磁致伸缩位移传感器在煤炭运输汽车减震器中的应用研究

[摘 要] 磁致伸缩位移传感器具有使用寿命长等特点，因此在工业别是在煤炭运输中有着广泛的应用，中汽车制造商们长期致力于改善汽车的驾驶平顺性，提高其乘坐舒适性，其中减震器是一项重要装置。本文设计的应用于汽车减震器中的磁致伸缩位移传感器能够很好的测量汽车在行驶过程中减震器的震动幅度，从而为汽车制造商的下一步工作提供有力参考。对减震器的实验结果证实了内嵌入其中的磁致伸缩位移传感器的良好性能。

[关键词] 磁致伸缩； 位移传感器； 汽车减震器； 震动幅度

[中图分类号] T-19

Abstract： Magnetostrictive transducers have a long operational life， so they are widely used in industry. Automobile manufacturers have been long-term dedicated to providing comfortable drive， the shock absorber is an important device. The magnetostrictive displacement transducer designed in this paper， which is applied in automobile shock absorber， is able to measure the vibration amplitude of shock absorber when the car is in the process of moving， so as to provide a powerful reference for the carmakers. The absorber’s experimental results confirm the good performance of the mangnetostrictive displacement transducer that is embedded in the absorber.

Keywords： Magnetostrictive， Displacement sensors， automobile shock absorber， vibration amplitude.

1 引言

近些年来，随着我国科学技术的进一步发展，电子信息产业取得了长足的进步，位移传感器的应用范围也日益增大。基于磁致伸缩原理设计而成的新型智能化位移传感器――磁致伸缩位移传感器（Magnetostrictive displacement transducer）因其具有高精度、非接触式、使用寿命长且适用于恶劣环境中等优点而被广泛应用于石油化工、航空航天、电力、水利等各种领域，如轮船的各种阀门控制，汽车加油系统，水文监测，各种液罐的液位监测，机械自动化等，特别是应用于航天加油系统中的燃油监测，导弹和航天器的姿态控制，六自由度模拟飞行器系统等领域[1，2]。

长期以来，世界各国的汽车制造商们致力于对提高车身稳定性和乘坐舒适性的研究，汽车工业中的减震器制造商一直为磁致伸缩位移传感器高精度测量、可调输出、非接触式设计等各种高性能特点所吸引，然而截止目前，磁致伸缩位移传感器只能小批量生产决定了其较高的价格，这些高科技装置还只是主要应用于工业自动化中，在汽车工业，尤其是在减震器中较为少见。

本文介绍了磁致伸缩位移传感器的原理及其应用状况，分析了汽车减震器的工作原理，在此基础上设计出一款能够应用于汽车减震器中的磁致伸缩位移传感器，并运用实验对其各项性能指标进行了测试验证。

2 磁致伸缩位移传感器的原理及应用状况

英国著名科学家焦耳（James Prescott Joule）于1842年发现了磁致伸缩效应。所谓磁致伸缩效应，是指磁致伸缩材料在受到外界磁场的作用时，其体积和长度将发生变化的一种现象。1940年，磁致伸缩技术首次成功应用于潜艇声纳测距系统；美国科学家泰勒曼（Jack Tellerman）在1960年向美国政府申请了磁致伸缩位移传感器的专利权[3，4]。

磁致伸缩位移传感器，是利用上文所述的磁致伸缩原理，通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号，通过测量应变脉冲信号沿测量元件传播到参考点的时间来测量位移的，其工作原理示意图如图1所示。

由图1我们可以看出，磁致伸缩位移传感器主要有三个模块组成：测量模块、位置检测模块和测量电路模块。其中测量模块由波导管、波导丝、信号输出端子以及前部阻尼元件组成；位置检测模块由钢环及其内嵌的永磁铁块组成，其中钢环的外径可以根据实际需要进行改变；测量电路模块由信号输入接口、信号输出接口、电源接口以及信号发生和采集电路组成。

