基于ＳＴＭ３２和ＴＤＣ－ＧＰ２１的多功能磁致伸缩位移测量仪的设计＊

基于ＳＴＭ３２和ＴＤＣ－ＧＰ２１的多功能磁致伸缩位移测量仪的设计＊

叶秉诚　张鹏宇　赵伟钦　曹一涵　卜雄洙

 

 

 

 

       随着各行业对机械产品的加工精度要求或对位移测量的各方面要求都越来越高，研究一种测量精度高、量程大、维护简便、可靠性高、适用性强以及能适应恶劣工作环境的位移传感器一直是本领域的研究热点。磁致伸缩位移传感器利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应及逆效应原理将位移量转化为时间量来进行非接触式测量。故在目前常用的位移传感器中，磁致伸缩液位传感器以其精度高、量程大、安全性可靠性高、免维护等一系列优点，被广泛应用于冶金、环保、化工等行业，尤其是易燃易爆、易挥发、有腐蚀的环境中，在位移包括液位测量领域发挥着越来越重要的作用。

但目前常见进口和国产的磁致伸缩位移传感器的测量精度易受环境温度、张丝拉力等的影响，在使用过程中大多通过在软件中增加复杂算法的方式对其进行补偿。且常见的磁致伸缩位移传感器功能单一，信号输出方式单一，若有特殊要求需联系厂家对硬件及软件修改后一对一定制，适用性及兼容性较差。

       本研究采用多磁环的硬件结构配合简单的测量电路即可实现传感器的自校准功能，消除温度对测量结果的影响，并具有丰富的功能。使用ＳＴＭ３２作为测量仪的主控芯片，可为其提供多种输出方式，如模拟电压、ＰＷＭ 信号、ＵＳＡＲＴ、ＳＰＩ、ＣＡＮ 通信等。电路简单，功能较多，最主要的是其多种输出方式及通信方式使其在工业应用中具有强大的适用性或兼容性。

１　磁致伸缩位移测量原理

       本研究的磁致伸缩位移传感器工作时，激励模块产生足够强度的脉冲电流信号Ｉ加载到波导丝上，电流Ｉ沿着波导丝传播时产生环绕波导丝的环向磁场，当该磁场传播到活动永磁铁处时，将与活动永磁铁产生的轴向磁场叠加，形成一个螺旋形的合成磁场。根据威德曼效应，铁磁性材料同时受到轴向和周向磁场的影响，在这两种磁场共同作用下，使铁磁性材料的磁畴排列发生改变，由此产生的磁致伸缩就形成了波导丝宏观上的扭转，从而在磁场叠加处产生弹性波，并以超声波形式向波导丝两端传播。为减少弹性波从末端反射对检测信号带来干扰，在末端使用吸震效果较好的丁基橡胶作为阻尼器吸收弹性波。

       除检测磁环外，末端阻尼器前增加了一个校准磁环，在测量仪需要校准时，将其移至校准位置固定用于校准。当测量仪处于正常测量模式时，校准磁环可作为测量磁环在滑杆上移动。

１．１　位移、速度测量原理

       常规的位移检测是通过检测弹性波从活动永磁铁到检测线圈处的传播时间Δｔ 来实现的。

１．２　自校准设计原理

        在实际测量中，弹性波在波导丝上的传播速度Ｖ 易受环境温度、张丝拉力等使用环境因素影响，进而影响磁致伸缩位移测量仪的测量精度，且若采用温度测量等通过软件补偿弹性波在波导丝上的传播速度Ｖ 的方法，由于无法准确得知波导丝的实际表面温度等，实现起来较为困难。

因此，本研究采用多磁环自校准的方式对测量结果补偿。当需要对测量仪进行自校准时，即测量仪处于自校准模式时，需将校准磁环移至校准位置固定。校准磁环也会产生一个返回脉冲。

       改进的测量方法在计算过程中无需得知弹性波的传播速度，进而完全消除了测量过程中温度等使用环境因素对于测量结果的影响。

１．３　时刻鉴别原理

        在硬件电路设计中，需对放大滤波后的模拟信号进行时刻鉴别。常用的时刻鉴别的实现方法包括前沿时刻鉴别、恒定比值时刻鉴别和过零时刻鉴别等方法。因在不同距离下接收信号幅值大小不一，故前沿时刻鉴别法由于将模拟信号与一固定的阈值进行比较，存在较大的漂移误差，不适用于精确测量。恒定比值时刻鉴别原理对输入信号的处理过程是：将衰减的信号和延迟信号相叠加产生的过零点为定时点；与此同时将信号为与固定阈值进行比较，构成一个前沿时刻鉴别器；最后，当输入信号幅度大于前沿时刻鉴别的定时点时，过零点定时便可以输出为终止时刻点。为了屏蔽噪声并抑制波形畸变对测量结果的影响，通常加入偏置电压以保证比较器的正确触发。但也因此，跳变点受到幅值、衰减因数和偏置电压的影响会产生漂移误差。仍需采用偏置开关补偿技术等对其做进一步补偿，电路复杂且效果一般。

