而移动；

所述硬件电路系统3包括电源模块、控制模块、功率放大与信号处理模块三部分，电源模块为控制模块和功率放大与信号处理模块供电，功率放大与信号处理模块包括功率放大电路和信号处理电路两部分，控制模块一方面与功率放大与信号处理模块中的功率放大电路的输入端相连，其作用是将控制模块的单片机生成的驱动电压脉冲送到功率放大电路进行功率放大，另一方面，控制模块与功率放大与信号处理模块中的信号处理电路的输出端相连，其作用是将信号处理电路中的数据送到控制模块中进行处理；控制模块用于生成驱动电压脉冲、处理计时数据并显示位移及采集外界温度，经过单片机分析和比较后，对波导丝7的参数进行温度补偿；功率放大电路用于对控制模块生成的驱动电压脉冲进行功率放大；信号处理电路用于对检测装置6检测的弹性波信号进行滤波、放大、比较处理，包括差分放大电路、比较电路和计时电路；

所述波导丝7的左端依次穿过位移计端部1的螺纹孔、检测装置6中心、前阻尼装置4的中心和固定装置11，波导丝7的最左端与硬件电路系统3的功率放大电路的输出端相连，在固定装置11与波导丝7连接处用螺栓进行固定；位于螺纹孔右侧的波导丝7外部套有两端开口的塑料套管，塑料套管12末端的波导丝7穿过后阻尼装置5的中心与返回导线8相连接，波导丝7通过返回导线8穿过位移计端部1的螺纹孔直接与硬件电路系统3的功率放大与信号处理模块的功率放大电路的输出端连接；套有塑料套管的波导丝装于测量杆9内，且后阻尼装置5和返回导线8均位于塑料套管12的外部且在测量杆9内部；驱动电压脉冲信号通过功率放大电路的输出端加在波导丝7的两端；

所述检测装置6包括第一线圈13、第二线圈14、线圈骨架16和公共端15；第一线圈13和第二线圈14按照相同的绕制方向绕制在线圈骨架16上，线圈骨架16为空心柱体；第一线圈的末端32和第二线圈的首端33相连作为公共端15，此公共端再与信号处理电路的差分放大电路输入端的模拟地端相连，第一线圈的首端为第一信号采集端31，第二线圈的末端为第二信号采集端34；第一信号采集端31和第二信号采集端34分别与硬件电路系统3中的功率放大与信号处理模块中的信号处理电路的输入端相连接，从而将检测的弹性波信号送往信号处理电路进行滤波放大处理；

所述活动端子10内部的磁铁采用“halbach”磁铁阵列，该磁铁阵列由三个圆环磁铁组成，三个圆环磁铁(17-19)的结构大小相同，其中两个磁铁的充磁方向为径向充磁，另外一个磁铁的充磁方向为轴向充磁；轴向充磁的磁铁放在中间，径向充磁的磁铁放在轴向充磁的磁铁的两边，且两个径向充磁的磁铁中心处的磁感线方向与轴向充磁的磁铁的磁感线方向相同。

本发明位移计中的波导丝7可以选用现有的磁致伸缩材料，如铁基合金(如Fe-Ni合金，Fe-Al合金，Fe-Co-V合金等)和铁氧体磁致伸缩材料，选择不同的磁致伸缩材料的位移计在测量精度、量程等方面会有微小区别。本申请中优选Fe-Ga合金，该Fe-Ga合金中镓元素占合金总质量的17％，铁元素为83％。Fe-Ga合金的磁致伸缩系数、磁场灵敏度要比Fe-Ni合金波导丝高很多，在驱动脉冲电压相同的情况下，能够获得较大的弹性波，从而获得较大的检测电压，提高检测信号的质量；在相同的实验条件下，Fe-Ga合金波导丝要比Fe-Ni合金波导丝的检测电压大四倍以上。同时Fe-Ga合金波导丝温度特性优越，克服了Fe-Ni合金材料特性受温度影响较大的问题，能够稳定工作在工况恶劣的环境中。

本发明中位移计端部1的结构可以为正方体空腔结构、长方体空腔结构或半球形空腔结构等任何具有一定空腔结构的端部，且该空腔结构的内壁上必须保证能安放所述的硬件电路系统3的三块电路板，且腔体内具有盛放前阻尼装置4、检测装置6和固定装置11的足够空间。

