淺析磁致伸縮位移傳感器的研制

席清波

（上海希敏自動(dòng)化設(shè)備有限公司,上海 201102）

在自動(dòng)化測(cè)控領(lǐng)域有很多種測(cè)量位移的傳感器,但大都存在一些不足之處,比如電阻位移傳感器響應(yīng)快、使用簡單,但易磨損；LVDT 位移傳感器精度高但量程小；光柵位移傳感器量程大、精度高,但不能用于有振動(dòng)、污染的場(chǎng)合等。而磁致伸縮位移傳感器是根據(jù)致伸縮效應(yīng)測(cè)量游標(biāo)磁環(huán)位置的位移傳感器,由于是非接觸的絕對(duì)位置測(cè)量,所以不存在信號(hào)漂移,無需定期維護(hù)和校驗(yàn)。即使測(cè)量過程是不斷重復(fù)的,也不會(huì)對(duì)傳感器造成任何磨損。有量程范圍大、精度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),它既可以作為常規(guī)通用的位移傳感器,也可以作為一體化的產(chǎn)品內(nèi)置在油缸中測(cè)量活塞的位置,如果把磁環(huán)換成浮球也可以精確的測(cè)量各種液位的高度。由于傳感器是全密封結(jié)構(gòu),因而可用于高溫、高壓、腐蝕和沖擊等場(chǎng)合,能適用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

1 磁致伸縮位移傳感器的原理和結(jié)構(gòu)

磁致伸縮位移傳感器的測(cè)量原理是基于傳感器核心檢測(cè)元件磁致伸縮波導(dǎo)絲與游標(biāo)磁環(huán)之間的魏德曼（Wiedeman）效應(yīng),即磁致伸縮效應(yīng)。通過內(nèi)部電路產(chǎn)生脈沖,在波導(dǎo)絲周圍形成周向安培環(huán)形磁場(chǎng),當(dāng)該磁場(chǎng)與游標(biāo)磁環(huán)的偏置永磁磁場(chǎng)發(fā)生耦合作用時(shí),就會(huì)因磁致伸縮效應(yīng)而產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波,該扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波以一定的速度（2830m/s）沿波導(dǎo)絲返回并被感應(yīng)電路所拾取,通過計(jì)算發(fā)射脈沖與回波信號(hào)的時(shí)間差就能精確計(jì)算出游標(biāo)磁環(huán)的位置即位移。

磁致伸縮位移傳感器主要由測(cè)量桿、游標(biāo)磁環(huán)、電子倉等部件組成。測(cè)量桿一般選非磁性的剛性材料（如不銹鋼管）,內(nèi)有波導(dǎo)絲(磁致伸縮線)、保護(hù)套管、末端阻尼器等。電子倉內(nèi)含測(cè)量控制電路和感應(yīng)線圈等。在電子倉內(nèi)波導(dǎo)絲的同一個(gè)位置分別向兩邊各焊接一條金屬帶（須與波導(dǎo)絲是同一種材質(zhì)）,金屬帶穿過感應(yīng)線圈的中心,當(dāng)波導(dǎo)絲帶動(dòng)金屬帶扭轉(zhuǎn)時(shí),就會(huì)引起線圈內(nèi)磁感應(yīng)量的變化,線圈在旁邊永久磁鐵的磁場(chǎng)作用下就會(huì)感應(yīng)出電脈沖即回波信號(hào)。

2 硬件實(shí)現(xiàn)方案

2.1 元器件選型

2.1.1 單片機(jī)選用美國Microchip 公司的工業(yè)級(jí)低功耗芯片PIC18(L)F45K22,它具有極強(qiáng)的抗干擾性能,高達(dá)16 MIPS 的工作速度,帶有獨(dú)立的內(nèi)置看門狗；時(shí)鐘頻率可達(dá)64 MHz,內(nèi)部有4 倍頻鎖相環(huán)（PLL）；16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可以保證時(shí)間測(cè)量的精度；兩個(gè)增強(qiáng)型通用串口（EUSART）模塊；8 x 8 單周期硬件乘法器對(duì)于有較多浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算的代碼,能大幅提升執(zhí)行的效率。