       故本研究采用过零时刻鉴别又称高通容阻时刻鉴别法。将接收信号通过一高通容阻滤波器，使待测信号的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为时刻鉴别的起止时刻点，然后通过过零比较电路来判别出返回脉冲信号的起止时刻点，这种方法对输入信号的幅度变化不敏感，只要求接收通道工作在严格的线性方式，信号不失真。

        过零时刻鉴别法不仅可以解决脉冲幅值变化带来的时间游动误差，还可有效地克服波形畸变和噪声带来的误差。由于接收回波信号中存在信号波动，若直接将放大后的回波信号通过过零时刻鉴别电路，会引入多个误鉴别脉冲。故后文电路对其做了适当改进，防止引入误鉴别脉冲。

２　系统整体设计

        本研究的磁致伸缩测量仪的设计包括传感器结构、硬件电路设计及软件系统设计。硬件电路包括激励信号驱动研制、回波信号处理及ＳＴＭ３２控制测量电路，软件系统设计包括多功能切换、时间测量、位移计算、多接口设计等。由ＳＴＭ３２实现位移测量仪的控制，包括功能切换、激励信号的产生、时间、位移的计算、多信号输出方式和多接口设计等。

        由ＳＴＭ３２控制激励模块产生脉冲电流加载到波导丝两端，用以产生威德曼效应所需的环周向磁场，与永久磁铁产生的纵向磁场叠加产生磁弹性波并使其向两端传播。接受信号调理电路将检测线圈检测到的微弱弹性波信号放大、滤波，由于本研究为实现自校准、多点测量而采用多磁环的结构设计，且为提高测量精度，通过改进的时刻鉴别电路得到多磁环对应的时间停止信号，送入 ＴＤＣ－ＧＰ２１进行时间的测量，可以有效消除回波幅度变化所引起的测量误差。

３　硬件电路设计

       硬件电路设计主要包括激励信号驱动电路、回波信号调理电路及ＳＴＭ３２控制测量电路三大部分。

３．１　激励信号驱动电路

       激励信号驱动电路包括频率可调、脉宽可调的窄脉冲发生电路及窄脉冲驱动电路。

３．１．１　窄脉冲发生电路

       驱动波导丝的脉冲信号频率及脉冲宽度对接收信号的信噪比及信号强度影响较大。故需设计一频率可调、脉宽可调的窄脉冲发生电路。窄脉冲信号发生电路包括由 ＮＥ５５５构成的多谐振荡器及由７４ＨＣ１２３构成的单稳态触发电路。通过调节多谐振荡器与单稳态触发电路的电阻值可分别实现窄脉冲信号频率和脉宽的调节。在接收电路调试完成后，需针对接收信号调整驱动信号频率及脉宽，提高回拨信号幅值并改善回波信号的信噪比。

３．１．２　窄脉冲驱动电路

        驱动波导丝需要为其提供大电流脉冲信号，７４ＨＣ１２３的电流输出无法满足驱动波导丝的要求。

       窄脉冲驱动电路由２个三极管和１个 ＭＯＳ管构成。第１级为共射极放大电路，用于将５Ｖ 的窄脉冲信号放大至１５Ｖ；第２级为射极跟随器，用于在第１级和第３级间进行阻抗匹配，提高带负载能力以驱动 ＭＯＳ管。

       当 ＭＯＳ 管 导 通 时，Ｐ１ 两端压降略小于电源电压１５Ｖ，波导丝电阻约为５Ω，计算可知波导丝的脉冲驱动电流可达２～３Ａ。

３．２　接收信号调理电路

       脉冲驱动电流作用于磁致伸缩材料波导丝两端后，在波导丝前端缠绕感应线圈。值得注意的是，感应线圈匝数对回波信号的幅值有较大影响，线圈匝数越多，信号幅值越大；但当匝数增加过多时，杂波信号幅值也会增大，信号信噪比会反而下降。

       由于感应线圈产生的感应电动势为 ｍＶ 级，回波信号十分微弱。因此，回波信号调理电路主要包括信号放大滤波及时刻鉴别电路，将微弱的感应信号放大、滤波，并处理得到稳定的时间停止信号。

