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、長行程絕對(duì)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(dòng)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(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?；蚱渌奈廴緢龊希?，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)械位移的測量、控制中，但這種測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)高精度測量，并通過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。
１ 磁致伸縮位移傳感器簡介
?。保?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(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)生的磁場與活動(dòng)磁環(huán)固有的磁場矢量疊加，形成螺旋磁場，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），通過測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，用測得的時(shí)間差乘以此速度，得出磁環(huán)的位置。這個(gè)過程是連續(xù)不斷的，每當(dāng)磁環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，新的位置就會(huì)被感測出來。
１．３ 信號(hào)特點(diǎn)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(shí)間間隔，得到準(zhǔn)確的位置量，不易實(shí)現(xiàn)。現(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)際測量過程中，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)的形式直接通過遠(yuǎn)程通信傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，使得該類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。
２ 在位移測量中的應(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?？梢钥闯?，在測量穩(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。如果直接將單次測量值采樣傳送給控制器，在高精度的測量場合下，隨機(jī)得到非正常測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)的多次測量，得到一組Ｎ個(gè)測量值，并使這組測量值包含一個(gè)干擾周期，便從中獲得一個(gè)能夠代表正確值的測量值。信號(hào)整形電路的結(jié)構(gòu)包括測量運(yùn)算放大器、光電耦合器；功能是對(duì)測量放大信號(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)測量特性。
２．４ 參數(shù)輸入矯正電路
矯正電路是由ＭＡＸ２５Ｃ０４５、鍵盤和選擇開關(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)換寫出，即寫出對(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
?。停裕庸菊谘兄频模裕澹恚穑铮螅铮睿椋悖螅牛倚臀灰苽鞲衅鞔砹舜胖律炜s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(duì)超聲波（傳感器產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波脈沖）精確的速度、時(shí)間測量計(jì)算出目標(biāo)位置。傳感器通過處理信號(hào)轉(zhuǎn)換過程將測量結(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量距離長、測量精度高的方向發(fā)展。未來采用模塊化設(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補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，將使該類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，傳感器在最惡劣的工業(yè)環(huán)境下也具有耐用的特點(diǎn)，無論所測的目標(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。
?。?結(jié)束語
采用單片機(jī)芯片和ＥＩＡ ＲＳ－４２２／４８５國際串行數(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，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前景。
評(píng)論