選用有源晶振,它有內(nèi)置振蕩電路,不需要匹配電容,避免了外部電容匹配不好造成頻率偏移的問題,同時(shí)也在很大程度上減少了電路板雜散信號(hào)對(duì)它的干擾,可以達(dá)到更高精度與穩(wěn)定性。為提高EMC 性能,晶振頻率選為16 MHz,然后通過MCU 內(nèi)部鎖相環(huán)4 倍頻到64 MHz；軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均值后再平滑濾波,時(shí)間的分辨力可以達(dá)到1/64 MHz,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波在波導(dǎo)材料中的傳播速度約為2830m/s,那么位移測(cè)量值的分辨力可以達(dá)到：（2830/64）*10-6m=0.044mm。

2.1.2 脈沖大電流驅(qū)動(dòng)選用NXP 公司的BST52 達(dá)林頓三極管,它的集電極電流（DC）為1A,峰值電流為2A。雖然在設(shè)計(jì)的電路中,波導(dǎo)絲中最大電流約為10A,但單片機(jī)發(fā)出的是脈沖信號(hào),脈沖的周期是2ms,脈沖寬度為0.5us,所以波導(dǎo)絲中的平均電流只有0.0025A,經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證,完全能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 拾取回波信號(hào)的運(yùn)放選用AD 公司的低功耗高速運(yùn)算放大器AD8039,它有低電源電流,1 mA /通道；高速,350 MHz,-3 dB 帶寬；低噪音,8 nV/√Hz @100 kHz,600 fA/√Hz @ 100 kHz；低偏置電流,最大750nA。用2 片AD8039 組成儀表放大器,線圈感應(yīng)信號(hào)差分輸入到儀表放大器,提高了輸入阻抗和共模抑制比(CMRR)。由于拾取的信號(hào)極其微弱,兩個(gè)線圈的感應(yīng)信號(hào)設(shè)計(jì)成方向相反形成差分信號(hào)以提高抗干擾能力,周圍需要屏蔽,并要使線路盡量短的輸入到運(yùn)算放大器。

2.2 磁致伸縮位移傳感器電路測(cè)量控制原理

MCU 發(fā)出激勵(lì)脈沖,經(jīng)放大單元放大后驅(qū)動(dòng)波導(dǎo)絲。回波信號(hào)拾取單元拾取信號(hào)后再進(jìn)行放大、整形,輸入到MCU,MCU 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,把測(cè)量結(jié)果以數(shù)字量和模擬量輸出,同時(shí)在液晶顯示器上也可以直觀的顯示測(cè)量結(jié)果。

傳感器原理框圖如圖1 所示。

圖1 磁致伸縮位移傳感器原理框圖

通過2 個(gè)按鍵的組合可以設(shè)置各項(xiàng)參數(shù),如客戶現(xiàn)場(chǎng)端參數(shù)：零點(diǎn)和滿度的遷移,輸出方向切換,恢復(fù)出廠設(shè)置等；工廠內(nèi)部端參數(shù)（不對(duì)客戶開放）：零點(diǎn)和滿度的標(biāo)定,顯示值和輸出值一致性的校準(zhǔn),輸出范圍設(shè)置等。由于加工工藝差異、元器件離散性,甚至不同批次波導(dǎo)絲的性能差異等,都會(huì)造成測(cè)量誤差,所以專門設(shè)置了調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)和滿度偏移的參數(shù),而不是在硬件電路中通過機(jī)械式的電位器調(diào)節(jié),提高了可靠性,這在防護(hù)等級(jí)要求高、振動(dòng)比較強(qiáng)的場(chǎng)合,優(yōu)點(diǎn)更加明顯。

