磁致伸缩位移传感器感应信号的分析调理

磁致伸缩位移传感器感应信号的分析调理
作者：于希文；赵辉；刘伟文；张永杰





       磁致伸缩位移传感器目前已广泛应用于大尺寸、非接触、高精度、环境恶劣的测量场合中，其工作机理主要基于维德曼效应和维拉利效应，由于传感器与移动部件非接触，所以防护等级高( IP67) 、使用寿命长，同时可以实现绝对位移测量，使其具有免维护、自标定、多点测量等功能．感应信号是磁致伸缩位移传感器测量定位的根本，但由于扭转波经过波导丝末端的阻尼结构无法彻底消除，会在波导丝中多次反射，相互叠加后进入感应线圈，此外电磁干扰等影响也会引入噪声，都会导致感应信号的不稳定，具体表现为信号的边沿抖动． 目前针对该传感器的大多数研究主要集中在其机理分析、结构设计和电路实现方面，而对传感器感应信号质量和稳定性的提升尚无深入探究． 本文将针对感应信号进行时域和频域的分析并做相应的滤波，以提升信号的信噪比及对外界干扰的抗性; 同时，对感应信号的定位方式做相应改进，提出双端沿的触发方式，进一步削减信号幅值方向抖动所产生的随机误差．

1 传感器工作原理

       磁致伸缩位移传感器基本工作原理为: 传感器电路产生的激励脉冲施加到波导丝近端，该瞬时电流沿波导丝传播，会产生一个垂直于波导丝径向的环形磁场，同时位置磁铁组件会产生固有的偏置磁场，当两磁场相遇时，会叠加成扭转磁场． 根据 Wiedemann 效应，在扭转磁场形成处会产生瞬时扭力，从而在波导丝上生成机械扭转波，分别向波导丝两端传播． 向远端传播的扭转波通过阻尼器，以衰减远端的反射回波; 根据 Villari 效应，近端利用感应线圈产生感应电压，来检测扭转波信号． 由于电流在波导丝上近似为光速，传播时间可忽略，故通过测量激励脉冲和感应信号的时间间隔，即可精确地计算出磁铁的位置，实现磁铁组件绝对位移的测量．

2 传感器信号的分析处理

       本文中传感器感应信号的测量电路结构主要由激励电流模块( Ⅰ) 、感应信号整形模块( Ⅱ) 、脉冲计数模块( Ⅲ) 三部分组成，其中感应信号的整形是信号调理的核心部分，提高感应信号信噪比、选择合适的整形定位触发方式都会直接影响到测量的精度．

2.1 信号的时域和频域分析

       在时域上可以直观的分析传感器信号，本文使用 Tektronix 公司型号为 DPO 3054 的示波器，带宽为 500 MHz，采样率高达 2． 5 GS /s，对感应线圈经放大电路后的信号做相应采集，采样频率为100 MHz，采样点数为 10 000 个，其时域波形各部分做局部放大时，会看到感应信号部分存在一定程度的边沿抖动，是造成测量随机误差的主要原因．利用快速傅里叶变换( FFT) 对传感器的信号做频谱分析，该信号为混频成分，频率主要集中在 150 kHz 以下，在 50 kHz 左右时达到峰值，同时也参杂了一些高频干扰，表现为信号时域波形上的毛刺，主要对感应信号部分的数字整形影响较大，会造成一定的抖动．

2.2信号的滤波处理

       数字滤波器就是利用有限精度算法的线性时不变系统，实现对离散信号的滤波处理，以达到改善频谱的目的，因此可以利用数字滤波仿真来分析传感器信号，并利用相应的转换关系设计模拟滤波器，以提高感应信号稳定性．设计离散时间无限长脉冲响应( IIR，InfinitImpulse Response) 滤波器的传统方法是将连续时间滤波器变换成满足预定指标的离散时间滤波器，而 IIR 数字滤波器与模拟滤波器有更直接的逼近转变关系，故被选用于本文中的数字滤波仿真． 利用 MATLAB 的 FDA-Tool 设计数字低通滤波器对示波器的采样数据做滤波处理，由于频带内不允许有波动，因此选用具有最大平坦效应的巴特沃斯型( 契比雪夫型会存在等波动的纹波差) ，采样频率与示波器的数据采样保持一致，即为 100 MHz，通带截止频率设为 150 kHz，阻带截止频率设为 300 kHz，通带允许的最大波动为± 0. 5 dB，阻带的最小衰减为 － 40 dB，设计得到结构为 Direct-Form II，Second-Order Section，阶数为 8 的数字低通滤波器． 传感器信号经过滤波后，波形整体变得光滑，纹波被明显抑制．

