淺析磁致伸縮位移傳感器的研制

席清波

（上海希敏自動化設備有限公司,上海 201102）

在自動化測控領域有很多種測量位移的傳感器,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、污染的場合等。而磁致伸縮位移傳感器是根據致伸縮效應測量游標磁環位置的位移傳感器,由于是非接觸的絕對位置測量,所以不存在信號漂移,無需定期維護和校驗。即使測量過程是不斷重復的,也不會對傳感器造成任何磨損。有量程范圍大、精度高、響應快、穩定性好等優點,它既可以作為常規通用的位移傳感器,也可以作為一體化的產品內置在油缸中測量活塞的位置,如果把磁環換成浮球也可以精確的測量各種液位的高度。由于傳感器是全密封結構,因而可用于高溫、高壓、腐蝕和沖擊等場合,能適用于各種惡劣的工業環境。

1 磁致伸縮位移傳感器的原理和結構

磁致伸縮位移傳感器的測量原理是基于傳感器核心檢測元件磁致伸縮波導絲與游標磁環之間的魏德曼（Wiedeman）效應,即磁致伸縮效應。通過內部電路產生脈沖,在波導絲周圍形成周向安培環形磁場,當該磁場與游標磁環的偏置永磁磁場發生耦合作用時,就會因磁致伸縮效應而產生一個機械扭轉應力波,該扭轉應力波以一定的速度（2830m/s）沿波導絲返回并被感應電路所拾取,通過計算發射脈沖與回波信號的時間差就能精確計算出游標磁環的位置即位移。

磁致伸縮位移傳感器主要由測量桿、游標磁環、電子倉等部件組成。測量桿一般選非磁性的剛性材料（如不銹鋼管）,內有波導絲(磁致伸縮線)、保護套管、末端阻尼器等。電子倉內含測量控制電路和感應線圈等。在電子倉內波導絲的同一個位置分別向兩邊各焊接一條金屬帶（須與波導絲是同一種材質）,金屬帶穿過感應線圈的中心,當波導絲帶動金屬帶扭轉時,就會引起線圈內磁感應量的變化,線圈在旁邊永久磁鐵的磁場作用下就會感應出電脈沖即回波信號。

2 硬件實現方案

2.1 元器件選型

2.1.1 單片機選用美國Microchip 公司的工業級低功耗芯片PIC18(L)F45K22,它具有極強的抗干擾性能,高達16 MIPS 的工作速度,帶有獨立的內置看門狗；時鐘頻率可達64 MHz,內部有4 倍頻鎖相環（PLL）；16 位定時器/計數器可以保證時間測量的精度；兩個增強型通用串口（EUSART）模塊；8 x 8 單周期硬件乘法器對于有較多浮點數計算的代碼,能大幅提升執行的效率。

選用有源晶振,它有內置振蕩電路,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,同時也在很大程度上減少了電路板雜散信號對它的干擾,可以達到更高精度與穩定性。為提高EMC 性能,晶振頻率選為16 MHz,然后通過MCU 內部鎖相環4 倍頻到64 MHz；軟件對測量數據進行取平均值后再平滑濾波,時間的分辨力可以達到1/64 MHz,扭轉應力波在波導材料中的傳播速度約為2830m/s,那么位移測量值的分辨力可以達到：（2830/64）*10-6m=0.044mm。

2.1.2 脈沖大電流驅動選用NXP 公司的BST52 達林頓三極管,它的集電極電流（DC）為1A,峰值電流為2A。雖然在設計的電路中,波導絲中最大電流約為10A,但單片機發出的是脈沖信號,脈沖的周期是2ms,脈沖寬度為0.5us,所以波導絲中的平均電流只有0.0025A,經實際驗證,完全能滿足設計要求。

2.1.3 拾取回波信號的運放選用AD 公司的低功耗高速運算放大器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,線圈感應信號差分輸入到儀表放大器,提高了輸入阻抗和共模抑制比(CMRR)。由于拾取的信號極其微弱,兩個線圈的感應信號設計成方向相反形成差分信號以提高抗干擾能力,周圍需要屏蔽,并要使線路盡量短的輸入到運算放大器。

2.2 磁致伸縮位移傳感器電路測量控制原理

MCU 發出激勵脈沖,經放大單元放大后驅動波導絲。回波信號拾取單元拾取信號后再進行放大、整形,輸入到MCU,MCU 對原始數據進行處理,把測量結果以數字量和模擬量輸出,同時在液晶顯示器上也可以直觀的顯示測量結果。

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 個按鍵的組合可以設置各項參數,如客戶現場端參數：零點和滿度的遷移,輸出方向切換,恢復出廠設置等；工廠內部端參數（不對客戶開放）：零點和滿度的標定,顯示值和輸出值一致性的校準,輸出范圍設置等。由于加工工藝差異、元器件離散性,甚至不同批次波導絲的性能差異等,都會造成測量誤差,所以專門設置了調節輸出零點和滿度偏移的參數,而不是在硬件電路中通過機械式的電位器調節,提高了可靠性,這在防護等級要求高、振動比較強的場合,優點更加明顯。

