基于單片機(jī)的磁致伸縮位移傳感器的應(yīng)用
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引言
磁致伸縮位移傳感器是根據(jù)磁致伸縮原理制造的高精度、長(zhǎng)行程絕對(duì)位置測(cè)量的位移傳感器。它采用非接觸的測(cè)量方式，由于測(cè)量用的活動(dòng)磁環(huán)和傳感器自身并無(wú)直接接觸，不至于被磨擦、磨損，因而其使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可靠性高，安全性好，便于系統(tǒng)自動(dòng)化工作，即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境下（如容易受油潰、塵?；蚱渌奈廴緢?chǎng)合），也能正常工作。此外，它還能承受高溫、高壓和強(qiáng)振動(dòng)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械位移的測(cè)量、控制中，但這種測(cè)量方法存在一些不足之處：①模擬信號(hào)抗干擾能力有限，不能遠(yuǎn)距離傳輸；②由于電路轉(zhuǎn)換引入噪聲，使其測(cè)量精度不高；③信號(hào)互換性差，還需要昂貴的Ａ／Ｄ互換設(shè)備等。利用單片機(jī)及其外圍電路進(jìn)行較好的處理，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)高精度測(cè)量，并通過(guò)ＲＳ－４８５串行通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸及接入工業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。另外，由于采用ＰＩＣ低功耗單片機(jī)及其他低功耗芯片，優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)功耗大大降低。
?。?磁致伸縮位移傳感器簡(jiǎn)介
１．１ 傳感器的結(jié)構(gòu)
磁致伸縮位移傳感器由兩部分組成：一部分是套有活動(dòng)磁鐵的測(cè)量桿；另一部分是位于測(cè)量桿上端的測(cè)量電路。磁致伸縮位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖１所示。圖１中，磁致伸縮位移傳感器主要包括以下幾部分：波導(dǎo)絲、保護(hù)管套、移動(dòng)磁鐵、電路板部分。測(cè)量管是整個(gè)傳感器的核心傳感部分，這一部分又包括：偏置磁鐵、波導(dǎo)絲、保護(hù)管套、末端衰減阻尼裝置、非接觸磁環(huán)、轉(zhuǎn)換器輸出。
?。保?傳感器的工作原理
磁致伸縮線被安裝在不銹鋼管內(nèi)，鋼管外側(cè)可自由滑動(dòng)，電子裝置中的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電流脈沖（起始脈沖）并沿波導(dǎo)線傳播，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與活動(dòng)磁環(huán)固有的磁場(chǎng)矢量疊加，形成螺旋磁場(chǎng)，產(chǎn)生瞬時(shí)扭力，使波導(dǎo)線扭動(dòng)并產(chǎn)生張力脈沖（波導(dǎo)脈沖），這個(gè)脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)傳回，在線圈（轉(zhuǎn)換器）兩端產(chǎn)生感應(yīng)脈沖（終止脈沖），通過(guò)測(cè)量起始脈沖與終止脈沖之間的時(shí)間差就可以精確地確定被測(cè)位移量。如圖２所示。因?yàn)閺埩γ}沖在波導(dǎo)管上的速度恒定，用測(cè)得的時(shí)間差乘以此速度，得出磁環(huán)的位置。這個(gè)過(guò)程是連續(xù)不斷的，每當(dāng)磁環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，新的位置就會(huì)被感測(cè)出來(lái)。
１．３ 信號(hào)特點(diǎn)及存在的問(wèn)題
目前，要想直接測(cè)量傳感器起始、終止脈沖的時(shí)間間隔，得到準(zhǔn)確的位置量，不易實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段采用的方法是，把兩個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為正比于磁環(huán)位置的ＰＷＭ信號(hào)，然后以電流環(huán)的形式輸出。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，傳感器內(nèi)電流脈沖和感應(yīng)脈沖會(huì)對(duì)輸出信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾；并且傳感器本身的磁性材料感應(yīng)的磁場(chǎng)與波導(dǎo)管內(nèi)的電流之間不可避免地會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（ＥＭＩＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ），使得測(cè)量所得的輸出信號(hào)有一定程度的畸變，如圖３所示，即是將傳感器的電流環(huán)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)得到的波形。