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磁致伸缩传感器时差比例位移测量方法的研究

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2020-06-28 11:39

  

       磁致伸缩位移传感器由于其适用于高强度、高危险、恶劣的工作环境,在测量方面已有广泛应用。目前对磁致伸缩传感器位移测量的研究,主要集中在如何降低系统噪声干扰方面。空间的电磁干扰和波导丝受到激励后产生的随机振动,导致噪声信号的产生。为降低噪声干扰,目前大多采用的方法有后期电路滤波处理技术。但该技术没有考虑传感器工作过程中受到的干扰因素。
磁致伸缩位移测量方法所测位移X用式(1)表示:X=v*t 式(1)中v表示扭转波在波导丝上的传播速度,t表示扭转波从测量位置处到达感应线圈处的传播时间。传统测量方法实现的前提是扭转波传播速度已知且固定不变,但随着环境温度变化和波导丝材质结构的改变,会导致扭转波的传播速度发生变化。用于测量时间间隔的主控制频率也会随温度等影响因素变化发生漂移。磁致伸缩位移传感器的工作温度范围为-40℃~80℃,从现有实验数据可知,环境温度每改变15℃,测量偏差0.06mm,可见由温度漂移产生的速度与时间间隔测量的不准确,对系统的测量精度影响较大。也有通过改造传感器结构的方法使误差相消的技术,如双丝差动型结构传感器,该结构复杂,调整困难,很难进一步提高测量精度。
       本文针对上述现有技术不足,基于磁致伸缩位移传感器的结构特点,提出一种时差比例测量方法。对系统中不可避免的干扰,能够实现测量精度不受控制器时钟频率、扭转波传播速度变化的影响,还能简化降噪系统,提高测量精度,结构简单,易于实现。
1、时差比例位移测量法原理
       时差比例位移测量法原理如下所述:(1)脉冲信号产生与捕获模块触发产生周期激励始发脉冲至磁致伸缩位移传感器波导丝输入端3,根据磁致伸缩原理,在波导丝4上产生瞬时扭转波向两边传播,主控制器捕获定时器寄存器当前值并记录为n1;(2)扭转波到达电子仓2时被感应线圈感应转化成电压信号,主控制器捕获定时器寄存器当前值并记录为n2;(3)扭转波到达波导丝始端3返回到达电子仓2内被线圈感应,捕获定时器寄存器当前值记录为n3;(4)根据传感器结构特点,激励信号始端3和电子仓2之间的距离为定长L,结合信号捕获时刻脉冲数及数学原理,所测位移按式计算。
X=(n2-n1)/(n3-n2)*2L,1为磁环(所测位置);2为电子仓;3为传感器波导丝输入端;4为波导丝;5为末端阻尼器;6为回路导线;X为所测位移;L为感应线圈2到波导丝输入端3长度L为定长,不随外界环境条件的变化而变化,并且测量出的值在整个测量过程中可以重复使用,为确保测量精度,采用类似的方法首先测量出L的值。在外界环境条件一定的情况下,查表得出扭转波在波导丝上传播对应的速度。利用主控制器捕获扭转波首先到达感应线圈时刻寄存器的值k1,其次到达感应线圈时刻寄存器的值k2,一致主控制器频率f0的条件下,根据计算得出L的长度。
L=(k2-k1)*1/f0需要指出的是,从激励脉冲产生到在测量位置处产生扭转波(即从磁致伸缩位移传感器波导丝输入端3处流入,到测量位置1处产生扭转波)这之间存在一定的时间间隔,但激励脉冲信号再波导丝上的传播速度非常快,可达3*103m/s,这相对于扭转波在波导丝上的传播速度2800m/s而言,速度十分快,而且所测位移不大,就可以忽略这很小的时间间隔,认为测量位置产生扭转波的时刻即为激励脉冲产生的时刻。
       当激励信号1瞬时加载到测量回路中,感应线圈中立即产生强大的电流信号,经过电磁感应转化为通道2中的脉冲信号2.感应线圈属于储能原件,脉冲并不能立刻消失。这并不影响捕获脉冲信号,当下一个脉冲信号3到来时,感应线圈中的能量已经释放完毕,脉冲信号2消失。脉冲信号3为捕获到的扭转波首先到达感应线圈产生的感应脉冲,脉冲信号4为扭转波返回感应线圈时,经过信号放大电路处理过的感应脉冲。经主控制器捕获计算处理,即可得所测位移。
磁致伸缩位移传感器
2、系统模块设计
       系统模块框图测量系统采用LM3S8962为主控制器,通过可编程控制触发周期激励脉冲,激励脉冲经放大电路驱动传感器工作,传感器返回信号经信号处理模块处理送至控制器采集运算。后通过串口与上位机通信,发送测量结果。
2.1脉冲信号产生与捕获模块
       信号产生与捕获模块以LM3S8962主控制芯片为核心。LM3S8962主控制芯片采用5V电压供电,通过可编程控制,经外部晶振电路,从PWM口产生固定频率的脉冲激励信号。视传感器具体测量位移而定,若所测位移在小范围之内,频率就相对高。
