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摘 要： 介绍磁致伸缩位移传感器的工作原理和小位移参数的测量方法。该传感器有精度高、寿命长、安装简便的特点。对各种位移量变化的测量是自行火炮性能检测的重要内容，针对现有测试方法存在的不足，提出了基于磁致位移传感器的位移量测试系统并应用于自行火炮性能测试中，通过实验得出：该方法使用操作方便、测量准确、自动化程度高，应用范围广。
关键词： 磁致伸缩；性能测试；位移传感器
【中图分类号】 TP271+.4
【文献标识码】 B
【文章编号】 2236-1879（2017）15-0237-01
0 引言
对小位移量的测量广泛存在于自行火炮、坦克、起重类工程装备的性能检查中。在某型突击炮火控系统性能检测的各项指标中刚度、低速调炮速度、漂移速度等是其中的重要内容。此类测试量均属于小位移量检测。目前，火炮生产厂家、部队和大修厂对上述项目采用秒表、坐標靶板结合人工记录的方法。自动化程度低、测试准备时间长、测量精度难以保证。国内相关院所研发了一些诸如拉线式位移测量设备，在保证精度的前提下可以实现自动化测量，但测量设备的安装繁琐、附件较多。部队急需的是安装简单、附件少、操作容易的便携型检测设备。本文提出了一种利用磁致位移传感器测量火炮位移量参数的新型便携检测设备的方法。
1 磁致位移传感器的工作原理
磁致位移传感器基于磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应。铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩，铁磁材料受到机械应力之后，其磁化状态也会发生改变，称之为逆磁致伸缩效应。材料在磁化状态下长度的变化称为线磁致伸缩，体积的变化称为体磁致伸缩，通常研究的磁致伸缩是指线磁致伸缩，其大小用磁致伸缩系数来描述。
磁致位移传感器的位置磁铁装在运动部件上，而传感器主体则装在一个固定部件上。传感器工作时，脉冲发生器A发给磁致波导钢丝激励脉冲电流i，该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝的旋转磁场。位置磁铁也产生一个固定的磁场。当两个磁场相交时，根据Widemanm效应，金属随其瞬间变形产生波导扭曲，使波导钢丝产生磁致弹性伸缩，即形成一个磁致旋转波（应变波）。该波的传播速度和波导管的剪切弹性模量G，波导管密度ρ有关。由于G和ρ均为恒定（对于一定的波导管来说）的，所以传播速度也恒定。经过计算该旋转波沿着波导钢丝以恒定速度向两边传播，当它传到波导钢丝一端的波检测器B时被转换成电信号。通过测量磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间t就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。这样，位置磁铁和波导丝产生相对运动，通过磁致位移传感器就可以确定位置磁铁的位置和速度。
L=vt
式中：t为发射脉冲与反射脉冲的时间差，v为旋转波的波速，L为磁铁和波检测器间距。该传感器系统属于绝对测量系统。位置磁铁的位置可自动确定，断电对测量精度不造成任何影响。
2 位移量的测量方法
在实际测量中，测量的在一段时间内位置磁铁移动的距离，即：ΔL=vt1-vt2=vΔt。因此，只要选择一个时间起点（往往是程序运行开始点），通过计时Δt就可得到位置磁铁移动的距离ΔL。Δt是磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间差，该时间差的测量精度决定了位置测量的精度。对该时间的测量采用的是脉冲计数法。这样得到的移动距离单位为mm。脉冲电流发生器向波导丝发出激励电流，位置磁铁的固定磁场和激励电流磁场合成后作用在波导丝上形成应力信号，该信号在波检测器内感应出电信号并对此信号放大和整形然后在比较器内和参考电平比较，超过参考电平则发出触发信号给FPGA处理器计数，处理器将计数值（时间）和传输速率v值做乘法运算后得到瞬时位移值，然后将此值在RS485串口输出。
3 磁致位移传感器性能
