基于單片機的磁致伸縮位移傳感器的應用
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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、長行程絕對位置測量的位移傳感器。它采用非接觸的測量方式，由于測量用的活動磁環(huán)和傳感器自身并無直接接觸，不至于被磨擦、磨損，因而其使用壽命長、環(huán)境適應能力強，可靠性高，安全性好，便于系統(tǒng)自動化工作，即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境下（如容易受油潰、塵?；蚱渌奈廴緢龊希?，也能正常工作。此外，它還能承受高溫、高壓和強振動，現(xiàn)已被廣泛應用于機械位移的測量、控制中，但這種測量方法存在一些不足之處：①模擬信號抗干擾能力有限，不能遠距離傳輸；②由于電路轉換引入噪聲，使其測量精度不高；③信號互換性差，還需要昂貴的Ａ／Ｄ互換設備等。利用單片機及其外圍電路進行較好的處理，實現(xiàn)了多點高精度測量，并通過ＲＳ－４８５串行通信實現(xiàn)遠距離傳輸及接入工業(yè)監(jiān)測網。另外，由于采用ＰＩＣ低功耗單片機及其他低功耗芯片，優(yōu)化電路結構，使系統(tǒng)功耗大大降低。
?。?磁致伸縮位移傳感器簡介
１．１ 傳感器的結構
磁致伸縮位移傳感器由兩部分組成：一部分是套有活動磁鐵的測量桿；另一部分是位于測量桿上端的測量電路。磁致伸縮位移傳感器的結構如圖１所示。圖１中，磁致伸縮位移傳感器主要包括以下幾部分：波導絲、保護管套、移動磁鐵、電路板部分。測量管是整個傳感器的核心傳感部分，這一部分又包括：偏置磁鐵、波導絲、保護管套、末端衰減阻尼裝置、非接觸磁環(huán)、轉換器輸出。
?。保?傳感器的工作原理
磁致伸縮線被安裝在不銹鋼管內，鋼管外側可自由滑動，電子裝置中的脈沖發(fā)生器產生電流脈沖（起始脈沖）并沿波導線傳播，產生的磁場與活動磁環(huán)固有的磁場矢量疊加，形成螺旋磁場，產生瞬時扭力，使波導線扭動并產生張力脈沖（波導脈沖），這個脈沖以固定的速度沿波導傳回，在線圈（轉換器）兩端產生感應脈沖（終止脈沖），通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間差就可以精確地確定被測位移量。如圖２所示。因為張力脈沖在波導管上的速度恒定，用測得的時間差乘以此速度，得出磁環(huán)的位置。這個過程是連續(xù)不斷的，每當磁環(huán)運動時，新的位置就會被感測出來。
?。保?信號特點及存在的問題
目前，要想直接測量傳感器起始、終止脈沖的時間間隔，得到準確的位置量，不易實現(xiàn)?，F(xiàn)階段采用的方法是，把兩個脈沖信號的時間間隔轉換為正比于磁環(huán)位置的ＰＷＭ信號，然后以電流環(huán)的形式輸出。在實際測量過程中，傳感器內電流脈沖和感應脈沖會對輸出信號產生一定的干擾；并且傳感器本身的磁性材料感應的磁場與波導管內的電流之間不可避免地會產生電磁干擾（ＥＭＩＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ），使得測量所得的輸出信號有一定程度的畸變，如圖３所示，即是將傳感器的電流環(huán)輸出信號轉換為電壓信號得到的波形。另外，如果需要在同一個系統(tǒng)中同時使用幾個磁致伸縮位移傳感器進行位移測量時，傳感器相互之間也會有干擾。這些干擾信號的存在使得控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能不好，對精度高、響應頻率快的控制系統(tǒng)而言，其影響程度是很明顯的，會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定，必須予以消除。設計一個基于單片機的傳感器信號處理系統(tǒng)，將處理后得到的穩(wěn)定的輸出信號，以數(shù)字信號的形式直接通過遠程通信傳送給計算機進行控制，使得該類型磁致伸縮位移傳感器輸出信號穩(wěn)定、精度高、傳輸距離遠，與控制系統(tǒng)接口簡單、互換性好、實用性強，使傳感器更具智能化，整體性能得到極大的優(yōu)化提高。
２ 在位移測量中的應用
?。玻?系統(tǒng)結構
磁致伸縮位移傳感器位移測量系統(tǒng)的硬件結構如圖４所示。由于磁致伸縮位移傳感器采用符合工業(yè)控制標準的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轉換為電壓信號，再采集出來進行Ａ／Ｄ轉換，然后輸出給單片機進行信號處理以及通信處理，最后將理想的傳感器信號以二進制方式傳送給液晶示屏和ＰＣ機。傳感器的電路是由敏感元件頭、接收電路、信號整形電路、參數(shù)校正輸入電路、計算機處理電路、顯示電路、測量參數(shù)輸出電路等組成。