傳感器的量程和定時(shí)器的時(shí)鐘頻率有關(guān),在時(shí)鐘頻率為64 MHz 時(shí),量程為2.83m,分辨力為0.044mm；為32 MHz 時(shí),則量程為5.66m,此時(shí)分辨力為0.088mm,雖然這時(shí)分辨力變大了,但量程也變大了,所以分辨力和精度相對(duì)于滿量程的百分比,即分辨率和相對(duì)精度還是沒有變化的。根據(jù)需要量程可以達(dá)到20m。

磁致伸縮位移傳感器的輸出形式有：4～20mA 或0 ～20mA,0 ～5V 或0 ～10V；以及數(shù)字輸出Modbus RTU,由于省去了把原本就是數(shù)字量的回波時(shí)間再轉(zhuǎn)換為模擬量的環(huán)節(jié),數(shù)字輸出的精度要比模擬量輸出的更高。

電源電路設(shè)計(jì)了防雷擊、防浪涌、反向、過載、短路等保護(hù)。模擬電路和數(shù)字電路分開供電,在PCB 布局布線時(shí),功率、高頻器件和模擬器件要分開放置,在模擬電路區(qū)域單點(diǎn)接地,這些措施都有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。

2.2.1 MCU 各管腳的分配。根據(jù)EMC 設(shè)計(jì)原則,為使與外圍功能單元的傳輸線盡量短,就近分配了MCU各管腳的功能,見圖2。

圖2 MCU 管腳分配圖

2.2.2 脈沖驅(qū)動(dòng)電路。MCU 發(fā)出的激勵(lì)脈沖驅(qū)動(dòng)能力比較弱,需經(jīng)放大單元放大后才能驅(qū)動(dòng)波導(dǎo)絲。對(duì)于小量程的傳感器,由于波導(dǎo)絲的電阻較小,應(yīng)該加一個(gè)限流電阻,以防止驅(qū)動(dòng)電流過大損壞器件,電路見圖3。

圖3 脈沖驅(qū)動(dòng)電路

2.2.3 回波信號(hào)拾取、放大、整形電路。感應(yīng)線圈拾取的差分信號(hào)先通過儀表放大器進(jìn)行放大,然后和設(shè)定的電壓比較以濾除干擾的雜波,提高抗干擾能力,再經(jīng)過整形后輸入到MCU,具體電路見圖4。

圖4 回波信號(hào)拾取、放大、整形電路

2.2.4 輸出。傳感器有標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓模擬量輸出,和數(shù)字量輸出。數(shù)字量輸出的物理層接口選用RS485 通訊協(xié)議,應(yīng)用層選用Modbus RTU 軟件協(xié)議,它們都是工業(yè)上常用的通訊協(xié)議。

3 軟件實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)軟件由C 語言編寫,主程序包括測(cè)量數(shù)據(jù)處理,刷新模擬量輸出值,刷新顯示值,鍵處理等。發(fā)射脈沖和數(shù)字量輸出都放在低優(yōu)先級(jí)中斷里處理,而讀取時(shí)間測(cè)量值則放在高優(yōu)先級(jí)中斷里處理以提高響應(yīng)速度,也即提高測(cè)量精度。

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)組進(jìn)行抗干擾處理后得到有效測(cè)量值,再對(duì)有效測(cè)量值進(jìn)行零點(diǎn)和滿度標(biāo)定、顯示值和輸出值一致性校準(zhǔn)、離散性修正等數(shù)據(jù)處理,得到最終的輸出測(cè)量值。

在軟件中設(shè)置了多處軟件陷阱,以及多條“NOP()”作為指令冗余,以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.1 主程序流程圖見圖5。