磁致伸缩位移传感器的核心敏感元件是位于测量元件（波导管）内的、由特殊磁致伸缩材料制成的一根波导丝，该材料在现代工业界享有“黑色黄金”之称，具有应变值高、电（磁）机械波转换能力强等特点，能将微小的磁场变化转变为机械波。当电子探头中脉冲发生器产生的电流脉冲沿波导管内的波导丝传播时，会在波导管外伴随产生一个环形磁场，当该环形磁场与磁环的固有磁场相遇时，二者会发生相互作用，此时，由于磁致伸缩效应，在波导管内产生一个机械扭力波感应脉冲，这个机械扭力波感应脉冲以固定的音速传播，并很快被电子探头所检测到。由于该机械扭力波在波导管内的传播时间和磁环与电子探头之间的距离成正比，于是通过测量发电脉冲与机械扭力波感应脉冲返回之间的时间差，就可以精确地计算出磁环所在位置[5，6]。

由于测量用的磁环和传感器自身并无直接接触，即使测量过程是无限重复的也不至于被摩擦、损耗，因此磁致伸缩位移传感器使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，便于系统自动化工作，即使在恶劣的环境下（易燃、易爆、易挥发、腐蚀场合）也能正常工作。此外，由于传感器的输出信号是一绝对值，因此即使电源中断、重接也不会对数据收集造成影响，也无需重新调整零位。正因如此，磁致伸缩位移传感器被广泛应用于各种行业，下面所列图2―图4是传感器在现实中的应用示例[7]。

3 汽车减震器的工作原理

汽车在行驶过程中，悬架系统中的弹性元件会因路面颠簸等原因而产生振动，为改善汽车行驶的平稳性，提高其乘坐舒适性，通常在汽车悬架中与弹性元件并联安装有减震器。减震器与弹性元件相连，共同起着减震的作用。

减震器的种类多种多样，目前在汽车悬架系统中应用最多的是筒式减震器，筒式减震器又可分为单向作用和双向作用筒式减震器，下面就以双向筒式减震器为例，分析汽车减震器的工作原理。

当汽车车身靠近车轮时，减震器受压缩，图示中活塞3向下移动，造成活塞下腔室的油压升高，油液流经流通阀8流到活塞上面的腔室。而上腔因为有活塞杆1的存在，所以增加的容积小于下腔减小的容积，因此一部分油液将经压缩阀6流回贮油缸5。当汽车车身远离车轮时，减震器受拉伸，此时活塞3向上移动，上腔油压随之升高，流通阀8处于关闭状态，上腔内的油液便经伸张阀4流入下腔。由于活塞杆1的存在，下腔会产生一真空度，这时储油缸中的油液便推开补偿阀7进入下腔。

在减震器压缩和拉伸过程中，这些阀对油的节流作用便形成悬架在运动时的阻尼力。

4 磁致伸缩位移传感器在汽车减震器中的应用开发

5 结论

基于磁致伸缩效应的位移传感器因其结构特点而受到各行业的青睐，汽车减震器的目的在于改善驾驶平顺性，提高乘坐的舒适性。本文设计的应用于汽车减震器中的磁致伸缩位移传感器能够很好的测量汽车在行驶过程中减震器的震动幅度，从而为致力于改进汽车综合性能的汽车制造商们提供有效参考。

对减震器的实验结果证实了内嵌入其中的磁致伸缩位移传感器具有良好的性能：线性度为0.368%FS，迟滞为0.185%FS，重复性误差为 ± 0.293%FS。

[参考文献]

[1] 李春楠，卢 云，兰中文，杨邦朝.磁致伸缩位移传感器的研究进展[J].实验科学与技术，2008，2：10-12.

[2] 鲍 芳，李继容，王春茹.磁致伸缩器件及其应用研究[J].传感器技术，2001，20（8）：1-8.

[3] 胡明哲，李 强，李银祥等.磁制伸缩材料的特性及其应用研究[J].稀有金属材料与工程 2000，29（6）：20-56.

[4] 严 密，彭晓领.磁学基础与磁性材料[M].杭州：浙江大学出版社，2006：6-32.

[5] Park H.J. and Park Y.W. Development of Inverse Magnetostrictive Actuator[J].IEEE Transactions on Magnetics.，2008， 11（44）：18-35.

[6] Frederick.Overview of magnetostrictive Sensor technology[J]. American institute of aeronautics&astronautics，1999， 26：56-73.

[7] Fernando See， Jose Miguel Martin.Hysteresis compensation in a magnetostrictive linear position sensor[J]. Sensors and Actuators， 2004：34-50.