基于磁敏技術(shù)的位移傳感器的設(shè)計(jì)

對(duì)物體位移進(jìn)行非接觸測(cè)量是目前位移測(cè)量技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,這是由于非接觸測(cè)量方法具有高速、不接觸被測(cè)物體等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的接觸式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出[1]。為實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。非接觸式位移傳感器種類繁多,如時(shí)柵位移傳感器[2]、線位移差分傳感器[3]、容柵位移傳感器[4]、電感式位移傳感器[5]等,這些傳感器的精度高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高,對(duì)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)速度還附加了限制,如必須運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)突變和相對(duì)低速等。

　本文從工程應(yīng)用的角度，設(shè)計(jì)了一種基于磁敏技術(shù)的位移傳感器，該傳感器在精度、抗震、耐用度等方面有了成功的改善。

1 磁敏傳感器工作原理

　在基于磁敏技術(shù)的位移傳感器上,選擇MLX90316作為磁敏角度的采集。

　MLX90316是一種線性霍爾芯片，在霍爾效應(yīng)傳感器上增加集成磁場(chǎng)集中器(IMC)的單片集成傳感芯片[6]。能夠在單點(diǎn)感應(yīng)到磁通量的所有3個(gè)分量，因此，可以得到360°的旋轉(zhuǎn)位置值，通過(guò)多種模式輸出準(zhǔn)確度很高的線性絕對(duì)位置信號(hào)，并且成本低廉，安裝簡(jiǎn)便。而普通的水平（或者平面）霍爾傳感器只能感應(yīng)垂直于IC表面的磁通量。

　MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術(shù)的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后，經(jīng)過(guò)14 bit微分型A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過(guò)16 bit DSP處理之后的數(shù)字信號(hào)分3路輸出。MLX90316輸出具有12 bit角度分辨率，10 bit角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對(duì)輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12 bit D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出；頻率為100 Hz~1 000 Hz的PWM輸出；數(shù)字模式下利用串行通信協(xié)議輸出(SPI)。

在本設(shè)計(jì)中，選擇SPI接口輸出。

2 硬件接口電路設(shè)計(jì)

　基于磁敏技術(shù)的位移傳感器主要由3個(gè)部分組成，前端角度信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)通訊單元，具體的功能框圖如圖1所示。

磁敏角度感應(yīng)器選用MLX90316，它將位移所導(dǎo)致的磁鐵磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為磁敏角度。
　微處理器單元通過(guò)SPI接口與MXL90316進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用于完成磁敏角度數(shù)據(jù)的接收，由于接收到的是磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的角度，所以通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合輪轂直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線的位移。傳感器的所有任務(wù)最終都掛在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II上運(yùn)行，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源，還要看其可移植性和可擴(kuò)展性。LPC2136是Phlips公司生產(chǎn)的32 bit ARM7TDMI-S微處理器[7],嵌入256 KB高速Flash存儲(chǔ)器。采用3級(jí)流水線技術(shù)，取指、譯碼和執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行，能夠并行處理指令，提高CPU運(yùn)行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種工業(yè)控制。

　數(shù)據(jù)通信單元設(shè)計(jì)了1路RS485通信接口，負(fù)責(zé)接收來(lái)自應(yīng)用系統(tǒng)的命令、向應(yīng)用系統(tǒng)返回采集的位移結(jié)果。

2.1 SPI接口電路設(shè)計(jì)

　MLX90316具備1路SPI接口,用于角度信號(hào)的數(shù)據(jù)，由于串行通信的輸出信號(hào)直接來(lái)自于內(nèi)部DSP輸出，SPI輸出模式更穩(wěn)定，誤差更小，并且具有更高的抗干擾能力，在本設(shè)計(jì)中，選用SPI接口，具體的硬件接口連接電路如圖2所示。在圖2中，MLX90316的SPI 3根線與LPC2136的SPI0口連接。SPI(Serial Protocol Interface)總線接口是一種同步串行外設(shè)接口。這是一個(gè)4根信號(hào)線的串行接口協(xié)議，包括主、從兩種模式。這4根信號(hào)線分別是：時(shí)鐘線(SCK)、數(shù)據(jù)輸入線(MISO)、數(shù)據(jù)輸出線(MOSI)和從設(shè)備使能線(/SS)。

　SPI接口中，LPC2136作為主控端，MLX90316作為從屬端。SPI通信模塊主要讓LPC2136讀取MLX90316的磁敏角度，SPI的通信過(guò)程為：主控端先輸出一個(gè)0xAA以及一個(gè)0xFF作為通信起始信號(hào)，接著輸出8個(gè)0xFF，而從端會(huì)同時(shí)輸出2個(gè)0xFF、4 B的角度信號(hào)以及4個(gè)0xFF，從而完成一次數(shù)據(jù)通信。具體的通信時(shí)序如圖3所示。

2.2 RS485通信接口電路設(shè)計(jì)

　RS485總線以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。它采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信，發(fā)送端將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、B兩路輸出，經(jīng)過(guò)線纜傳輸之后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)[8]。由于傳輸線通常使用雙絞線,又是差分傳輸，所以有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力,總線收發(fā)器靈敏度很高。

　在基于磁敏技術(shù)的位移傳感器中設(shè)計(jì)了一路RS485信號(hào)輸出，RS485接口芯片采用MAX3485,用于與應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行位移數(shù)據(jù)交換。如圖4所示，為了確保數(shù)據(jù)通信的可靠性，通信接口采用了光電隔離芯片6N137。

3 位移計(jì)算算法實(shí)現(xiàn)

MLX90316采集旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)據(jù)，ARM根據(jù)獲取的角度數(shù)據(jù)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算為直線位移數(shù)據(jù)。ARM通過(guò)RS485通信接口與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行通信，將接收來(lái)自應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備的命令，并將采集到的位移信號(hào)反饋給應(yīng)用系統(tǒng)。

位移計(jì)算公式為：

其中，R為引起MLX90316角度變換的線性位移距離角度變換的中心半徑,φ為直線位移所導(dǎo)致的MLX90316的旋轉(zhuǎn)的角度，L為直線位移。

4 工程應(yīng)用與結(jié)論

　(1)磁鐵選擇

　水平磁通量均勻的磁鐵都可以使用,磁鐵的大小和材料并不重要。在機(jī)械、磁場(chǎng)和熱容限之內(nèi),水平磁通量必須在20-70 mT(例如,45 mT±25 mT)范圍以內(nèi)。

　(2)氣隙距離

　在氣隙問(wèn)題上,如果距離IC表面的實(shí)際氣隙大于7.5 mm，環(huán)形磁鐵要優(yōu)于盤形磁鐵。磁鐵可以放在軸的末端，使用環(huán)形磁鐵時(shí)可以繞在軸上。也可以使用特殊的磁鐵設(shè)計(jì)，獲得旋轉(zhuǎn)位置傳感器正常的傳輸特性。

在“基于FPGA技術(shù)的堤壩位移智能檢測(cè)系統(tǒng)”中，本傳感器用于堤壩根石位移采集。利用RSS485總線將35個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該傳感器克服傳統(tǒng)拉線式位移傳感器的易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差等缺點(diǎn)，提高了測(cè)量精度。