另外，如果需要在同一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)使用幾個(gè)磁致伸縮位移傳感器進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，傳感器相互之間也會(huì)有干擾。這些干擾信號(hào)的存在使得控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能不好，對(duì)精度高、響應(yīng)頻率快的控制系統(tǒng)而言，其影響程度是很明顯的，會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定，必須予以消除。設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)，將處理后得到的穩(wěn)定的輸出信號(hào)，以數(shù)字信號(hào)的形式直接通過(guò)遠(yuǎn)程通信傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，使得該類(lèi)型磁致伸縮位移傳感器輸出信號(hào)穩(wěn)定、精度高、傳輸距離遠(yuǎn)，與控制系統(tǒng)接口簡(jiǎn)單、互換性好、實(shí)用性強(qiáng)，使傳感器更具智能化，整體性能得到極大的優(yōu)化提高。
?。?在位移測(cè)量中的應(yīng)用
２．１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
磁致伸縮位移傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖４所示。由于磁致伸縮位移傳感器采用符合工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)的４～２０ｍＡ電流環(huán)輸出的形式，故需要先把傳感器的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再采集出來(lái)進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，然后輸出給單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理以及通信處理，最后將理想的傳感器信號(hào)以二進(jìn)制方式傳送給液晶示屏和ＰＣ機(jī)。傳感器的電路是由敏感元件頭、接收電路、信號(hào)整形電路、參數(shù)校正輸入電路、計(jì)算機(jī)處理電路、顯示電路、測(cè)量參數(shù)輸出電路等組成。
?。玻?微處理電路
單片機(jī)選用ＡＴＭＥＬ公司基于ＣＭＯＳ工藝的８位微處理器ＡＴ８９Ｃ４０５１，與ＭＣＳ－５１產(chǎn)品系列的指令完全兼容，片內(nèi)含有４ｋｂ的ＦｌａｓｈＥＰＲＯＭ，它最突出的特點(diǎn)是芯片體
積小，只有２０個(gè)引腳，特別適合于小型化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。另外，ＡＴ８９Ｃ４０５１價(jià)格便宜，性價(jià)比較高。
?。玻?信號(hào)整形電路
采用基于抽取被測(cè)信號(hào)特征量的滑動(dòng)數(shù)字濾波算法。如圖３所示，就是磁環(huán)在靜止?fàn)顟B(tài)下，傳感器輸出的模擬信號(hào)波形。可以看出，在測(cè)量穩(wěn)定值上疊加有一個(gè)頻率較高的干擾信號(hào)存在，其最大峰－峰值約為２５ｍＶ，周期為４４０μｓ。如果直接將單次測(cè)量值采樣傳送給控制器，在高精度的測(cè)量場(chǎng)合下，隨機(jī)得到非正常測(cè)量值的幾率是比較高的，最大誤差為１２個(gè)ＬＳＢ。因此，最好是對(duì)某一位移量進(jìn)行連續(xù)的多次測(cè)量，得到一組Ｎ個(gè)測(cè)量值，并使這組測(cè)量值包含一個(gè)干擾周期，便從中獲得一個(gè)能夠代表正確值的測(cè)量值。信號(hào)整形電路的結(jié)構(gòu)包括測(cè)量運(yùn)算放大器、光電耦合器；功能是對(duì)測(cè)量放大信號(hào)整形后送計(jì)算機(jī)。８９Ｃ４０５１是系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理的核心部分，它的主頻工作在１１．０５９２ＭＨｚ，包括有一個(gè)外圍復(fù)位電路。主要用于完成控制Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、向主機(jī)和ＬＣＤ以串行方式發(fā)送數(shù)據(jù)等幾個(gè)方面的功能。用單片機(jī)的Ｐ３口作為Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換及通信的控制線。在讀?。粒霓D(zhuǎn)換值時(shí)，直接用ＰＩ口分兩次讀入１２位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換值。
