Fe83 Ga17 磁致伸缩位移传感器激励信号的 ANSYS 分析及 DSP 实现
磁致伸缩材料是目前制约国产磁致伸缩位移传感器量程拓展的关键因素。为了突破量程局限，在传感器波导丝材料上做了改进，摒弃了 feni 材料，采用 fe83 ga17新型磁致伸缩材料，并用 ansys 对这种新型磁致伸缩材料的激励磁场特性进行分析，进而从理论上验证新型材料应用在信号激励上的可行性。在完成激励磁场的 ansys 分析以后，利用 dsp 实现传感器激励信号，可以利用其高速时钟提高 a /d 转换速率以减少时间测量误差; 还可以利用其高速数据处理能力简化硬件，减小温漂的影响。根据其功能，磁致伸缩位移传感器大致可以分为 3 个部分: 信号激励模块，信号传输模块以及信号检测模块。信号激励模块是利用 dsp 产生激励信号，诱导出激励磁场实现威德曼效应的关键; 信号传输模块是利用磁致伸缩效应形成弹性波的核心部分; 信号检测模块是利用逆磁致伸缩效应检测弹性波，实现位移测量的重要环节。信号激励的激励形式直接决定着弹性波的波形状态和扭转方式，因而利用 ansys 和 dsp 分别对信号激励的激励形式进行理论研究和实现，有利于获得准确有效的检测信号，对提高磁致伸缩位移传感器的精度和量程具有积极的意义。
1 信号激励原理
磁致伸缩位移传感器模型，dsp 控制脉冲信号作用于激励脉冲电路，产生的脉冲电流作用波导丝，便会产生一个环形磁场 фi，该环形磁场将沿着波导丝向活动磁铁方向以光速传播; 而活动的永磁铁会在其周围引发一个轴向的稳恒磁场 фm，这两个磁场相交，便会瞬间合成一个螺旋形的扭转磁场ф，根据磁致伸缩效应，波导丝在两个磁场交汇处的部分将会产生瞬间形变，由此形成一个弹性波，该弹性波会以固定的速度向波导丝两边传播。
当弹性波到达检测线圈位置时，一方面会引起线圈的磁畴发生变化，另一方面磁感应强度 b 也会因为逆磁致伸缩效应而发生相应变化。
2 激励磁场的ansys分析
2. 1 波导丝的磁滞回线特性
利用 ansys 分析激励磁场，掌握磁致伸缩材料的磁特性至关重要。在磁场强度为 h 的磁场中对 fe83 ga17 材料进行磁化，该材料的磁感应强度 b 并不是关于磁场强度 h 的单值函数，而是与材料先前的磁场状态相关。伴随着磁场强度 h 的逐步增加，磁感应强度 b 最终将达到饱和状态。可是，当磁场强度 h 逐步减小时，b 随 h 的变化却偏离了最初的起始磁化曲线，并且 b 的变化滞后于 h． 当 h 减小至零时，b 并不减小到零，而是等于剩余磁感应强度 br ． 为达到让 b 减小到零的目的，需要另外施加一个反向磁场，称之为矫顽力 hc，当反向磁场继续减小达到反向饱和状态时，磁感应强度 b 将不再减小。当磁化磁场呈现周期变化时，磁性材料的磁感应强度与磁场强度的关系将是一条闭合线，该曲线即为磁滞回线。
其中，磁滞回线上的矫顽力以及剩余磁化强度是表征磁致伸缩材料磁特性的重要参量。矫顽力 hc 表征永磁材料抵抗外部反向磁场或其它退磁效应的能力，而剩余磁感应强度 br 在数值上是矫顽力的理论极限。在 ansys 仿真分析中，矫顽力和剩余磁化强度是否正确表征直接关系到仿真的成败。
fe83 ga17新型磁致伸缩材料具有磁导率大，矫顽力小，容易磁化，也容易退磁，磁滞回线包围面积小，磁滞损耗小的特点。
2． 2 ansys 处理方法
在对激励磁场特征进行 ansys 仿真处理时，可以采用 gui和命令流两种方法实现，由于激励脉冲信号与直流和一般正弦波不同，所以其处理步骤比较复杂，文中将 gui 实现的关键步骤列出如下:
( 1) 定义单元类型和材料参数。过滤图形界面; 用 sol-id117 作为单元类型 1; 定义材料属性，输入波导丝的 b、h 值。
