基于PIC的磁致伸缩位置传感器研究

基于PIC的磁致伸缩位置传感器研究

赵靖宇，梅   杰， 谢代梁， 曹松晓， 徐志鹏， 徐   雅， 刘铁军

 

 

 

 

 

       磁致伸缩位置传感器（magnetostrictive position sensor）的飞速发展对其核心结构的性能以及小体积化具有更严格的要求[1-2]。国内外科研人员不断研究提高传感器精度的因素，包括波导丝材料、检测线圈匝数以及材料，降低扭转波的干扰以及传感器的整体结构。近几年，国外在该类传感器方面的研究取得了重大进步，NARAYANAN  M  M等[3]在2020年研发出了频率高达 250~350 kHz的磁致伸缩传感器，我国的研究成果对比国外有巨大差距。铁氧体材料具备高饱和磁感应强度，并且具有高频特性，使用该材料制作波导丝能实现传感器短距离测量这一功能，同时选用低功耗 PIC单片机为传感器系统的核心，设计出量程为 80 mm，结构小巧便

携的磁致伸缩位置传感器。

1    磁致伸缩位置传感器原理

       磁致伸缩位置传感器是利用材料的磁致伸缩效应进行测量的传感器。磁性材料遇到外加磁场时会产生磁化，并且材料的长度或体积会发生微小的变化这一现象就是磁致伸缩效应[4-5]。铁氧体材料制作的波导丝具有非常明显的磁致伸缩效应。测量的过程为对波导丝发射脉宽极窄的脉冲波及激励脉冲，该脉冲在波导丝内以光速传播并产生环形磁场[6-7]。当激励脉冲传播到磁环所在位置时，环形磁场和磁环产生的轴向磁场交错形成螺旋磁场。波导丝因为螺旋磁场的产生会发生变形从而形成扭转波，扭转波再以一定的速度从磁环所在位置向波导丝两端传播。当缠绕在波导丝上的感应线圈接收到扭转波后会产生感应电动势及回波脉冲[8]。根据激励脉冲发出时间和回波脉冲接收时间之差，再乘上扭转波在波导丝中的传播速度，就可以计算出磁环的位置。

       本文采用脉宽调制的方法来检测磁环的位置，及PIC 单片机会产生脉宽与磁环位置成正比的PWM波[10]。激励脉冲输出到波导丝的同时也进行整型输入 TTL芯片产生高电平脉冲，生成的回波脉冲经过同样的整型输入 TTL芯片后使脉冲变成低电平，从而得到与磁环位置成正比的脉宽，需要保证扭转波的传播时间小于激励脉冲的周期才能成功形成PWM波，之后该信号经过积分电路变成模拟信号输入 PIC芯片进行处理，这种检测方法精确有效，适用于各种工业测量。

2    磁致伸缩位置传感器的机械结构

       传感器结构上主要包括检测尾部、永磁体以及波导丝[11]。传感器的尾部是由信号发生器和检测线圈组成的封闭区域，防止受到干扰。信号发生器负责激励脉冲的产生和发出，脉冲传播到波导丝和永磁体交界处生成扭转波，检测线圈接收到扭转波后将其转化成回波脉冲交由信号处理模块进行处理，最后输出相应电压来反映永磁体的实时位置。阻尼用于吸收在波导丝中传播的扭转波，避免产生干扰[12]。波导丝外层由铝套管保护，长度为 100 mm，直径为8 mm，磁环的宽度为 20 mm，因此传感器量程为80 mm。

3    磁致伸缩材料选择

       波导丝材料的选择影响着传感器的精度，磁致伸缩材料的优劣主要根据饱和磁致伸缩系数以及居里温度来判断。根据制备材料的元素可以将磁致伸缩材料分为 3类：1）最常见的铁基合金材料，磁致伸缩系数较低，一般为 20×10–6~80×10–6；2）稀土金属合金材料也称超磁致伸缩材料具有较高的磁致伸缩系数（1 600×10–6），但是制作工艺复杂、价格昂贵且所需磁化磁场高，与本设计理念不符；3）铁氧体材料不仅具有较高的磁致伸缩系数，一般 1 000× 10–6~2 000×10–6，而且价格低廉、电阻率高[13]。由于铁氧体材料性能很脆，不适合制作较长的波导丝，从而没有得到广泛应用。本设计测量长度仅为80 mm，可选用 NiZn铁氧体材料制作成波导丝，并使用铝套管对其进行保护。该类波导丝能够接收并发出高频信号，产生与其他材料制作的波导丝相比更高的感应电动势，从而大大提高了传感器的精度。

4    磁致伸缩位置传感器电路设计

       传感器的硬件电路设计结构图主要包括以 PIC16f18313为核心的激励脉冲发生电路和过零检测电路以及时间检测电路。

       PIC16f18313单片机具有丰富的外设，超低功耗等优点，可以通过应用各种不同外设进行设计并且简洁实用。该单片机的工作电压为3.3 V，主要功能为产生激励脉冲以及接收并处理 PWM波的电压信号。

4.1    激励脉冲发生电路

       因为激励脉冲对扭转波的产生至关重要，脉宽以及周期的不同都影响着输出电压的大小和稳定性，所以需要通过实验决定合适的激励脉冲[14]。本设计采用方波窄脉冲作为激励脉冲，幅值为 5 V时接收到的回波脉冲幅值是最大的，根据 PIC 单片机的特性选用 12 ns的脉宽。由于扭转波从产生到传播到感应线圈需要一段时间，在下一个激励脉冲产生之前扭转波需要被接收，因此激励脉冲的周期需要大于扭转波最大被接收时间。通过实验决定激励脉冲的周期为1 600 ns。

