磁致伸缩线性位移传感器数据采集系统研究与实现

磁致伸缩线性位移传感器数据采集系统研究与实现
作者：江克平；茅及愚；徐国华




       磁致伸缩线性位移传感器是一种利用磁致伸缩原理来测量物体超长行程绝对位移的高精度位置传感器Κ它不但可以测量运动物体的直线位移Κ还可给出运动物体的位移速度模拟信号Κ方便的多种输出方式可满足各种测量、控制和检测的要求Λ对于用户来说Κ如何对传感器产生的模拟信号进行数字化以及数据采集处理是值得研究的领域Λ近年来Κ磁致伸缩线性位移传感器Κ无论在精度上和性能上都有了很大提高Κ根据不同的应用领域Κ可以借助微机强大的数据处理能力Κ通过可靠硬件电路和软件设计来达到信号数字化和数据高速准确采集处理的目的。

1　磁致伸缩线性位移传感器工作原理

       磁致伸缩线性位移传感器磁致伸缩线被安装在不锈钢管内Κ磁环在不锈钢管外侧可自由滑动Κ电子装置中的脉冲发生器产生电流脉冲; 起始脉冲Γ并沿波导线传播Κ产生的磁场与活动磁环固有的磁场矢量叠加Κ形成螺旋磁场Κ产生瞬时扭力Κ使波导线扭动并产生张力脉冲; 波导脉冲ΓΚ这个脉冲以固定的速度沿波导传回Κ在线圈 ; 转换器Γ两端产生感应脉冲; 终止脉冲ΓΚ通过测量起始脉冲与终止脉冲之间的时间差就可以精确地确定被测位移量Κ如图 2 所示Λ因为张力脉冲在波导管上的速度恒定Κ用测得的时间差乘以此速度Κ得出磁环的位置Λ 这个过程是连续不断的Κ每当磁环运动时Κ新的位置就会被感测出来。

1.1位置计算 

       位置/mm = 时差/s×传感器的传送速度/mm·s-1- 零点位置/mm

1. 2更新时间及频率响应

       传感器的更新时间对伺服控制系统的应用非常重要Λ由于磁铁距离传感器的电子零件越远Κ波导脉冲传播所需的时间就越长Κ所以传感器的更新时间与距离成正比Λ传感器的最长更新时间可估算如下：

更新时间= ; 量程+ 零点位置Γ传感器传送速度

等价频率响应= 1/更新时间

1.3性能参数

       烟台拿度智能科技有限公司的磁致伸缩线性位移传感器产品性能参数：最大分辨率0.002% F s；迟滞误差优于　01002% F s；工作温度　测杆　- 40℃～ + 85℃；电子部件　- 20℃～ + 80℃；非线性; ±% F s优于0105，300mm 以下最大误差 150μm ；量程范围（mm）0-150~0-5000.

2　数据采集系统的硬件结构

       系统下位机选用内藏 4k 字节，快擦写 EEP-ROM 的8位单片机AT89C51Κ该芯片可改写Κ为系统的设计与开发调试提供了极大的方便。

2. 1　信号调节电路

       将所设计电路板与传感器装配在一起Κ这样有利于系统的小型化Κ但却使系统电路板处于不利的工作环境之中Κ如工作期间会产生噪声和温度升高等Κ为了使传感器产生的 4～ 20mA 的电流信号转换为满足A D 转换器输入要求的标电信号Κ电流信号放大电路采用了O P07 型运算放大器; 放大倍数为 217Κ输出电压为 0～ 10V ΓΚ由于其噪声峰—峰值仅为 013ΛV Κ且具有失调电压低Κ输入阻抗高Κ温漂系数小等特点Κ较好地满足了设计要求Λ

2. 2　A/D 转换电路

        系统采用美国AD 公司的AD 574 芯片，此芯片是一种高集成度、低价格的逐次比较式 12 位A/D，转换结果通过三态缓冲器输出Κ可直接与 8 位或 16位数据总线微处理器接口Κ芯片内部带基准电源和时钟Κ转换时间为 25ΛsΚ采用了单极性输入Κ输入信号幅度为 0～ + 10V，传感器信号经信号放大电路后加于AD 574 的 13 脚。AD 574 工作一般分两个过程，首先是转换过程，当 CE = 1，CS = 0，R/C = 0 时，启动AD 574 开始转换，此时当A 0= 0 时，就进行 12位转换，其次是读取 12 位并行转换结果，当CE = 1， CS = 0，R /C = 1 时，可一次读出转换的 12 位数据。

2.3单片机系统

        A T 89C51 是美国A TM EL 公司推出一种低功耗、高性能的 CMO S 控制器Κ下位机A T 89C51 的 4个 IO 口中ΚP0、P2 口的 P2. 0～ P3 作为 12 位数据口Κ P1、P3 口各引脚用于管理其它各芯片的控制与联络信号线Λ它与 In tel 公司的 8031 完全兼容Κ而且还拥有 4KB 的 EEPROM 和 128KB 的 RAM Κ在本系统中无须扩展程序存储器和数据存储器就可实现系统功能Κ简化了电路设计Κ且使系统的可靠性得到了很大的提高Λ