( 2) 建立模型，划分网格，对模型的不同区域赋予特性。定义分析参数; 创建 rad1 = 0. 0005，rad2 = 0，z2 = 1 的圆柱体;同时用 meshtool 网络工具将波导丝区域进行网格划分，将要划分的单元形状选择四边形“ted”，同时选择自由划分“free”。
( 3) 加边界条件和载荷( 激磁) 。将分析类型改为瞬态，择所建立方体的侧圆施加磁力线平行边界条件; 定义分析类型; 对波导丝施加电流密度，在“jsx，jsy，jsz components”后面的赋值栏中分别输入 0，0 477465
( 4) 求解。分别设置激励电流 2 μs 的斜坡式载荷和 78 μs的 stepped 载荷，并各分为 20 子步，利用 ansys 电磁学运算工具磁场特征值进行计算。
( 5) 后处理。可以在结果文件对话框中对各子步进行查看，选择观察磁场量，就可以直观看出磁场量在波导丝中的情况。
2． 3 ansys 处理结果
根据 ansys 仿真激励磁场，可以得到 dsp 产生的激励电信号作用于波导丝上产生的激励磁感应强度。磁感应线主要集中于波导丝内，这主要是因为激励脉冲电流的非线性引起了激励磁场的非线性，而激励磁场的非线性势必导致径向波导丝中磁场的非均匀分布，加之波导丝是软磁性材料，其线内的磁感应线几乎不会向线外泄漏。
波导丝上的磁致伸缩效应主要是基于激励磁场和磁场的相交引起的微小形变。由图 3 可知，激励磁场主要集中于材料内，这就可以保障磁致伸缩效应产生的弹性波的效果，为后续进一步提高检测信号质量提供依据。
3 激励信号的 dsp 实现
文中在完成对 fe83 ga17新型磁致伸缩材料的激励磁场特性的 ansys 理论研究之后，给出了激发磁致伸缩产生电磁场的激励电信号的具体实现。在简要介绍 dsp 数字信号处理器应用优势的基础上，对激励信号的参数进行了分析，进而最终给出了激励电信号的 dsp 实现，以此实现对激励信号的整体研究。
3. 1 dsp 优势
传统磁致伸缩位移传感器的设计方案大多基于单片机，由于单片机在数据处理方面的局限性，这就要求其必须用大量硬件电路完成传感器的信号处理。由于超声波在传播过程中会因为波导丝的不连续性发生幅值上的衰减，采用硬件比较电路检测的方式，比较器的门限电平是预先设定的，会使翻转时间推后，从而导致单片机测得的激励信号与检测信号的时间差发生偏执，造成较大的测量误差。
dsp 应用于传感器可以充分发挥其高速数据处理能力，不仅可以在灵活调节激励信号的同时开启 a/d 转换计时，保证时间测量的准确性; 还可以利用其优势完成采样、数字滤波、信号检测，从而大大节约了系统的硬件数量，避免了太多硬件电路所造成的电子干扰，同时消除放大器零点漂移带来的影响，进而保证传感器的稳定性。其高速时钟频率大大高于单片机，因而每次 a/d 转换的时间得到了缩短，这就在很大程度上提高了传感器的测量精度。除此之外，dsp 还可以采用在常规数字滤波的过程中加入偏执值的方法，减小环境对检测信号的影响，提高精度。
3. 2 激励信号参数分析
激励信号对检测线圈检测信号的优化起着基础性的作用，基于这点，磁致伸缩位移传感器以脉冲方波为驱动信号。当 dsp 通过事件管理器模块产生脉冲信号作用于脉冲激励电路时，脉冲电流随即产生，假设电流传到波导丝的时间为t1，波导丝因受到脉冲电流的激励产生环形磁场传输到活动磁铁产生磁致伸缩效应的时间为 t2，扭转弹性波产生到被检测线圈接收所用的时间为 t3。显然，脉冲信号发射的时间间隔 t 至少应该大于 t1 + t2 + t3 之和，而电和电场的传播速度约为光速c，远远大于弹性波的传播速度 v( 约为 2. 8 ～ 3. 3 km /s) 。因此， t1 t2 可忽略不计，脉冲信号周期必须大于 t3，根据 t3 = l /v 可知，传感器的测量范围越大，最小激励周期也就越大。此外，脉冲信号周期还受信噪比等因素影响，当脉宽一定，信噪比随着激励周期的增加呈现上升的趋势。