       该主控制芯片变成基于LAR Embedded Workbench for ARM编译环境。LM3S系列控制器有显著优势,外部晶振固有频率为6MHz,可以通过内部的PLC将频率提升20MHz、25MHz,甚至50MHz。由于LM3S8962主控制芯片集成串行通信功能,通过变成设置,实现测量系统与上位机的实时通信。控制器始终频率高,使得捕获脉冲的分辨率也高,能准确到0.02us。定时器被配置为自由运行的递减计数器,其初值从GPT-MTnlLR寄存器中加载(复位时初始化为0xFFFF),该模式允许在上升沿或下降沿捕获时间。在捕获事件之后,定时器继续计数直到为0x0000状态。当检测到边沿事件时,当前定时器计算值自动保存在GPTMTnR寄存器中,且该值一直保持在寄存器中直到检测到下一个边沿事件。
2.2激励脉冲放大电器
       主控制产生的脉冲不足以驱动传感器工作,需增设激励脉冲信号放大电路。激励脉冲经三极管射极跟随缓冲电路将脉冲信号进行放大,通过N沟道增强型MOSFET管连接磁致伸缩位移传感器波导丝输入端3处,构成回路以驱动传感器工作。
2.3信号处理模块
       信号处理模块由信号放大电路、低通滤波电路和带阻滤波电路组成。扭转波经过感应线圈变换后再次到达感应线圈时会发生衰减,经过电磁感应原理输出为幅值较小的脉冲信号。由于主控制器难以捕获幅值较小的脉冲信号,须增设一个信号放大电路。
       信号放大电路采用OPA2899放大芯片,该芯片集成了两级放大电路,信号经一级放大电路放大10倍。输出经低通滤波电路,滤掉其中的高频信号部分。低频信号中,由于受固有电厂频率干扰,50Hz的干扰信号尤为常见,因而又串接一个带阻滤波电路,去除50Hz的干扰信号成分,再经过二级放大电路,放大10倍,后输出为放大100倍的理想信号,并送至主控制器进行捕获处理。整个信号处理模块采集度高,电路简单,易操作。
3、与传统测量方法对比理论分析
       基于上述系统搞设计,通过分析,时差比例位移测量方法有如下明显优势:
(1)本测量方法精度基本不受控制器始终频率变化影响。一般的,单片机的时钟震荡频率会因长时间工作等外部因素产生漂移。按原有的位移测量方法,根据式X=v*t,再一个测量周期内默认频率不发生变化,若实际频率偏高,时钟计数值偏大,时间与速度乘机偏大,导致X值偏大,误差产生。而采用本方法计算时
x=(n2-n1)/(n3-n2)*2L=(△T1/△T2)*2L=(M*1/f)/(N*1/f)*2L
M和N分别为在△T1和△T2时间段内的脉冲数,f为主控制器采用的时钟频率,所测位移与固定长度成定比K,则脉冲数M与N也成定比K,有公式可知,不管频率f如何改变,分子分母中关于f变量相消,可见该方法不受控制器始终频率变化的影响。
(2)本测量方法精度基本不受扭转波传播速度变化影响。当测量系统受外界温度变化影响,波导丝老化,会造成扭转波传播速度漂移。按传统方法测量定长时,根据式X=v*t,当实际速度减小,测量时间变大,而系统处理器默认的速度未变,则导致速度与时间的乘积变大,导致测量结果偏大,偏差产生。当采用本方法时,根据式计算
X=(n2-n1)/(n3-n2)*2L={(n2-n1)*1/f}*2L/(n3-n2)*1/f={(n2-n1)/f}*v1
v1为扭转波传播的实际速度,后结果X为实际速度与实际时间的乘积。可见该方法不受扭转波传播速度变化影响。
4、试验结果及分析
       为验证方法的合理性与可行性,将实验部分测量装置放置于恒温箱内进行实验测量。通过改变环境温度影响扭转波的船舶速度及主控制器的频率。在常温下测得标准位移50mm、75mm后,保持测量位置不变,调节恒温箱温度为-20℃、0℃、40℃、100℃分别采用传统测量方法和时差比例位移测量方法进行实验。
        从测量数据可知,较传统磁致伸缩位移测量方法,时差比例位移测量方法在温度变化范围较大时,测量结果距真实值偏差较小,测量结果相对稳定,降低了系统测量误差。在测量温度变化范围内,传统方法产生的相对误差为0.24%,时差比例位移测量方法产生的相对误差为0.14%,相对误差减小0.10%。将工作温度提升到正常承受的工作温度外20℃时,传统测量方法得到的数据漂移较大,相对误差达0.48%,而采用时差比例测量方法得到的测量结果相对误差虽有所变大,但也趋于稳定。从实验结果分析可知,测量环境温度变化导致的扭转波速度、主控芯片频率漂移对测量结果影响小,提高了测量精度,拓宽了正常工作环境温度范围。
5、结论
        本文针对现有的磁致伸缩位移传感器测量方法的不足之处,采用时差比例位移测量方法,结合脉冲放大电路、信号处理电路等实现了测量精度受固有时钟频率、扭转波传播速度变化影响较小的设计,既简化了设计,又节约了成本。分析论证了该方法位移测量时抗干扰稳定性强的特点,为磁致伸缩位移测量方法提供了一种全新的思路,具有较高的使用价值和推广意义。


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