磁致伸缩位移传感器信号处理电路的研究与实现

磁致伸缩位移传感器信号处理电路的研究与实现
作者：李怀洲；李庆山；孙振伟；杨永才





       磁致伸缩位移传感器(Magneto strictive Position  Sensor) 利用磁致扭转波作为传播媒质的磁致伸缩式传感器。该传感器具有其它位移传感器所不能达到的测量大位移、高精度的特点, 已应用于美国、欧洲的石油、化工等部门。拿度公司生产的磁致伸缩线性位移传感器的重复精度及分辨率均达到 0.002mm 。我们参考国外的的先进经验设计研制一套达到一定精度要求的位移传感测量装置, 重点介绍它的核心部分波检测器和电子系统组成。

       除位置磁铁外, 所有其它元器件都安装在传感器壳体内, 组成传感器的主体。位置磁铁通常装在一个运动部件A 上, 而传感器主体则装在一个固定的部件B上。传感器工作时, 电子信号和处理系统发给磁致波导钢丝间隔为 T 的激励脉冲电流 ie。

       该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝的旋转磁场。位置磁铁也产生一个固定的磁场。在这两个磁场的共同作用下, 使波导钢丝产生磁致弹性伸缩, 即形成一个 磁致旋转波。该旋转波沿着波导钢丝以大约2800m/s的速度向两边传播。当它传到波导钢丝一端的波检测器时被转换成电信号 ua。通过测量磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间 tL 就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。

1.磁致伸缩传感器的电子信号处理系统实现

       在微处理器系统的控制下, 周期脉冲电流发生器向波导钢丝发送激励脉冲。由检测线圈输出的位置脉冲信号进行虑波和放大后, 将进行零位或峰值检波, 以便进一步确定位置脉冲信号从位置磁铁传到检测线圈的时间。经过进一步的信号处理, 便可确定位置磁铁和检波器之间的距离, 以达到位移测量的目的。该处理系统具有如下功能:

(1) 产生一个周期激励脉冲电流, 该脉冲输入波导钢丝, 以便围绕波导钢丝形成一个周期脉冲磁场。该脉冲的周期和宽度应通过微处理器编程来调节。为了获得较强的脉冲磁场, 激励脉冲应具有足够的能量, 即足够的电流。

(2) 模拟信号处理, 对从波检测器(检测线圈) 输出的位置脉冲信号进行滤波和放大, 以便比较处理。

(3) 对放大后的位置脉冲信号进行零位或峰值检波, 以便确定位置脉冲信号从位置磁铁传到检测线圈的时间。

(4)时间测量和信号处理(数字或模拟信号处理)。

(5)位置信号输出 (数字电流和电压, 模拟电流和电压）。

2.周期脉冲电流的产生设计

        激励脉冲的控制信号设计要求 (位移传感器的测量长度 0～ 10cm ) 按照此要求, 也就是脉冲激发电路的控制信号为占空比可调的脉冲方波信号, 振荡周期为 1～ 20m s, 脉冲宽度为 2～ 6Λm , 使用 555 定时器接成占空比可调的多谐振荡器。通过调节R 1 可以改变振荡周期, 调节R 2可以改变脉冲宽度。而且 555 芯片价格便宜, 可供选择的型号较多。

        经过了实际电路调试如图 3, 基本达到输出方波要求。为更好地研究周期脉冲电流的产生, 考虑到要在传感器输入两端加上 2～ 6Λs 的占控比可调的大电流脉冲 (几个A ) , 我们又设计了另外的脉冲触发电路方案, 综合考虑了电路的实现过程中可能存在的诸多干扰, 以及所选用器件需要承受大电流, 将关键器件场效应管选为 IR F840 型, 可以承受 8A 电流。整个电路在ORCAD 软件上模拟调试, 所选用参数达到设计要求,运行结果较理想, 激励脉冲可在传感器两端激发 3A电流。

3.传感器输出信号电路的处理

       传感器的主体部分(测量范围 0～ 10cm ) 以及工艺上较难实现的可以移动的位置磁铁。通过实验, 将脉冲方波信号发生器(占空比可调) 接入到传感器主体部分后, 再加驱动电路, 放大电流, 在传感器的输出端测得的结果比较明显, 位置磁铁的移动在示波器上有明显的波动反映。

       但是, 磁铁的位置的变化在示波器上的反映不是很明显, 只有 15mV , 而且还有杂波干扰, 我们又设计了滤波及放大电路, 输出图形电压可达 112V , 为了进一步将磁铁移动对用的有用波检测出来,我们又加了比较电路、峰值检波电路。

3　调试结果

       经过以上处理后, 输出波形大大改善了。 上面的波形是位置磁铁处在不同位置时未经过比较电路的图, 下面的波形是经过了比较电路后的图。经峰值检波后的输出的激励脉冲及磁铁反映的位置脉冲均为方波, 示波器上显示的波形 (前面的脉冲是激励脉冲, 后面的是对应于位置磁铁移动后产生的脉冲)

位置脉冲波随磁铁的移动而移动, 为下一步配合M CS51 系列单片机, 或是用D SP 芯片系列准确的计算触发脉冲的上升沿与位置脉冲的上升沿之间的时间差以及模拟量或是数字量显示等后续工作做好了准备工作。

4、结论

       磁致伸缩传感器的主体部分及位置磁铁开发与研制, 经实验测试, 结果理想, 位置磁铁在传感器不同的位置都有一不同的信号反映。信号处理电路中占空比可调的脉冲激发控制信号电路部分设计, 经实际的电路调试结果理想。脉冲激发电路用不同方案设计并综合考虑到实际电路实现, 在ORCAD 上模拟效果理想。占空比可调的方波信号经过放大驱动接到了传感器主体, 传感器主体输出信号经过滤波、放大、电压比较电路、峰值检波等一系列处理电路后经过实际调试后示波器波形明显, 达到理想效果, 为后续的时间测量电路的实现以及位移模拟量、数字量的输出创造了条件。






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