2. 4　串行通信电路

       在以单片机为基础的数据采集和实时控制系统中Κ通常采用R S 232 接口就可完成 PC 机与A T 89C51 单片机之间的通信Κ但由于 R S 232 所传送的距离不超过 30m Κ考虑到传感器控制单片机系统需要远离 PC 操作机Κ所以Κ使用专用的接口将R S 232 协议转换为R S 422 协议进行远距离传送Λ

3　数据采集系统的软件设计

       系统的软件设计主要包括A T 89C51 单片机的C 语言编程和上位机 PC 机在W indow s98 下用V i2 sual C + + 6. 0 编程两部分Κ我们将主要讨论W in2 dow s98 环境下的软件设计Κ在V isual C+ + 6. 0 提供 的 文 档 与 视 图 分 离 技 术 和 串 行 通 信 控 件M SComm 的基础上Κ采用切分窗口技术实现数据存放与显示操作的分离Κ运用多媒体定时器和多线程技术来采集数据Κ并利用自定义消息和事件来协调程序的同步Λ

3. 1　用多媒体定时器实现高精度实时数据采集[3 ]

       多媒体定时器可以通过函数 T im eBeginPeriod ; Γ设置最小定时精度Κ即按所需定时精度要求来设置硬件定时器 8253 的计数初值Κ使计数器的精度提高Κ而且它不依赖于W indow s 的消息处理机制Κ而是相当于采用了一个多线程Κ即由函数 T im e2 SetEven t 产生的一个独立线程Κ在一定的中断周期到达后Κ直接调用回调函数进行数据处理Κ而不必等到应用程序的消息为空Κ保证了定时器的实时响应Λ我们使用W indow s 系统向我们提供的两个可实现多媒体定时器的 A P I 函数ΠT im erSetEven t ; Γ和T im eK illEven t; ΓΚ并定义了用于实现定时事件的回调函数ΠV o id CALLBA CK T im eFunc; ΓΚ可以完成毫秒级精度的计时和控制Λ

3. 2　数据处理算法设计

       通过对传感器的原始工作波形的分析Κ观察到采样时有周期性尖峰脉冲干扰的现象Κ并且考虑到数据处理时系统滞后时间常数相对较大Κ而采样周期较短Κ采用防脉冲干扰平均值法与加权平均滤波法组合的复合滤波程序Λ 首先对采集到的 n 个数据进行比较Ψ去掉最大值和最小值[ 然后对剩下的 n-2 个数据?按原采样顺序Σ进行加权平均滤波Ψ具体算法是对 n- 2 个采样值分别乘上不同的加权系数之后再求累加和Ψ加权系数取先小后大Ψ以突出后若干采样的效果Ψ加强系统对参数变化的趋势的辨识Ζ各个加权系数均小于 1Ψ且相加为 1Ψ这样Ψ加权运算之后的累加和就是有效采样值Ζ在具体编程中Ψ为方便计算Ψ取各加权系数均为整数Ψ且和为 256Ψ加权后除以 256 即为所得Ζ本算法中取 n= 8Κ6 个加权系数按线性递增变化Κ采用此滤波方法后Κ效果良好Λ
3. 3　使用多线程技术编程[

        对于数据采集系统来说Κ显示处理与采集很可能会在时间上产生冲突Κ影响程序的正常运行Κ接受数据也会出错Λ 因此Κ在程序中使用了多线程技术Κ并创建了一个专门的辅助线程来实现数据采集Κ需要采集数据时创建该线程Κ并在此线程中启动多媒体定时器Κ在采集结束或退出程序时Κ删除定时器Κ退出该辅助线程Λ此外Κ由于辅助线程没有自己的消息循环Κ为了实现辅助线程与主线程之间的通话Κ我们利用W indow s 的消息机制Κ定义了两个自定义消息WM U SER + 100 ; 用于数据处理和显示Γ和WM U SER + 101; 用于串口通信时发送握手信号ΓΛ当采集到数据后通过 Po stM essage; Γ函数向主线程发消息进行数据处理和显示Λ在编程过程中Κ我们的辅助线程必须谨慎地保持与主线程的互操作的同步Κ我们使用M FC 提供的类 CEvent;从Csyn2cObject派生），调用 Ceven t∷SetEvent 设置适当的事件来同步辅助线程和主线程。

4　试验

       根据所介绍的数据采集系统Κ研制了试验样机Κ并进行了性能测试Λ 通过示波器观测Κ得到了 KY2 CM L 磁致伸缩线性位移传感器原始工作波形图，8 位 7 段L ED 显示器显示最大电压跳变范围约在±10L SB ; 相当于±12mV ，在性能测试中，分别对静态和动态的传感器信号进行了数据采集与处理Λ静态试验中图形显示为一条直线Κ8 位7 段L ED 显示器显示数字码跳变稳定在±L SBΚ数字处理效果良好Κ完全满足精度要求Μ动态试验中Κ通过以不同的速度滑动传感器磁环来获得不同规律的信号Κ得到不同的动态工作曲线，为其中一条曲线Κ经过反复测试，实时动态响应速度满足10H z 频率磁致伸缩线性位移传感器的响应速度.

5　结束语

        磁致伸缩线性位移传感器数据采集系统经数字滤波Κ接收的数据跳变在±L SB 范围之内Κ满足精度要求Μ实时动态响应速度满足，磁致伸缩线性位移传感器响应速度， 试验样机工作性能良好，且此系统对其它传感器信号的数据采集也具有极好的参考价值。

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