图1所示实施例表明，本发明磁致伸缩微位移计包括位移计端部1、位移计底座2、测量杆9、波导丝7、直线导轨35和活动端子10，位移计端部1为采用铝合金材料制成的正方体空腔结构，边长为52mm，位移计端部的六个壁厚均为1mm，在正方体空腔结构中具有上、下、左、右四个内壁，其左、上、下内壁上分别焊接有一组卡槽，每组卡槽尺寸为1mm*2mm，每组卡槽对应固定硬件电路系统3中的三块电路板，即左内壁上固定功率放大与信号处理模块电路板，上内壁上固定电源模块电路板，下内壁上固定控制模块电路板。在正方体空腔结构的腔体内设有前阻尼装置4、检测装置6和固定装置11；位移计端部1的右侧底部与位移计底座2相连，位移计底座2也采用铝合金制成，其尺寸为长150mm，宽52mm，高20mm；位移计端部1的右侧中心设有一螺纹孔，用于固定连接测量杆9。前阻尼装置4和后阻尼装置5选择长度为5mm，直径为5mm的圆柱形橡胶套。活动端子10套在测量杆9上，直线导轨35沿长度方向固定在位移计底座2上，直线导轨35上设有滑块36，滑块36上端与活动端子10的下端相连接，滑块36与外部机械装置相连，直线导轨上的滑块36随着外部机械装置的移动而移动；从而带动活动端子10随着直线导轨上的滑块36移动而移动；所述的直线导轨35的长度是120mm，直线导轨35与位移计底座2长度相同，直线导轨35固定在位移计底座2上，直线导轨35上的滑块36的长为10mm，滑块36中心开有6.5mm的凹槽，该凹槽用于嵌放活动端子10。所述波导丝7的左端依次穿过位移计端部1的螺纹孔、检测装置6中心、前阻尼装置4的中心和固定装置11，波导丝7的最左端与硬件电路系统3的功率放大电路的输出端相连，在固定装置11与波导丝7连接处用螺栓进行固定；位于螺纹孔右侧的波导丝7外部套有两端开口的塑料套管12，塑料套管12末端的波导丝7穿过后阻尼装置5的中心与返回导线8相连接，波导丝7通过返回导线8穿过位移计端部1的螺纹孔直接与硬件电路系统3的功率放大与信号处理模块的功率放大电路的输出端连接；套有塑料套管的波导丝装于测量杆9内，且后阻尼装置5和返回导线8均位于塑料套管12的外部且在测量杆9内部。

硬件电路系统3包括三个硬件电路板：电源模块电路板、控制模块电路板、功率放大与信号处理模块电路板，三个硬件电路板可以卡在三组卡槽之中。电源模块通过排线分别连接控制模块、功率放大与信号处理模块的电源端，为控制模块和功率放大与信号处理模块提供稳定的工作电压；控制模块的PWM脉冲信号输出端通过排线连接到功率放大与信号处理模块的功率放大电路的输入端，功率放大电路对控制模块生成的驱动电压脉冲信号进行功率放大，功率放大电路的输出端与波导丝7的两端相连，使功率放大后的激励脉冲作用到波导丝7上，功率放大电路与信号处理电路之间并无物理上的连接关系；信号处理电路的差分放大电路的两个信号输入端连接检测装置6的第一信号采集端31和第二信号采集端34，检测装置6的公共端15连接到信号处理电路的差分放大电路信号输入端的模拟地端，检测装置6的两个信号采集端采集到弹性波信号后便把信号送到信号处理电路，在信号处理电路完成时间计时后，得到的时间数据将会被控制模块读取，经过控制模块的单片机分析处理后在控制模块的液晶上显示活动端子10的位移值。

其中，电源模块、控制模块、功率放大和信号处理模块具体为：

硬件电路系统3中的控制模块用于发射起始脉冲信号、位移显示和监测外界温度，该控制模块的主控制芯片采用ST公司的STM32F103单片机；在控制模块电路板上集成RS232、ISP与JTAG接口，并带有液晶显示模块，液晶显示模块由STM32F103单片机控制；电源模块分为数字电源部分和模拟电源部分，模拟电源部分和数字电源部分可以采用市面较常见的LM7815或LM7805稳压电源芯片；功率放大和信号处理模块中功率放大电路采用典型的推挽式输出结构，由STM32F103单片机输出的5V的PWM脉冲信号作用到功率放大电路的输入端，通过光耦TLP250的隔离，经推挽式结构输出，对电平信号进行功率放大，经过放大后可在波导丝上产生最大可达到26V的PWM脉冲信号；功率放大和信号处理模块中信号处理电路包括差分放大电路、比较电路和计时电路，检测装置6的第一信号采集端31和第二信号采集端34采集到的信号接入信号处理电路的差分放大电路的两个信号输入端，放大后的输出信号作为比较电路的输入信号，经过比较电路之后能够获得5V的电脉冲，此脉冲信号作为计时电路的终止信号，以STM32F103单片机发送驱动脉冲的时刻为计时的起始时间，完成时间计时后，时间数据将会被控制模块读取，同时控制模块监测周围环境的温度，从而对波导丝的磁导率和磁致伸缩系数、弹性波在波导丝内的传播速度等进行修正，然后计算位移并在液晶上显示。其中差分放大电路和比较电路均采用典型的电路结构设计，分别选择OP37芯片和LM393芯片实现功能，计时电路采用的是ACAM公司的TDC-GP2芯片。