圖5 主程序流程圖

3.2 中斷。發(fā)射脈沖的定時(shí)器timer0中斷和數(shù)字通訊的串口EUSART1 中斷都是低優(yōu)先級(jí)中斷,它們是同一個(gè)中斷入口,需要判斷后分別處理。回波脈沖輸入到MCU 的外部中斷引腳INT0,為高優(yōu)先級(jí)中斷以提高時(shí)間測(cè)量的精度,TMR1 為時(shí)間測(cè)量計(jì)數(shù)器,脈沖發(fā)射后即啟動(dòng),進(jìn)入INT0 中斷后可讀取測(cè)量值。根據(jù)需要,可以安裝三個(gè)磁環(huán),同時(shí)測(cè)量三個(gè)位移量,實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量。

4 傳感器測(cè)試結(jié)果與分析

在常溫常壓的環(huán)境中對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試,傳感器量程1000mm,輸出4～20mA,24VDC 供電,數(shù)據(jù)如表1。

表1

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出上行程的最大絕對(duì)誤差為0.004mA,對(duì)應(yīng)位移測(cè)量值的最大絕對(duì)誤差為：（0.004/16.001）*1000.00=0.25mm, 則 相 對(duì) 誤 差 為：（0.25/1000.00）*100%=0.025%F.S.,即在工程意義上傳感器的上行程相對(duì)精度為0.025%F.S.。同樣的可以計(jì)算出下行程相對(duì)精度為0.031%F.S.（為絕對(duì)值,不區(qū)分正負(fù)號(hào)）。

多組測(cè)試數(shù)據(jù)表明,測(cè)量值基本上是一條直線,在標(biāo)準(zhǔn)值附近波動(dòng),沒有遲滯現(xiàn)象,證明了磁致伸縮的測(cè)量原理是完全正確的,并且測(cè)量值的精度非常高。對(duì)于較大的量程,最大絕對(duì)誤差會(huì)大一些,但增加的并不多,因而相對(duì)誤差即相對(duì)精度要比小量程的更優(yōu),即量程越大相對(duì)精度越高。

傳感器在滿量程時(shí)連續(xù)通電24 小時(shí),測(cè)量值的最大波動(dòng)范圍為±0.002mA,即0.013%F.S.,傳感器的穩(wěn)定性也非常好。設(shè)置溫度試驗(yàn)箱的溫度范圍為-20～60℃進(jìn)行溫漂測(cè)試,對(duì)于模擬量輸出的傳感器,測(cè)得零點(diǎn)的溫漂為0.02%F.S./10℃,滿量程的溫漂為0.2%F.S./10℃。對(duì)于數(shù)字量輸出的傳感器,測(cè)得零點(diǎn)的溫漂為0.01%F.S./10℃,滿量程的溫漂為0.08%F.S./10℃。這顯然是由于省去了把數(shù)字量再轉(zhuǎn)換為模擬量的環(huán)節(jié),減少了元器件數(shù)量和轉(zhuǎn)換誤差,也減少了溫漂,所以數(shù)字量輸出的精度要比模擬量輸出的更高,溫度性能也更優(yōu)。

5 結(jié)論

通過上述設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果可以看到,磁致伸縮位移傳感器有很大的測(cè)量范圍,很高的精度,可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)磁環(huán)的位置,如果加入溫度傳感器則也可以測(cè)量溫度,實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳感器測(cè)量多個(gè)參數(shù),減小了傳感器尺寸和數(shù)量,簡化了安裝。從測(cè)量原理、電路原理、實(shí)測(cè)結(jié)果來看,數(shù)字量輸出更適合要求精度高、溫漂小的應(yīng)用場(chǎng)合,并且成本還更低。在有些溫度變化比較大的場(chǎng)合,可以在軟件中增加溫度補(bǔ)償以對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正,提高測(cè)量精度。對(duì)于有些要求更小分辨率和更高精度的應(yīng)用,在設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇專用的時(shí)間間隔測(cè)量芯片來實(shí)現(xiàn),同時(shí)選用溫補(bǔ)有源晶振以保證傳感器的性能。所以磁致伸縮傳感器能在各種惡劣的工業(yè)環(huán)境中完成位移、液位、溫度等過程參數(shù)的一體化精確測(cè)量,是自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)中非常好的解決方案。