磁致位移传感器检测线圈与信号振荡关系研究

以上实验表明：不同磁致伸缩线体在同匝检测线圈方案下进行检测时，材料的变化未引起感应波主频率的较大变化。

表1 同匝异线感应波频率分析结果(kHz)

4、信号振荡与线圈匝数关系的分析

由于影响线圈信号的因素较多，本文对感应波信号振荡的主要影响因素进行了分析。

首先，所检测到的感应波的振荡不应是磁畴偏转振荡的直接反映。由式(1)可知：当电流呈方波波形时，周向磁场随时间的变化亦呈方波波形。如图7所示[4]，如果周向磁场引起的是可逆磁畴变化，磁通量应为O状态对应的磁畴磁通量或A状态对应的磁畴磁通量;如果周向磁场引起的是不可逆磁畴变化，磁通量应为B状态对应的磁畴磁通量或C状态对应的磁畴磁通量。而在定磁场作用下，磁畴将保持一种固定的状态，或在该状态附近。另外，在驱动脉冲电路一定的情况下，驱动脉冲的前沿振荡和后沿振荡是一定的，磁畴即使随驱动脉冲的前沿振荡和后沿振荡波动，其主频值也不会因检测线圈匝数的变化而变化[5-6]。所以，通过线圈检测到的振荡不应该是磁畴偏转振荡的直接反映。

图7 磁化和反磁化过程的各个阶段

其次，所检测到的感应波的振荡不应是由磁致伸缩线体的振荡变化引起的。分析如下：若振荡是由磁致伸缩直线扭转导致的逆磁致伸缩效应引起的磁通量的变化，则：对于相同的磁致伸缩线体，当采用不同的线圈匝数进行检测时，感应波振荡频率不应有较大的变化;对于不同的磁致伸缩线体，采用相同的线圈匝数进行检测时，感应波振荡频率应有较大的差异。而这与实验结果不符。

反之，由实验结果可知，感应波振荡的原因应主要是检测线圈电路的电信号振荡。作者对感应波振荡频率与检测线圈匝数的关系进行理论分析。

理论上，自感系数的计算方法一般比较复杂，实际中常常采用实验方法来测定，简单的情形可以根据毕奥-萨伐尔定律和式(4)进行计算：

Ψ=LI 　　(4)

其中Ψ是磁通匝链数，L是自感系统，I是电流。

对于单匝密绕螺线管有：

L=μ0n2V=μ0N2S/l (5)

其中μ0是真空磁导率，n是单位长度内的匝数，V是螺线管的体积，N是总匝数，S是螺线管的截面积，l是螺线管的长度。

由RLC电路暂态过程相关理论，针对如图8所示的理想电路，对于电路中的振荡信号讨论如下。

图8 LCR电路

电路中的阻尼度为：

(6)

如果电路中的电阻不太大使得λ1，便可视为阻尼振荡，其振荡频率f和周期T在L>>R时有：

(7)

(8)

由公式(5)、(7)、(8)可得：

(9)

(10)

对于本文所讨论的线圈，在匝数N变化时，截面积S和分布电容C也会发生变化。由前述实验可知，引起感应波信号振荡的主要因素应为检测线圈本身，当截面积S和分布电容C随线圈匝数变化较小时可近似为常量，此时即有：感应波信号振荡频率与线圈匝数成反比关系，感应波信号振荡周期与线圈匝数成正比关系。

5、结论

本文通过实验确定了在通过检测线圈检测磁致伸缩直线位移传感器的信号波形时，所得到的波形主要是感应波形和弹性波形，其中引起感应波的主要是磁致伸缩效应下磁畴的偏转和磁畴壁的位移，但感应波信号的前沿振荡和后沿振荡并不是磁畴变化的直接反映，而是与检测线圈匝数有关的量。分析可知，感应波信号振荡频率与线圈匝数成反比关系。该结论为进一步提高传感器系统的检测精度和检测范围，规避检测线圈对检测信号的负面影响，提供了实验数据和理论基础。

参考文献

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