３．２．１　回波信号放大滤波电路

       本文设计的回波信号放大滤波电路共４级。均为有源反向放大滤波电路，每一级将信号放大１０倍，与此同时，电容Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１０与Ｃ１１对信号起到了低通滤波的作用。检测线圈的感应电动势为 ｍＶ 级，至少需放大１　０００倍。与此同时，为防止过零时刻鉴别法在时刻鉴别时产生误鉴别脉冲，与前两级有源放大滤波电路有所不同的是，第三级为反向放大减法电路，第四级为同相放大电路。

      第三级反向放大减法电路，在将回波信号放大的同时，通过减法将信号基线从０Ｖ减至负供电电源。在此基础上，继续增加减法电压值，由于信号饱和，可将原０Ｖ 以上的非有用小波信号完全消除。第三级与第四级间采用电容耦合的方式连接，将信号基线重新调整回０Ｖ。第四级同相放大电路对完全消除杂波的回波信号进一步放大，便于后续进行时刻鉴别。

３．２．２　时刻鉴别电路

       本文采用过零时刻鉴别法对回波信号进行时刻鉴别，将脉冲信号的峰值点作为时间测量的停止时刻。解决脉冲幅值变化带来的时间游动误差，还可有效地克服波形畸变和噪声带来的误差。过零时刻鉴别电路如图１０所示，由Ｃ２５及Ｒ２１构成了高通容阻滤波器即微分电路，将信号峰值点转换成下降沿零点。再通过由一个高速比较器构成的过零比较器实现零点检测。在实际调试过程中，过零比较电路的信号输出稳定性较差。因此适当提高比较器的比较电平，可提高系统稳定性。鉴于过零时刻鉴别原理的限制，比较电平应当尽可能接近０Ｖ。

３．３　ＳＴＭ３２控制测量电路

       本研究的ＳＴＭ３２控制测量电路除最简单的ＳＴＭ３２最小系统外，使用专用的时间测量芯片 ＴＤＣ－ＧＰ２１测量脉冲间时间间隔，使用的测量范围２精度高达２２ｐｓ。另外，ＴＤＣ－ＧＰ２１在测量范围２下一次最多可接受３个停止脉冲信号。基于此，可实现单次多磁环的高精度测量，磁环数最多３个。

４　软件设计

       本研究设计的磁致伸缩位移测量仪采用ＳＴＭ３２作为主控芯 片。最 基 本 的，ＳＴＭ３２ 与时间测量芯片 ＴＤＣ－ＧＰ２１间通过ＳＰＩ通信实现脉冲时间间隔的精确测量。此外，ＳＴＭ３２提供多种通信方式与上位机等通信，通过向其发送指令可实现测量仪的功 能切换、信号 输出方 式 切换等。正常测量模式下的ＳＴＭ３２软件流程。上位机程序在ＬａｂＶＩＥＷ 平台进行开发，大部分通信方式可通过转串口模块与上位机连接，也可通过软件模拟的方式轻松实现。上位机程序前面板如下图所示，可实现友好的人机交互。

５　实验系统搭建与测试

５．１　实验系统搭建与硬件调试结果

       针对上述本研究设计的磁致伸缩位移测量仪，搭建实验系统，除测量磁环外，末端固定有校准磁环。线圈感应信号放大滤波后模拟波形及过零时刻鉴别信号由ＴＤＣ－ＧＰ２１可实现对图１５中多个脉冲间的时间差测量，通过实验标定后，ＳＴＭ３２可将时间差比值计算为位移等。

５．２　实验系统标定及误差分析

       对搭建的磁致伸缩位移测量仪实验样机进行实验标定，测量仪有效量程为９０ｃｍ，３组正反行程标定实验的Δｔ１ 平均值与位移数据。校准磁环只在校准模Δｔ２式下固定于指定位置即可，正常测量模式下可拆下亦可用于多点位移测量，故出现 Δｔ１ ＞ Δｔ２ 的情况。

６　结　论

       本研究针对目前磁致伸缩位移测量仪的测量精度易受环境温度、张丝拉力等因素影响，并具有单次测量位置单一、信号输出方式单一、功能单一、接口单一等问题，设计了基于ＳＴＭ３２和 ＴＤＣ－ＧＰ２１的多功能磁致伸缩位移测量仪，测量电路简单，受使用环境影响较小，线性精度较高。相比较目前的磁致伸缩位移测量仪，无需修改硬件电路即可实现多种通信方式，测量结果的多种输出方式使其在工业测量系统中兼容性较好，适用性较强。

 

 

 

 

 

 

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