该传感器可以实现非接触、绝对式测量，具有高精度、大量程的特点，传感器能承受高振荡的环境。传感器输出信号为绝对数值，所以即使电源中断重接也不会对数据接收构成问题，更无需重新调整零位。由于传感器组件都是非接触的，所以即使测量过程理不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。传感器的线性度为0.387%，重复性误差为±0.287%，分辨力0.05mm。测量范围为50mm～20000mm，多位置测量、输出信号模式为模拟量SSI，RS485，RS422，PWM等，使用温度范围-40℃～+85℃。
4 在自行火炮性能测试应用举例
某型突击炮火控系统性能检查中的许多指标为位移量。而刚度、低速调炮速度、漂移速度极其微小也可以转换为位移量检测。测量微小的位移量参数采用了位移变换器。位移变换器由磁致位移传感器、传感器座、炮身箍和位置磁钢组成。
磁致位移传感器固定在磁力传感器基座上并将基座安装在车体上甲板上。套箍固定在身管中部的环槽中。套箍上安装了位置磁钢，位置磁钢套住磁致伸缩传感器的波导钢丝套杆。输出信号电缆与工控机连接。
测量时通过系统软件的运算可以计算出水平和垂直方向上炮身运动角速度。例如：根据火炮的技术检验规范：水平方向漂移速度≯25mil/min，垂直方向最大瞄准速度4.5-6°/s（75-100mil/s）。
测量炮身的水平方向漂移速度时，检测开始后计算机对位移传感器传来的信号采样一段时间后停止，同时绘制出漂移速度曲线并计算出在此时间间隔内的平均实际漂移速度为7.255mil/min，符合技术检验规范的要求。
5 结束语
磁致伸缩传感器是基于磁致伸缩效应的新型位移传感器。该传感器具有非接触、绝对式测量，高精度、量程大和环境适应性好的特点。将磁致位移传感器应用在自行火炮性能检测中，使刚度、低速调炮速度、漂移速度等困扰部队的检测项目实现了准确、高效地测量。经过大量实装测试证明，该方法适合于对自行火炮、坦克部分工程装备所涉及的小位移量相关性能指标进行检测，适用范围较广。
参考文献
[1] 王学凤，张志杰，孙昕等.磁致伸缩测量仪[J].物理实验，2013，33（3）：14-17.
[2] 王宏德，高峰.高灵敏度位移传感器测量超磁致伸缩系数[J].实验技术与管理，2012，29（12）：36-38.
[3] 李怀洲，孙海燕，罗祖顺，杨永才.磁致伸缩位移传感器的研究与应用[J].电气自动化，2005，27（5）：58-59
关键词： 磁致伸缩；性能测试；位移传感器
【中图分类号】 TP271+.4
【文献标识码】 B
【文章编号】 2236-1879（2017）15-0237-01
0 引言
对小位移量的测量广泛存在于自行火炮、坦克、起重类工程装备的性能检查中。在某型突击炮火控系统性能检测的各项指标中刚度、低速调炮速度、漂移速度等是其中的重要内容。此类测试量均属于小位移量检测。目前，火炮生产厂家、部队和大修厂对上述项目采用秒表、坐標靶板结合人工记录的方法。自动化程度低、测试准备时间长、测量精度难以保证。国内相关院所研发了一些诸如拉线式位移测量设备，在保证精度的前提下可以实现自动化测量，但测量设备的安装繁琐、附件较多。部队急需的是安装简单、附件少、操作容易的便携型检测设备。本文提出了一种利用磁致位移传感器测量火炮位移量参数的新型便携检测设备的方法。
1 磁致位移传感器的工作原理
磁致位移传感器基于磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应。铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩，铁磁材料受到机械应力之后，其磁化状态也会发生改变，称之为逆磁致伸缩效应。材料在磁化状态下长度的变化称为线磁致伸缩，体积的变化称为体磁致伸缩，通常研究的磁致伸缩是指线磁致伸缩，其大小用磁致伸缩系数来描述。
