0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(yīng)能力強(qiáng)，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材苷９ぷ?。此外，它還能承受高溫、高壓和強(qiáng)振動，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

1.1傳感器的結(jié)構(gòu)

磁致伸縮位移傳感器結(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)如上圖所示。上圖中，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(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。

1.2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，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)生的磁場與活動磁環(huán)固有的磁場矢量疊加，形成螺旋磁場，產(chǎn)生瞬時扭力，使波導(dǎo)線扭動并產(chǎn)生張力脈沖（波導(dǎo)脈沖），這個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間差就可以精確地確定被測位移量W。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(dāng)磁環(huán)運(yùn)動時，新的位置就會被感測出來。

磁致伸縮位移傳感器波形

1.3信號特點(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，把兩個脈沖信號的時間間隔轉(zhuǎn)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(shí)際測量過程中，傳感器內(nèi)電流脈沖和感應(yīng)脈沖會對輸出信號產(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產(chǎn)生電磁干擾（EMI-Electro MagneticInterference），使得測量所得的輸出信號有一定程度的畸變，即是將傳感器的電流環(huán)輸出信號轉(zhuǎn)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(jìn)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(yīng)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(shè)計(jì)一個基于單片機(jī)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(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。

磁致伸縮位移傳感器的信號原始波形

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)如下圖所示。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轉(zhuǎn)換為電壓信號，再采集出來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后輸出給單片機(jī)進(jìn)行信號處理以及通信處理，最后將理想的傳感器信號以二進(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。

磁致伸縮位移傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2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。

2.3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?fàn)顟B(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(jī)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(jìn)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(jié)構(gòu)包括測量運(yùn)算放大器、光電耦合器；功能是對測量放大信號整形后送計(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，包括有一個外圍復(fù)位電路。主要用于完成控制A/D轉(zhuǎn)換、信號處理、向主機(jī)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(jī)的P3口作為A/D轉(zhuǎn)換及通信的控制線。在讀取A/D轉(zhuǎn)換值時，直接用PI口分兩次讀入12位A/D轉(zhuǎn)換值。

下圖為使用了數(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M。圖（a）表明系統(tǒng)有良好的測量精度和穩(wěn)定性，誤差只有1個LSB；圖（b）表明本系統(tǒng)具有良好的動態(tài)測量特性。

磁致伸縮位移傳感器靜動態(tài)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，功能是對傳感器的零位、滿量程進(jìn)行調(diào)整，并對波導(dǎo)電流脈沖傳遞速度設(shè)定和參數(shù)存儲。

2.5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)字對應(yīng)的碼轉(zhuǎn)換寫出，即寫出對應(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。

2.6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

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(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波脈沖）精確的速度、時間測量計(jì)算出目標(biāo)位置。傳感器通過處理信號轉(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。

4結(jié)束語

采用單片機(jī)芯片和EIARS-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。

本文轉(zhuǎn)載于深圳市博爾森科技有限公司官網(wǎng)：http://www.brsen.com