脉冲信号的脉宽直接影响激励脉冲电路产生的脉冲电流的脉宽，根据电磁场理论，磁致伸缩位移传感器的波导管会因过小的电流脉宽而具有过大的截止频率，传感器自身也会因为过大的电流脉宽而具有过高的位移测量误差，因而脉宽的选择不是随意的，必须结合激励周期等因素整体考虑。
综合整个传感器系统设计，激励脉冲信号周期为 4 ms，脉冲宽度为 80 μs 时，传感器检测模块检测到的弹性波信号具有较大峰值和较好效果。
3． 3 dsp 实现
在脉冲信号的产生中，最主要的是设计脉冲的周期、脉冲的占空比。文中采用事件管理寄存器 eva 模块来实现脉冲的产生。用定时器 1 的周期寄存器( t1pr) 来控制脉冲的周期，在外设时钟( hspclk) 和 tps 设置一定的条件下，可以通过调整周期寄存器的值来获得所要的脉冲周期。而脉冲的占空比是用比较寄存器( t1cmpr) 来控制的，在脉冲频率设置好以后即定时器 1 的周期寄存器( t1pr)设置值一定，可以通过调整比较寄存器的设置值来调整占空比。同时，设置 pwm1 高电平有效并且禁止死区。
从工程实践考虑，与运放两输入端相连的外接电阻必须满足平衡条件，即，rf‖r4 = r3 可得 r4 = 9 723 ω，rf = 18 474 ω． bw = f0 /q = 5 khz，滤波器可以有效滤除频率低于 47. 5 khz 及高于 52. 5 khz 的噪声。
4 实验过程与实测数据
为观察电路工作的实际效果，选取了 c30 混凝土( 150 mm × 150 mm × 150 mm) 、中心频率 50 khz ，分 3 种方式对系统进行了测试。
方式一: 单激励脉冲、接收电路增益 26 db( 20 倍) ，改变激励脉冲电压，测量回波信号;
方式二: 激励脉冲电压峰峰值 150 v，接收电路增益 26 db，改变激励脉冲数目，测量回波信号 ;
方式三: 单激励脉冲，激励脉冲电压峰峰值 150 v，改变接收电路增益，测量回波信号。
4 结束语
文中通过采用 fe83 ga17新型磁致伸缩材料替代原来的 feni材料来改进磁致伸缩位移传感器的信号激励部分，以达到提高传感器的测量精度和量程方面的局限，保证其稳定性的目的。
通过对 fe83 ga17材料激励磁场特性的 ansys 仿真分析，证明了新型材料在改进激励磁场特性方面的可行性; 新型材料的应用，有利于改善磁致伸缩效果，为构建理想弹性波，突破国产磁致伸缩位移传感器量程的局限奠定了基础。dsp 数字信号处理器应用于传感器，不仅可以提高激励信号的效果，缩短 a /d转换的时间，提高传感器的精度，还可以减少硬件电路，保证传感器的稳定性。
关键词：传感器
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当弹性波到达检测线圈位置时，一方面会引起线圈的磁畴发生变化，另一方面磁感应强度 b 也会因为逆磁致伸缩效应而发生相应变化。
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2. 1 波导丝的磁滞回线特性
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方式二: 激励脉冲电压峰峰值 150 v，接收电路增益 26 db，改变激励脉冲数目，测量回波信号 ;
方式三: 单激励脉冲，激励脉冲电压峰峰值 150 v，改变接收电路增益，测量回波信号。
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