图2为活动端子10的剖面图，第一磁铁17、第二磁铁18和第三磁铁19按照上述顺序放入活动端子外壳37内，活动端子外壳37为铝合金材料制成的空心圆环结构，内径10mm，外径24mm，高6.5mm，壁厚为1mm。三块圆环磁铁和活动端子外壳共同构成活动端子10，波导丝7穿过活动端子10的中心，活动端子10下端与直线导轨上的滑块36相连接，滑块36再与外部的机械设备连接，滑块36可以在直线导轨35上自由滑动。当外部机械装置运动时，将带动滑块36和活动端子10移动，从而可以使位移计测量出此机械装置所发生的位移。

图3所示实施例表明，检测装置6采用结构简单、非接触测量、成本低廉的线圈检测方式，检测装置6包括第一线圈13、第二线圈14、线圈骨架16和公共端15；为了减少高频噪声信号的干扰，将第一线圈13和第二线圈14设计成两组并行同相绕制的差分检测线圈形式，即检测线圈为第一线圈13和第二线圈14，第一线圈13和第二线圈14按照相同的绕制方向绕制在线圈骨架16上，线圈骨架16为空心柱体，线圈骨架16采用热稳定性好、膨胀系数小的非铁磁性材料；第一线圈的末端32和第二线圈的首端33相连作为公共端15，然后此公共端再与信号处理电路的差分放大电路的信号输入端的模拟地端相连；第一线圈的首端为第一信号采集端31，第二线圈的末端为第二信号采集端34，第一信号采集端31和第二信号采集端34分别与硬件电路系统3中的功率放大与信号处理模块的信号处理电路的输入端相连接，第一信号采集端31和第二信号采集端34分别为检测信号的输出端，可实现两路差分信号的采集，采用差分放大电路不仅避免了高频噪声信号的干扰，同时还可以增强有效信号的强度。线圈骨架16的内径为1.5mm，外径为3mm，长度为8mm，在线圈骨架16上的两组线圈均为400匝，且两组线圈的线径均为0.06mm的漆包线。

所述波导丝7采用Fe-Ga材料，波导丝7的长度为120mm，直径为0.4mm。测量杆9为一端封闭，一端开口的圆筒型不锈钢管，该圆筒型不锈钢管的长度为120mm、外径为10mm、壁厚1mm；塑料套管12为长100mm，内径为3mm，外径5mm的塑料管。所述的Fe-Ga材料为Fe-Ga合金，Fe-Ga合金具有较大的磁致伸缩系数。本发明中使用的Fe-Ga合金，镓元素占总质量的17％，铁为83％。

图4为活动端子10内部磁铁的立体结构。本发明的活动端子10内部磁铁采用“halbach”磁铁阵列结构。本发明的“Halbach”磁铁阵列结构由三块圆环磁铁组成，这三块圆环磁铁分别为第一磁铁17、第二磁铁18和第三磁铁19；第一磁铁17和第二磁铁19的充磁方向为径向充磁；第一磁铁17的外径为S极，内径为N极；第三磁铁19的外径为N极，内径为S极。第二磁铁18的充磁方向为轴向充磁，其一面为N极，另一面为S极。在磁铁排列时，第二磁铁18放在中间，第一磁铁17和第三19位于第二磁铁18的两面，第一磁铁17放置在第二磁铁18的N极一面，第三磁铁19放置在第二磁铁18的S极一面，这种磁铁配置可以显著的提高圆环磁铁内部的磁场强度，并且得到更加均匀的磁场。从而使位移位移计工作更灵敏，检测信号更明显，检测精度更高。第一磁铁17、第二磁铁18和第三磁铁19的内径均为12mm，外径均为22mm，厚度均为1.5mm。活动端子10套在测量杆9上，位移计工作时，活动端子10可以随着位移的变化而左右移动。