傳感器的量程和定時器的時鐘頻率有關,在時鐘頻率為64 MHz 時,量程為2.83m,分辨力為0.044mm；為32 MHz 時,則量程為5.66m,此時分辨力為0.088mm,雖然這時分辨力變大了,但量程也變大了,所以分辨力和精度相對于滿量程的百分比,即分辨率和相對精度還是沒有變化的。根據需要量程可以達到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；以及數字輸出Modbus RTU,由于省去了把原本就是數字量的回波時間再轉換為模擬量的環節,數字輸出的精度要比模擬量輸出的更高。

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

2.2.1 MCU 各管腳的分配。根據EMC 設計原則,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 脈沖驅動電路。MCU 發出的激勵脈沖驅動能力比較弱,需經放大單元放大后才能驅動波導絲。對于小量程的傳感器,由于波導絲的電阻較小,應該加一個限流電阻,以防止驅動電流過大損壞器件,電路見圖3。

圖3 脈沖驅動電路

2.2.3 回波信號拾取、放大、整形電路。感應線圈拾取的差分信號先通過儀表放大器進行放大,然后和設定的電壓比較以濾除干擾的雜波,提高抗干擾能力,再經過整形后輸入到MCU,具體電路見圖4。

圖4 回波信號拾取、放大、整形電路

2.2.4 輸出。傳感器有標準電流、電壓模擬量輸出,和數字量輸出。數字量輸出的物理層接口選用RS485 通訊協議,應用層選用Modbus RTU 軟件協議,它們都是工業上常用的通訊協議。

3 軟件實現方案

系統軟件由C 語言編寫,主程序包括測量數據處理,刷新模擬量輸出值,刷新顯示值,鍵處理等。發射脈沖和數字量輸出都放在低優先級中斷里處理,而讀取時間測量值則放在高優先級中斷里處理以提高響應速度,也即提高測量精度。

對測量數據數組進行抗干擾處理后得到有效測量值,再對有效測量值進行零點和滿度標定、顯示值和輸出值一致性校準、離散性修正等數據處理,得到最終的輸出測量值。

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

3.1 主程序流程圖見圖5。

圖5 主程序流程圖

3.2 中斷。發射脈沖的定時器timer0中斷和數字通訊的串口EUSART1 中斷都是低優先級中斷,它們是同一個中斷入口,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,為高優先級中斷以提高時間測量的精度,TMR1 為時間測量計數器,脈沖發射后即啟動,進入INT0 中斷后可讀取測量值。根據需要,可以安裝三個磁環,同時測量三個位移量,實現多參數測量。

4 傳感器測試結果與分析

在常溫常壓的環境中對傳感器進行了測試,傳感器量程1000mm,輸出4～20mA,24VDC 供電,數據如表1。

表1

從測試數據可以得出上行程的最大絕對誤差為0.004mA,對應位移測量值的最大絕對誤差為：（0.004/16.001）*1000.00=0.25mm, 則 相 對 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精度為0.025%F.S.。同樣的可以計算出下行程相對精度為0.031%F.S.（為絕對值,不區分正負號）。

多組測試數據表明,測量值基本上是一條直線,在標準值附近波動,沒有遲滯現象,證明了磁致伸縮的測量原理是完全正確的,并且測量值的精度非常高。對于較大的量程,最大絕對誤差會大一些,但增加的并不多,因而相對誤差即相對精度要比小量程的更優,即量程越大相對精度越高。

傳感器在滿量程時連續通電24 小時,測量值的最大波動范圍為±0.002mA,即0.013%F.S.,傳感器的穩定性也非常好。設置溫度試驗箱的溫度范圍為-20～60℃進行溫漂測試,對于模擬量輸出的傳感器,測得零點的溫漂為0.02%F.S./10℃,滿量程的溫漂為0.2%F.S./10℃。對于數字量輸出的傳感器,測得零點的溫漂為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字量再轉換為模擬量的環節,減少了元器件數量和轉換誤差,也減少了溫漂,所以數字量輸出的精度要比模擬量輸出的更高,溫度性能也更優。

5 結論

通過上述設計和測試結果可以看到,磁致伸縮位移傳感器有很大的測量范圍,很高的精度,可以同時測量多個磁環的位置,如果加入溫度傳感器則也可以測量溫度,實現一個傳感器測量多個參數,減小了傳感器尺寸和數量,簡化了安裝。從測量原理、電路原理、實測結果來看,數字量輸出更適合要求精度高、溫漂小的應用場合,并且成本還更低。在有些溫度變化比較大的場合,可以在軟件中增加溫度補償以對測量值進行修正,提高測量精度。對于有些要求更小分辨率和更高精度的應用,在設計時可以選擇專用的時間間隔測量芯片來實現,同時選用溫補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環境中完成位移、液位、溫度等過程參數的一體化精確測量,是自動化測控系統中非常好的解決方案。