2.3 感应信号的定位触发方式

       如前所述，磁致伸缩位移传感器通过获取扭转波从位置磁铁处到感应线圈的耗时，乘上扭转波在波导丝上的传播速度，实现位移的测量． 由于体积限制，通常的测量电路结构较为简单，都是通过电压比较器对感应信号进行沿触发的方式来实现的．

       这种单边沿触发的思路简单，但存在一定缺点: 首先，当传感器位置磁铁与波导丝的间距变化时，感应信号的幅度变化会导致测量结果的变动，因此需要对位置磁铁的相对位置做固定的要求; 其次，受反射回波的影响，感应信号本身会存在幅值上的微小波动，单点沿触发不稳定，会受到相应影响．

       基于以上问题，本文设计了双端沿触发的信号定位方式: 保持原有参考电压不变，增加一个感应信号的触发点，通过两个触发点的位置中点，来确定扭转波到达的时间． 优点在于: 稳定性好，可以相对较精确的捕获感应信号的峰值位置，可以补偿由于位置磁铁高度变化引起的误差，也能抵消感应信号的幅值抖动．

3、试验测试

       为验证磁致伸缩位移传感器感应信号的调理方法，参照上文所述的测量结构，分别设计感应信号滤波和定位触发的相应电路进行测试，测试条件设定为: 波导丝长度为 50 cm，环境温度为25℃，采用 24 V 直流稳压电源供电．

3. 1 信号滤波测试

       将感应线圈输出端接高速仪表放大器 INA111进行信号放大，其共模抑制比至少为 106 dB，能有效的消除共模干扰，然后再做滤波处理． 利用 TI公司的软件 Filter-pro 来设计模拟有源低通滤波器，参照 2.2 节仿真所述，设定 Ωp = 150 kHz， Ωs = 300 kHz，通带允许的最大波动为 ± 0. 5 dB，阻带的最小衰减为 － 40 dB，电阻和电容的误差容限均为 5%．

       滤波电路为 8 阶 Butterworth 型，每级为 2 阶压控电压源电路级联而成，运放为同相输入，输入阻抗高，输出阻抗低，类似于一个电压源，优点是电路性能稳定，增益容易控制． 传感器信号滤波前后的对比以及感应信号部分的局部放大对比分别如图 8 和 9 所示，容易看出，模拟低通滤波能有效的平滑信号并提高信噪比，减少对信号整形计数的影响，与数字低通滤波仿真结果趋势相近． 但是，波导丝末端产生的反射信号与感应信号都源于扭转波，故频域上会存在相近的成分，因此并不能完全消除，只能在一定程度上抑制并减小抖动．

3． 2 定位触发方式测试

       将滤波后的传感器模拟信号经过电压比较、延时、RS 触发器等数字逻辑处理，得到的信号时序其中通道 2 为单边沿触发的时间脉宽，通道 4 为感应信号部分的时间脉宽． 采用双端沿触发的定位方式时，只需对这两路脉宽分别做晶振脉冲的计数，如 2． 3 节所述，再取通道 4 计数值的一半加上通道 2 的计数值，即为激励脉冲和感应信号的时间间隔．

       针对某固定位移的测量来比对单边沿触发和双端沿触发两种定位方式的脉宽抖动，取 100 次测试数据做分析，以这 100 组计数的平均值作为测量真实值，可得计数脉宽抖动，其中前 20 次的脉宽抖动数据可以看出双端沿触发定位时的抖动随机误差总体上明显小于单边沿触发，而且相对比较集中，更趋近测量均值，同比条件下，忽略掉一次明显的粗大误差，双边沿触发的抖动范围约为单边沿触发的 2 /3，对抖动引起误差的抑制较明显．另外经过测试，对于同一位移量，当位置磁铁高度发生变化时，单边触发的感应信号脉宽会随着高度增加而近似于线性增大，对测量的随机性误差影响很严重，而双端沿触发的感应信号脉宽在位置磁铁高度很低时也会增大，原因在于距离较小时感应信号不严格轴对称，但到 5 ～ 12 mm时趋于稳定，变化范围与感应信号自身的抖动阈值相当，即此时感应信号的幅值变化基本不会影响到位移测量，而磁致伸缩位移传感器的实际安装时，位置磁铁与波导丝组件通常也预留固定的距离以便滑动，因此高度在 5 ～ 12 mm 为宜( 过高会使信号衰减严重而低于比较电压从而导致无法产生整形的感应信号脉宽) ．

4 结论

       本文针对磁致伸缩位移传感器中扭转波产生的反射信号对感应回波信号产生干扰，进而形成信号定位边沿抖动的现象，提出了相应的传感器信号调理方案，包括抗干扰的滤波处理和信号双边沿触发的定位方式，并分别通过实验验证了该调理方案能提升信号的信噪比，同时削减信号幅值方向抖动所引起的定位误差，对磁致伸缩位移传感器的产品化研究开发具有一定的积极作用．







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