图5为位移计工作原理图。其中，STM32F103单片机可以输出稳定的频率为0～2kHz，占空比为0.5％的PWM脉冲信号，该驱动脉冲被送到硬件电路系统3的功率放大和信号处理模块中的功率放大电路进行功率放大，当STM32F103单片机输出脉冲信号的同时，计时器开始计时，波导丝7的两端连接在功率放大电路的输出端，经过放大后的驱动脉冲信号通过返回导线8作用于波导丝7上，并沿着波导丝7的方向传播，在该激励脉冲的作用下，波导丝7上将会产生环绕波导丝的周向磁场，而活动端子10会在波导丝7上产生沿波导丝的轴向磁场。当两磁场相遇时，会使波导丝产生扭曲形变，从而产生扭转弹性波。弹性波将会以一定的波速向波导丝7的两端传播，当弹性波传播到检测线圈附近时，将会被检测线圈转化为电信号，该电信号经硬件电路系统3的信号处理电路的比较电路处理后形成电脉冲，被送到计时电路中，作为计时的终止信号。弹性波在波导丝7中是以恒速传播的，因此只要测量出脉冲发射与脉冲接收之间的时间间隔，乘以波速，即可得到活动端子的位移量，从而实现位移的测量。由于脉冲电压的频率较高，可以做到实时测量，即只要活动端子移动，就会检测到新的位移量。STM32F103单片机将得到的位移值送到液晶显示模块上，通过液晶显示模块的液晶进行显示，液晶显示模块通过杜邦排线与STM32F103的引脚端口进行连接。

图6为实验结果。在环境温度为25℃的条件下测量位移，当改变活动端子10的位置时，就可以立刻得到弹性波信号从活动端子10传播到检测装置6所需的时间间隔，弹性波信号作为机械波信号，其传播速度是恒定的，大小为2650m/s,因此在实验中得到的时间间隔的基础上乘以弹性波信号的传播速度，就可以测量活动端子的位移量。在实验过程中磁致伸缩微位移计的量程为100mm，活动端子每滑动10mm就记录液晶显示的位移值，并与活动端子实际的位移值相比较，从而可以得到活动端子的检测位移量与实际位移量的关系曲线如图6所示。从图中可以看出，所设计的磁致伸缩微位移位移计的活动端子的检测位移量与实际位移量基本一致，相差很小，测量精度为±0.1％F.S。与其他类型的微位移位移计相比较，本发明所设计的磁致伸缩式微位移计有更高的精度。

本发明中固定装置11主要起固定波导丝7的作用，并为波导丝提供一定大小的预拉力，减小波导丝的形变对检测精度的影响。检测装置6与固定装置11相距一定的距离，在检测装置6和固定装置11之间设置前阻尼装置4。

本发明通过位移计底座将位移计固定在机械设备上，采用上银公司生产的微型直线导轨作为直线导轨，通过螺栓固定在位移计底座上，直线导轨上的滑块一方面与活动端子相连，一方面与外部机械装置上的被测量端相连，只要被测外部机械装置发生微小位移，均会通过滑块36带动活动端子10发生移动，从而可以测出外部机械装置的位移；使用了直线导轨作为活动端子的运动部件，使运动摩擦力比较小；使用了双组并行绕制的差分检测线圈形式，可以减小检测信号的噪声干扰，提高检测信号的信噪比。本发明针对现有的电容式、电感式、雷达式等位移传感器的不足，将磁致伸缩材料Fe-Ga合金应用于位移传感器中，制成新的磁致伸缩位移位移计，该位移计不仅继承了传统位移传感器的优点，同时该位移计可用于量程在10cm以内的微位移测量从而进一步将磁致伸缩位移位移计的应用扩大到微位移领域。本发明特别适合于机械设备中某些装置的行程的微位移测量，测量精度高。

相对于现有的电感式位移传感器，本发明位移计测量的重复性好，寿命长，适用于高频动态测量，对控制模块输出的驱动电压脉冲的频率和幅值要求较低，驱动电压脉冲的频率和幅值不出现较大波动就可以进行动态测量，且该位移计成本较低，结构简单，适于广泛使用。本发明的位移计精度高、免标定、易维护、适用性强，并且克服了上述位移计的缺陷。本发明的核心部件采用的是具有磁致伸缩效应的铁镓合金波导丝，该波导丝物理特性好，受温度等环境因素影响低，位移计测量结果的重复性好。该位移计采用的是无接触测量，活动端子中的磁铁与波导丝是不接触的。理论上说，活动磁铁可以在测量杆上无限次的滑动，进而延长了位移计的使用寿命。

