一種基于磁敏技術(shù)的位移傳感器的研究與設計

　　對物體位移進行非接觸測量是目前位移測量技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,這是由于非接觸測量方法具有高速、不接觸被測物體等優(yōu)點。傳統(tǒng)的接觸式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過電位器元件將機械位移轉(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]。為實現(xiàn)測量位移目的而設計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關(guān)系。非接觸式位移傳感器種類繁多,如時柵位移傳感器[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)復雜、成本高,對被測物體運動速度還附加了限制,如必須運行平穩(wěn)、無突變和相對低速等。

　　本文從工程應用的角度，設計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，在霍爾效應傳感器上增加集成磁場集中器(IMC)的單片集成傳感芯片[6]。能夠在單點感應到磁通量的所有3個分量，因此，可以得到360°的旋轉(zhuǎn)位置值，通過多種模式輸出準確度很高的線性絕對位置信號，并且成本低廉，安裝簡便。而普通的水平（或者平面）霍爾傳感器只能感應垂直于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經(jīng)過放大處理后，經(jīng)過14 bit微分型A/D轉(zhuǎn)換器進入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過16 bit DSP處理之后的數(shù)字信號分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)。

　　在本設計中，選擇SPI接口輸出。

　　2 硬件接口電路設計

　　基于磁敏技術(shù)的位移傳感器主要由3個部分組成，前端角度信號采集、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。

　　磁敏角度感應器選用MLX90316，它將位移所導致的磁鐵磁場轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)換為磁敏角度。

　　微處理器單元通過SPI接口與MXL90316進行數(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轉(zhuǎn)換的角度，所以通過建立數(shù)學模型，結(jié)合輪轂直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線的位移。傳感器的所有任務最終都掛在實時操作系統(tǒng)μC/OS-II上運行，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存儲器。采用3級流水線技術(shù)，取指、譯碼和執(zhí)行同時進行，能夠并行處理指令，提高CPU運行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，抗干擾能力強，適用于各種工業(yè)控制。

　　數(shù)據(jù)通信單元設計了1路RS485通信接口，負責接收來自應用系統(tǒng)的命令、向應用系統(tǒng)返回采集的位移結(jié)果。