２．２ 微處理電路
單片機選用ＡＴＭＥＬ公司基于ＣＭＯＳ工藝的８位微處理器ＡＴ８９Ｃ４０５１，與ＭＣＳ－５１產品系列的指令完全兼容，片內含有４ｋｂ的ＦｌａｓｈＥＰＲＯＭ，它最突出的特點是芯片體
積小，只有２０個引腳，特別適合于小型化系統(tǒng)的設計。另外，ＡＴ８９Ｃ４０５１價格便宜，性價比較高。
?。玻?信號整形電路
采用基于抽取被測信號特征量的滑動數(shù)字濾波算法。如圖３所示，就是磁環(huán)在靜止狀態(tài)下，傳感器輸出的模擬信號波形?？梢钥闯觯跍y量穩(wěn)定值上疊加有一個頻率較高的干擾信號存在，其最大峰－峰值約為２５ｍＶ，周期為４４０μｓ。如果直接將單次測量值采樣傳送給控制器，在高精度的測量場合下，隨機得到非正常測量值的幾率是比較高的，最大誤差為１２個ＬＳＢ。因此，最好是對某一位移量進行連續(xù)的多次測量，得到一組Ｎ個測量值，并使這組測量值包含一個干擾周期，便從中獲得一個能夠代表正確值的測量值。信號整形電路的結構包括測量運算放大器、光電耦合器；功能是對測量放大信號整形后送計算機。８９Ｃ４０５１是系統(tǒng)硬件實現(xiàn)數(shù)字化處理的核心部分，它的主頻工作在１１．０５９２ＭＨｚ，包括有一個外圍復位電路。主要用于完成控制Ａ／Ｄ轉換、信號處理、向主機和ＬＣＤ以串行方式發(fā)送數(shù)據(jù)等幾個方面的功能。用單片機的Ｐ３口作為Ａ／Ｄ轉換及通信的控制線。在讀取Ａ／Ｄ轉換值時，直接用ＰＩ口分兩次讀入１２位Ａ／Ｄ轉換值。
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)和動態(tài)時的測量特性郟蕁Ｍ跡擔ǎ幔┍礱饗低秤辛己玫牟飭烤度和穩(wěn)定性，誤差只有１個ＬＳＢ；圖５（ｂ）表明本系統(tǒng)具有良好的動態(tài)測量特性。
?。玻?參數(shù)輸入矯正電路
矯正電路是由ＭＡＸ２５Ｃ０４５、鍵盤和選擇開關組成，功能是對傳感器的零位、滿量程進行調整，并對波導電流脈沖傳遞速度設定和參數(shù)存儲。
?。玻?顯示電路
主要根據(jù)ＬＣＤ顯示器的結構與原理，把要顯示的數(shù)字對應的碼轉換寫出，即寫出對應的段選碼表，從顯示主程序中調用該表，就可以在ＬＣＤ上顯示出傳感器的輸出變化值。
?。玻?測量參數(shù)輸出電路
數(shù)據(jù)輸出包括１２ｂｉｔ高速Ｄ／Ａ轉換芯片ＭＡＸ５３０２及運算放大器輸出０～５Ｖ，０～１０Ｖ，０～１０ｍＡ，４～２０ｍＡ的測量數(shù)據(jù)；二進制數(shù)據(jù)輸出包括４８５接口芯片ＭＡＸ１４２８輸出二進制測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳遞距離可達１０００ｍ以上。
?。?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量原則，利用對超聲波（傳感器產生的扭轉波脈沖）精確的速度、時間測量計算出目標位置。傳感器通過處理信號轉換過程將測量結果直接轉換為標準輸出量。磁致伸縮位移傳感器已向著測量距離長、測量精度高的方向發(fā)展。未來采用模塊化設計、模塊化組裝、數(shù)字化輸出、抗強電磁干擾和溫度檢測補償?shù)燃夹g，將使該類傳感器成本大幅下降，性能顯著提高，應用范圍更加廣泛。為滿足傳感器工程化、實用化要求，傳感器在最惡劣的工業(yè)環(huán)境下也具有耐用的特點，無論所測的目標位置困難與否，傳感器都將根據(jù)實際情況進行參數(shù)調整并配置相應的結構以適合應用系統(tǒng)。傳感器的結構和封裝技術也有待于突破，并實現(xiàn)機械設計和電子裝置的有效綜合。
４ 結束語
采用單片機芯片和ＥＩＡ ＲＳ－４２２／４８５國際串行數(shù)據(jù)傳輸標準電路，內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，而且可與ＰＬＣ、計算機等直接通訊，節(jié)省了昂貴的變送器、Ａ／Ｄ轉換，從而使用該磁致伸縮傳感器組成的測控系統(tǒng)更加方便、穩(wěn)定，成本也大大降低。
在提高波導絲的彈性模量和機械強度的同時保證其穩(wěn)定的伸縮系數(shù)，是研制敏感元件的關鍵，也是開發(fā)磁致伸縮位移傳感器相當重要的一環(huán)，高精度的時間檢測技術和抗惡劣環(huán)境的封裝技術也不容忽視。磁致伸縮位移傳感器的研究有著廣闊的市場前景。
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