实施例1

本实施例位移计采用上述连接关系，且位移计端部1为半球形空腔结构，在半球形空腔结构的左侧圆周内壁、顶内壁及下内壁上，分别对应固定硬件电路系统3中的三块电路板，即左侧圆周内壁上固定功率放大与信号处理模块电路板，顶内壁上固定电源模块电路板，下内壁上固定控制模块电路板。在半球形空腔结构的腔体内设有前阻尼装置4、检测装置6和固定装置11；位移计端部1的右侧底部与位移计底座2相连；位移计端部1的右侧中心设有一螺纹孔，用于固定连接测量杆9。本实施例中波导丝7为Fe-Ga合金。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (5)

1.一种磁致伸缩微位移计，其特征在于该位移计包括位移计端部、位移计底座、测量杆、波导丝、直线导轨和活动端子，所述位移计端部为空腔结构，在空腔结构的内壁上安装有硬件电路系统，在空腔结构的腔体内设有前阻尼装置、检测装置和固定装置；位移计端部的右侧底部与位移计底座相连；在位移计端部的右侧中心设有螺纹孔，测量杆左端与位移计端部的螺纹孔进行螺纹连接；所述活动端子套在测量杆上，直线导轨沿长度方向固定在位移计底座上，直线导轨上装有滑块，滑块上端与活动端子的下端相连接，滑块与外部机械装置相连，直线导轨上的滑块随着外部机械装置的移动而移动,从而带动活动端子随着直线导轨上的滑块移动而移动；

所述硬件电路系统包括电源模块、控制模块、功率放大与信号处理模块三部分，电源模块为控制模块和功率放大与信号处理模块供电，功率放大与信号处理模块包括功率放大电路和信号处理电路两部分；控制模块一方面与功率放大与信号处理模块中的功率放大电路的输入端相连，另一方面与功率放大与信号处理模块中的信号处理电路的输出端相连；控制模块用于生成驱动电压脉冲、处理计时数据并显示位移及采集外界温度，并经过控制模块的单片机分析和比较后，对波导丝的参数进行温度补偿；功率放大电路用于对控制模块生成的驱动电压脉冲进行功率放大；信号处理电路用于对检测装置检测的弹性波信号进行滤波、放大、比较处理，包括差分放大电路、比较电路和计时电路；

所述波导丝的左端依次穿过位移计端部的螺纹孔、检测装置中心、前阻尼装置的中心和固定装置，波导丝的最左端与硬件电路系统的功率放大电路的输出端相连，在固定装置与波导丝连接处用螺栓进行固定；位于螺纹孔右侧的波导丝外部套有两端开口的塑料套管，塑料套管末端的波导丝穿过后阻尼装置的中心与返回导线相连接，波导丝通过返回导线穿过位移计端部的螺纹孔直接与硬件电路系统的功率放大与信号处理模块的功率放大电路的输出端连接；套有塑料套管的波导丝装于测量杆内，且后阻尼装置和返回导线均位于塑料套管的外部且在测量杆内部；驱动电压脉冲信号通过功率放大电路的输出端加在波导丝的两端；

所述检测装置包括第一线圈、第二线圈、线圈骨架和公共端；第一线圈和第二线圈按照相同的绕制方向绕制在线圈骨架上，线圈骨架为空心柱体；第一线圈的末端和第二线圈的首端相连作为公共端，此公共端再与信号处理电路的差分放大电路输入端的模拟地端相连，第一线圈的首端为第一信号采集端，第二线圈的末端为第二信号采集端；第一信号采集端和第二信号采集端分别与硬件电路系统中的功率放大与信号处理模块中的信号处理电路的输入端相连接；

所述活动端子内部的磁铁采用“halbach”磁铁阵列，该磁铁阵列由三个圆环磁铁组成，三个圆环磁铁的结构大小相同，其中两个磁铁的充磁方向为径向充磁，另外一个磁铁的充磁方向为轴向充磁；轴向充磁的磁铁放在中间，径向充磁的磁铁放在轴向充磁的磁铁的两边，且两个径向充磁的磁铁中心处的磁感线方向与轴向充磁的磁铁的磁感线方向相同。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩微位移计，其特征在于所述的波导丝为Fe-Ga合金。

3.根据权利要求2所述的磁致伸缩微位移计，其特征在于所述Fe-Ga合金中镓元素占合金总质量的17％，铁元素为83％。

4.根据权利要求1所述的磁致伸缩微位移计，其特征在于所述活动端子设有圆筒形活动端子外壳，三个圆环磁铁放入活动端子外壳中，活动端子外壳的下端固定在直线导轨的滑块上。

5.根据权利要求1-4任一所述的磁致伸缩微位移计，其特征在于所述位移计端部为正方体空腔结构。