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磁致伸缩线性位移传感器数据采集系统研究与实现

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2022-06-27 10:23

  

       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位移的高精度位置传感器K它不但可以测量运动物体的直线位移K还可给出运动物体的位移速度模拟信号K方便的多种输出方式可满足各种测量、控制和检测的要求L对于用户来说K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L近年来K磁致伸缩线性位移传感器K无论在精度上和性能上都有了很大提高K根据不同的应用领域K可以借助微机强大的数据处理能力K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内部结构磁致伸缩线被安装在不锈钢管内K磁环在不锈钢管外侧可自由滑动K电子装置中的脉冲发生器产生电流脉冲; 起始脉冲G并沿波导线传播K产生的磁场与活动磁环固有的磁场矢量叠加K形成螺旋磁场K产生瞬时扭力K使波导线扭动并产生张力脉冲; 波导脉冲GK这个脉冲以固定的速度沿波导传回K在线圈; 转换器G两端产生感应脉冲; 终止脉冲GK通过测量起始脉冲与终止脉冲之间的时间差就可以准确地确定被测位移量K如图2 所示L因为张力脉冲在波导管上的速度恒定K用测得的时间差乘以此速度K得出磁环的位置L 这个过程是连续不断的K每当磁环运动时K新的位置就会被感测出来.
1. 1 位置计算
     位置?m m = 时差?s ×传感器的传送速度?m m
      ·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L由于磁铁距离传感器的电子零件越远K波导脉冲传播所需的时间就越长K所以传感器的更新时间与距离成正比L传感器的最长更新时间可估算如下P更新时间= ; 量程+ 零点位置G?传感器传送速度等价频率响应= 1?更新时间
1. 3 性能参数
        磁致伸缩线性位移传感器产品性能参数P最大分辨率 01002% F sM迟滞误差优于 01002% F sM工作温度 测杆 - 40℃~ + 85℃K电
子部件 - 20℃~ + 80℃M非线性; ±%F sG 优于0105K300mm 以下最大误差150LmM量程范围;mm G 0- 150~ 0- 5 000L
2 数据采集系统的硬件结构
      系统下位机选用内藏4k 字节K快擦写EEP2ROM 的8 位单片机A T 89C51K该芯片可改写K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K这样有利于系统的小型化K但却使系统电路板处于不利的工作环境之中K如工作期间会产生噪声和温度升高等K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K电流信号放大电路采用了O P07 型运算放大器; 放大倍数为217K输出电压为0~ 10V GK由于其噪声峰—峰值
仅为013LV K且具有失调电压低K输入阻抗高K温漂系数小等特点K较好地满足了设计要求L
2. 2 A/D 转换电路
       系统采用美国AD 公司的AD574 芯片K此芯片是一种高集成度、低价格的逐次比较式12 位A ?D K转换结果通过三态缓冲器输出K可直接与8 位或16位数据总线微处理器接口K芯片内部带基准电源和时钟K转换时间为25LsK采用了单极性输入K输入信号幅度为0~ + 10V K传感器信号经信号放大电路后加于AD574 的13 脚L AD574 工作一般分两个过程K首先是转换过程K当CE = 1YCS = 0YR ?C = 0 时Y启动AD574 开始转换K此时当A 0= 0 时K就进行12位转换M其次是读取12 位并行转换结果K当CE = 1YCS = 0YR ?C = 1 时Y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K下位机A T 89C51 的4个I?O 口中KP0、P2 口的P2. 0~ P3 作为12 位数据口K
P1、P3 口各引脚用于管理其它各芯片的控制与联络信号线L它与In tel 公司的8031 完全兼容K而且还拥有4KB 的EEPROM 和128KB 的RAM K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K简化了电路设计K且使系统的可靠性得到了很大的提高.
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K通常采用RS 232 接口就可完成PC 机与A T89C51 单片机之间的通信K但由于RS 232 所传送的距离不超过30m K考虑到传感器控制单片机系统需要远离PC 操作机K所以K使用专用的接口将RS232 协议转换为RS 422 协议进行远距离传送.
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 i2sual C+ + 6. 0 编程两部分K我们将主要讨论W in2dow s98 环境下的软件设计K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K采用切分窗口技术实现数据存放与显示操作的分离K运用多媒体定时器和多线程技术来采集数据K并利用自定义消息和事件来协调程序的同步.
 
3. 1 用多媒体定时器实现高精度实时数据采集
       多媒体定时器可以通过函数T imeBeginPeriod; G设置最小定时精度K即按所需定时精度要求来设置硬件定时器8253 的计数初值K使计数器的精度提高K而且它不依赖于W indow s 的消息处理机制K而是相当于采用了一个多线程K即由函数T ime2SetEven t 产生的一个独立线程K在一定的中断周期到达后K直接调用回调函数进行数据处理K而不必等到应用程序的消息为空K保证了定时器的实时响应L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PT imerSetEven t ; G和T imeKillEven t; GK并定义了用于实现定时事件的回调函数PVo id CALLBACK T imeFunc; GK可以完成毫秒级精度的计时和控制.
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K观察到采样时有周期性尖峰脉冲干扰的现象K并且考虑到数据处理时系统滞后时间常数相对较大K而采样周期较短K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L 首先对采集到的n 个数据进行比较Y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S进行加权平均滤波Y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Y加权系数取先小后大Y以突出后若干采样的效果Y加强系统对参数变化的趋势的辨识Z各个加权系数均小于1Y且相加为1Y这样Y加权运算之后的累加和就是有效采样值Z在具体编程中Y为方便计算Y取各加权系数均为整数Y且和为256Y加权后除以256 即为所得Z本算法中取n= 8K6 个加权系数按线性递增变化K采用此滤波方法后K效果良好.
 
3. 3 使用多线程技术编程
       对于数据采集系统来说K显示处理与采集很可能会在时间上产生冲突K影响程序的正常运行K接受数据也会出错L 因此K在程序中使用了多线程技术K并创建了一个专门的辅助线程来实现数据采集K需要采集数据时创建该线程K并在此线程中启动多媒体定时器K在采集结束或退出程序时K删除定时器K退出该辅助线程L此外K由于辅助线程没有自己的消息循环K为了实现辅助线程与主线程之间的通话K我们利用W indow s 的消息机制K定义了两个自定义消息WM U SER + 100 ; 用于数据处理和显示G和WM U SER + 101; 用于串口通信时发送握手信号GL当采集到数据后通过Po stM essage;G函数向主线程发消息进行数据处理和显示L在编程过程中K我们的辅助线程需谨慎地保持与主线程的互操作的同步K我们使用M FC 提供的类CEven t ; 从Csyn2cO b ject 派生GK调用Ceven t∷SetEven t 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K研制了试验样机K并进行了性能测试L 通过示波器观测K得到了KY2CM L 磁致伸缩线性位移传感器原始工作波形图K如图4 所示L8 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 GL 在性能测试中K分别对静态和动态的传感器信号进行了数据采集与处理L静态试验中图形显示为一条直线K8 位7 段L ED 显示器显示数字码跳变稳定在±L SBK数字处理效果良好K完全满足精度要求M动态试验中K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K得到不同的动态工作曲线K如图5 所示为其中一条曲线K经过反复测试K实时动态响应速度满足10Hz 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K接收的数据跳变在±L SB 范围之内K满足精度要求M实时动态响应速度满足KYCM L 磁致伸缩线性位移传感器响应速度L 试验样机工作性能良好K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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