磁致位移传感器的位置磁铁装在运动部件上，而传感器主体则装在一个固定部件上。传感器工作时，脉冲发生器A发给磁致波导钢丝激励脉冲电流i，该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝的旋转磁场。位置磁铁也产生一个固定的磁场。当两个磁场相交时，根据Widemanm效应，金属随其瞬间变形产生波导扭曲，使波导钢丝产生磁致弹性伸缩，即形成一个磁致旋转波（应变波）。该波的传播速度和波导管的剪切弹性模量G，波导管密度ρ有关。由于G和ρ均为恒定（对于一定的波导管来说）的，所以传播速度也恒定。经过计算该旋转波沿着波导钢丝以恒定速度向两边传播，当它传到波导钢丝一端的波检测器B时被转换成电信号。通过测量磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间t就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。这样，位置磁铁和波导丝产生相对运动，通过磁致位移传感器就可以确定位置磁铁的位置和速度。
L=vt
式中：t为发射脉冲与反射脉冲的时间差，v为旋转波的波速，L为磁铁和波检测器间距。该传感器系统属于绝对测量系统。位置磁铁的位置可自动确定，断电对测量精度不造成任何影响。
2 位移量的测量方法
在实际测量中，测量的在一段时间内位置磁铁移动的距离，即：ΔL=vt1-vt2=vΔt。因此，只要选择一个时间起点（往往是程序运行开始点），通过计时Δt就可得到位置磁铁移动的距离ΔL。Δt是磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间差，该时间差的测量精度决定了位置测量的精度。对该时间的测量采用的是脉冲计数法。这样得到的移动距离单位为mm。脉冲电流发生器向波导丝发出激励电流，位置磁铁的固定磁场和激励电流磁场合成后作用在波导丝上形成应力信号，该信号在波检测器内感应出电信号并对此信号放大和整形然后在比较器内和参考电平比较，超过参考电平则发出触发信号给FPGA处理器计数，处理器将计数值（时间）和传输速率v值做乘法运算后得到瞬时位移值，然后将此值在RS485串口输出。
3 磁致位移传感器性能
该传感器可以实现非接触、绝对式测量，具有高精度、大量程的特点，传感器能承受高振荡的环境。传感器输出信号为绝对数值，所以即使电源中断重接也不会对数据接收构成问题，更无需重新调整零位。由于传感器组件都是非接触的，所以即使测量过程理不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。传感器的线性度为0.387%，重复性误差为±0.287%，分辨力0.05mm。测量范围为50mm～20000mm，多位置测量、输出信号模式为模拟量SSI，RS485，RS422，PWM等，使用温度范围-40℃～+85℃。
4 在自行火炮性能测试应用举例
某型突击炮火控系统性能检查中的许多指标为位移量。而刚度、低速调炮速度、漂移速度极其微小也可以转换为位移量检测。测量微小的位移量参数采用了位移变换器。位移变换器由磁致位移传感器、传感器座、炮身箍和位置磁钢组成。
磁致位移传感器固定在磁力传感器基座上并将基座安装在车体上甲板上。套箍固定在身管中部的环槽中。套箍上安装了位置磁钢，位置磁钢套住磁致伸缩传感器的波导钢丝套杆。输出信号电缆与工控机连接。
测量时通过系统软件的运算可以计算出水平和垂直方向上炮身运动角速度。例如：根据火炮的技术检验规范：水平方向漂移速度≯25mil/min，垂直方向最大瞄准速度4.5-6°/s（75-100mil/s）。
测量炮身的水平方向漂移速度时，检测开始后计算机对位移传感器传来的信号采样一段时间后停止，同时绘制出漂移速度曲线并计算出在此时间间隔内的平均实际漂移速度为7.255mil/min，符合技术检验规范的要求。
5 结束语
磁致伸缩传感器是基于磁致伸缩效应的新型位移传感器。该传感器具有非接触、绝对式测量，高精度、量程大和环境适应性好的特点。将磁致位移传感器应用在自行火炮性能检测中，使刚度、低速调炮速度、漂移速度等困扰部队的检测项目实现了准确、高效地测量。经过大量实装测试证明，该方法适合于对自行火炮、坦克部分工程装备所涉及的小位移量相关性能指标进行检测，适用范围较广。
参考文献
[1] 王学凤，张志杰，孙昕等.磁致伸缩测量仪[J].物理实验，2013，33（3）：14-17.
[2] 王宏德，高峰.高灵敏度位移传感器测量超磁致伸缩系数[J].实验技术与管理，2012，29（12）：36-38.
[3] 李怀洲，孙海燕，罗祖顺，杨永才.磁致伸缩位移传感器的研究与应用[J].电气自动化，2005，27（5）：58-59