基于巨磁電阻傳感器的油管轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)

【摘要】為了更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)油管轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的隔離檢測(cè)，采用巨磁電阻傳感器，MSP430系列單片機(jī)以及低功耗信號(hào)處理器件組件檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采用4個(gè)巨磁電阻傳感器芯片均勻分布與內(nèi)管的方式提高系統(tǒng)的可靠性，實(shí)際使用情況表明該系統(tǒng)具有體積小，構(gòu)建簡(jiǎn)單和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】巨磁電阻傳感器；隔離檢測(cè)；轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；低功耗

1.概述

油管的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，需要獲知其轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，傳統(tǒng)的方法是采用機(jī)械觸點(diǎn)的方式進(jìn)行檢測(cè)，然后累加觸點(diǎn)被觸發(fā)的次數(shù)最終獲知油管轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，但是這種方法的弊端是觸點(diǎn)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的使用后會(huì)產(chǎn)生接觸不良的現(xiàn)象，而且體積較大，不易密封。因此，常采用磁敏檢測(cè)德方式進(jìn)行非接觸隔離檢測(cè)。

巨磁電阻（GMR）效應(yīng)是某些合金材料的電阻比在磁場(chǎng)作用下急劇增大的一種特性。巨磁電阻傳感器是基于巨磁電阻效應(yīng)研制而成，具有靈敏度高和良好的溫度適應(yīng)性，在磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域具有廣泛的用途。相對(duì)于其他常用的磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器而言，GMR傳感器能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的磁開(kāi)關(guān)量檢測(cè)，因此，在開(kāi)關(guān)量磁場(chǎng)檢測(cè)方面，GMR傳感器具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，本文將以東方微磁公司生產(chǎn)的VA系列巨磁電阻磁傳感器為例，介紹其特性、測(cè)試及相關(guān)應(yīng)用。

2.系統(tǒng)介紹

油管內(nèi)管在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中需要檢測(cè)油管的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，控制系統(tǒng)根據(jù)所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)對(duì)負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行控制。油管由內(nèi)外管組成，如圖1所示，為提高檢測(cè)的可靠性，檢測(cè)用的磁鋼嵌入外管內(nèi)，4個(gè)GMR傳感器芯片嵌入內(nèi)管內(nèi)，并做好密封，使用過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)外圈，磁鋼依次轉(zhuǎn)過(guò)1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)和4號(hào)GMR傳感器，當(dāng)磁鋼第二次轉(zhuǎn)過(guò)1號(hào)GMR傳感器后，圈數(shù)記為1，依次轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)圈數(shù)為2時(shí)，控制系統(tǒng)給出控制信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)顯示模塊進(jìn)行狀態(tài)顯示。

4個(gè)GMR傳感器應(yīng)均布在內(nèi)圈上，磁鋼應(yīng)固定不動(dòng)，控制板和供電系統(tǒng)在內(nèi)圈上，避免內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)造成絞線，內(nèi)圈和外圈之間距離在較大，因此，磁鋼和傳感器探頭之間的距離應(yīng)盡量近，增大傳感器的感應(yīng)信號(hào)幅度。同時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮兩個(gè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。一是在轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)管過(guò)程中，有可能出現(xiàn)抖動(dòng)，造成傳感器計(jì)數(shù)出現(xiàn)失誤；二是在轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)管過(guò)程中，操作人員在換手時(shí)，可能出現(xiàn)內(nèi)管往回轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。

3.硬件系統(tǒng)

3.1 GMR傳感器的結(jié)構(gòu)

VA系列巨磁電阻磁傳感器采用惠斯通橋式結(jié)構(gòu)，如圖2所示的。圖2中，R1和R3是兩個(gè)阻值一樣的電阻，可隨外界磁場(chǎng)的變化輸出一個(gè)差分電壓信號(hào)，R2和R4由于屏蔽層的作用不感應(yīng)外界磁場(chǎng)的變化。

3.2 屏蔽層的作用

圖2中的R2和R4上的陰影部分是傳感器的合金屏蔽層，它有兩個(gè)作用，一是屏蔽外磁場(chǎng)對(duì)電阻R2和R4的影響，使其不能感應(yīng)待測(cè)場(chǎng)的變化；二是作為一個(gè)磁通聚集器，將待測(cè)場(chǎng)聚集在R1和R3周?chē)箓鞲衅鬏敵龇翟龃螅岣邆鞲衅鞯撵`敏度。

3.3 控制模塊

系統(tǒng)采用TI公司的430系列低功耗單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集處理的主處理芯片，該單片機(jī)自帶A/D采樣，休眠時(shí)功耗只有數(shù)十個(gè)uA；磁傳感器采用東方微磁公司的高靈敏度GMR傳感器，信號(hào)處理單元采用低功耗器件。原理框圖如圖3所示。

電源模塊包括DC/DC轉(zhuǎn)換單元和上電控制單元，其中DC/DC轉(zhuǎn)換單位為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3V供電，上電控制單元主要為GMR傳感器提供間歇式供電，以降低系統(tǒng)的功耗。狀態(tài)指示模塊主要為用戶(hù)提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)的狀態(tài)提示，便于操作者對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控。驅(qū)動(dòng)模塊主要主要根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，為外部負(fù)責(zé)提供相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)。

4.軟件

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是TI公司的IAR EW430，為提高軟件的可靠度，便于后續(xù)的維護(hù)，采用模塊化方式將軟件設(shè)計(jì)分為若干個(gè)模塊分別編程和調(diào)試。軟件主要由主程序，定時(shí)器中斷程序和外部觸發(fā)中斷程序組成。針對(duì)可能出現(xiàn)的抖動(dòng)和反轉(zhuǎn)，主程序在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)每個(gè)傳感器只采樣一次信號(hào)，1號(hào)GMR傳感器采樣完成后等待2號(hào)GMR傳感器，同樣只采樣一次，以此類(lèi)推，四個(gè)傳感器檢測(cè)四次信號(hào)為一圈，八次信號(hào)為兩圈，同時(shí)設(shè)定一個(gè)時(shí)間超時(shí)門(mén)限值T，兩圈的轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)超過(guò)時(shí)間T，繼續(xù)下一個(gè)步驟，超過(guò)了，計(jì)數(shù)清零，重新開(kāi)始。控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示，中斷程序省略。

5.結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)油管轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)隔離式檢測(cè)系統(tǒng)，本文利用GMR傳感器，MSP430單片機(jī)以及低功耗的信號(hào)處理芯片，搭建了相應(yīng)的控制電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油管轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的檢測(cè)，相對(duì)于傳統(tǒng)的接觸式檢測(cè)系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)具有構(gòu)建簡(jiǎn)單，可靠性高，體積小，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中具有良好的性能。

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