圖５為使用了數(shù)字化處理系統(tǒng)傳感器的磁環(huán)分別處于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)的測(cè)量特性郟蕁Ｍ跡擔(dān)ǎ幔┍礱饗低秤辛己玫牟飭烤度和穩(wěn)定性，誤差只有１個(gè)ＬＳＢ；圖５（ｂ）表明本系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)測(cè)量特性。
?。玻?參數(shù)輸入矯正電路
矯正電路是由ＭＡＸ２５Ｃ０４５、鍵盤(pán)和選擇開(kāi)關(guān)組成，功能是對(duì)傳感器的零位、滿量程進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)波導(dǎo)電流脈沖傳遞速度設(shè)定和參數(shù)存儲(chǔ)。
?。玻?顯示電路
主要根據(jù)ＬＣＤ顯示器的結(jié)構(gòu)與原理，把要顯示的數(shù)字對(duì)應(yīng)的碼轉(zhuǎn)換寫(xiě)出，即寫(xiě)出對(duì)應(yīng)的段選碼表，從顯示主程序中調(diào)用該表，就可以在ＬＣＤ上顯示出傳感器的輸出變化值。
?。玻?測(cè)量參數(shù)輸出電路
數(shù)據(jù)輸出包括１２ｂｉｔ高速Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換芯片ＭＡＸ５３０２及運(yùn)算放大器輸出０～５Ｖ，０～１０Ｖ，０～１０ｍＡ，４～２０ｍＡ的測(cè)量數(shù)據(jù)；二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出包括４８５接口芯片ＭＡＸ１４２８輸出二進(jìn)制測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳遞距離可達(dá)１０００ｍ以上。
３ 磁致伸縮位移傳感器的發(fā)展方向
ＭＴＳ公司正在研制的ＴｅｍｐｏｓｏｎｉｃｓＥＲ型位移傳感器代表了磁致伸縮位移傳感器的發(fā)展方向。ＴｅｍｐｏｓｏｎｉｃｓＥＲ型位移傳感器是磁致伸縮測(cè)量原則，利用對(duì)超聲波（傳感器產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波脈沖）精確的速度、時(shí)間測(cè)量計(jì)算出目標(biāo)位置。傳感器通過(guò)處理信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程將測(cè)量結(jié)果直接轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出量。磁致伸縮位移傳感器已向著測(cè)量距離長(zhǎng)、測(cè)量精度高的方向發(fā)展。未來(lái)采用模塊化設(shè)計(jì)、模塊化組裝、數(shù)字化輸出、抗強(qiáng)電磁干擾和溫度檢測(cè)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，將使該類(lèi)傳感器成本大幅下降，性能顯著提高，應(yīng)用范圍更加廣泛。為滿足傳感器工程化、實(shí)用化要求，傳感器在最?lèi)毫拥墓I(yè)環(huán)境下也具有耐用的特點(diǎn)，無(wú)論所測(cè)的目標(biāo)位置困難與否，傳感器都將根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整并配置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)以適合應(yīng)用系統(tǒng)。傳感器的結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)也有待于突破，并實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)和電子裝置的有效綜合。
４ 結(jié)束語(yǔ)
采用單片機(jī)芯片和ＥＩＡ ＲＳ－４２２／４８５國(guó)際串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)電路，內(nèi)置電子模塊采取超小型電子元件貼面焊接，能使新型磁致伸縮傳感器更加穩(wěn)定、可靠，傳感器的數(shù)據(jù)傳輸距離大大加長(zhǎng)，而且可與ＰＬＣ、計(jì)算機(jī)等直接通訊，節(jié)省了昂貴的變送器、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，從而使用該磁致伸縮傳感器組成的測(cè)控系統(tǒng)更加方便、穩(wěn)定，成本也大大降低。
在提高波導(dǎo)絲的彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)保證其穩(wěn)定的伸縮系數(shù)，是研制敏感元件的關(guān)鍵，也是開(kāi)發(fā)磁致伸縮位移傳感器相當(dāng)重要的一環(huán)，高精度的時(shí)間檢測(cè)技術(shù)和抗惡劣環(huán)境的封裝技術(shù)也不容忽視。磁致伸縮位移傳感器的研究有著廣闊的市場(chǎng)前景。
評(píng)論