       PIC16f18313单片机具有两个PWM模块，可用于产生指定周期和占空比的激励脉冲。由于该单片机只有 8个引脚，因此部分模块需通过分配给指定引脚来实现功能。芯片的工作电压为 3.3 V，本设计设定的脉冲幅值为 5 V，因此需要对脉冲信号进行放大处理。本文使用的 74HC02芯片就可实现这一功能，该芯片是一种施密特反转芯片，可对两路信号进行整型放大，它具有较小的延迟，也能去除单片机产生脉冲信号的毛刺。该芯片的工作电压为

5 V，脉冲信号可通过反转变形从而使幅值变成5 V。
4.2    过零检测电路

       为了得到精确的时间间隔，同时回波脉冲具有一个明显的零点作为参照物，从而选用过零检测电路来判断出扭转波在波导丝中的传播时间。回波脉冲在电路中具有传播时间，所以本设计中用激励脉冲经过同样的整型滤波电路的方法来消除这一时间误差。过零检测电路的原理图如图 4所示。激励脉冲的脉宽很窄，需要经过整型才能得到符合检测电路的理想波形。电路中装配的 BFS17P芯片为 NPN型三极管，主要是起到开关的作用。当三极管的基极和发射极之间的电压小于 0.7 V时，可以视为开关断开，相反两极之间的电压大于 0.7 V时视为开关闭合。为了使激励脉冲的电压能短时间内高于0.7 V，需要经过微分电路来进行波形变化，使能三极管，从而得到一个宽脉宽的脉冲波，便于之后电路的波形变化。

       回波脉冲的过零检测电路设计和激励脉冲的电路相同，首先微弱的电压信号通过微分电路整形，再经过上拉电阻使信号的电压在较窄宽度内高于0.7 V，最后在三极管的作用下得到和激励脉冲整形后输出信号相同的波形，为后续波形比较做准备。
4.3    时间检测电路

        由于本传感器所测量的长度只有 80 mm，扭转波在波导丝中的传播速度可达 3 300 m/s。想要精确测得时间比较困难，通过过零检测电路延长回波脉冲的传播时间可以减小测量误差，另一路过零检测电路作为补偿电路又抵消了这一段增加的时间，从而会产生两个脉冲波。本设计使用74HC02芯片对这两个检测脉冲进行比较，将扭转波传播时间转化为 PWM波的脉宽。

        74HC02芯片具有四路与非门，本设计使用其中两路将激励脉冲在电路中的传播时间转变成PWM1波的脉宽，其他两路将回波脉冲的传播时间转变成 PWM2波的脉宽。当最初的激励脉冲输入时芯片输出高电平，过零检测脉冲或者激励检测脉冲输入时芯片输出低电平，从而得到脉宽随时间变化的 PWM波。这两路波形再通过积分电路转化成模拟电压输入 PIC16f18313单片机，单片机使用模/数转换模块以及捕获模块输出抵消电路传播时间并且脉宽与扭转波传播时间成正比的PWM波。

5    磁致伸缩位置传感器软件设计

        磁 致 伸 缩 位 置 传 感 器 的 软 件 设 计 是 以PIC16f18313单 片 机 为 系 统 核 心 ， 并 且 程 序 在Mplab X IDE 开发环境下进行编写。根据传感器需要实现的功能进行程序的模块化编写，避免各功能之间的干扰。主要可分为初始化模块、激励脉冲发生模块、PWM波形捕获模块以及波形比较输出模块。首先，对单片机的各个模块进行初始化以及设置振荡器，PIC16f18313单片机具有内部振荡器也可外设振荡器，本设计为了满足小巧便携的特性于是选用内部振荡器，内部振荡器包含高频和低频两类，由于需产生相对较窄脉宽的脉冲，因此设置32 MHz的内部时钟源。PIC16f18313通过 PWM模块和定时器模块来产生激励脉冲，设置 PR2寄存器决定脉冲周期，TMR2寄存器的值决定脉冲脉宽，最终输出周期为 1.6 µs和脉宽为 12 ns，从而可以计算出占空比。单片机输出该脉冲需配置 PPS寄存器将信号输送到指定引脚。当两路脉冲经过变形传输回 PIC16f18313时，芯片自带的模数转换器模块选取外部输入通道和内部输入通道将模拟电压转变成数字信号。最后运用 CCP模块的比较模块将在模数转换器中得到的数字信号作为比较参考值，当定时器的值与参考值相等时输出对应波形，该输出波形为消除电路传播时间的 PWM脉冲，此脉冲和扭转波在波导丝的传播时间成正比。

6    实验数据分析

       本设计通过计算该传感器的相对误差、线性度以及迟滞性来判断其测量精度。将传感器的量程范围 80 mm 平均分成 16段，每段间隔 5 mm。以准度为 1 mm的直尺作为标准，正反向移动磁环通过万用表读出电压值并记录数据，即为表 1所得实验数据。由表可知，最大绝对误差为 0.4 mm，最大相对误差为 8.0%，此相对误差出现在标准值为 5 mm时，但其他位置相对误差均较小，造成此现象的原因为磁环靠近零点位置时输出电压变化缓慢。

6.1    线性度

       线性度表示传感器实际输出曲线和理论输出曲线之间的偏离程度。线性度=最大误差/满量程电压，选择实验的正向和反向测量进行最小二乘法拟合。通过和实际输出电压比较得到最大误差为0.024 3 V，从而可以计算出线性度为 1.2%。

6.2    迟滞

        根据传感器一次正反测量的数据，相同位置输出电压不一致程度被称为迟滞。迟滞反映了传感器材料本身响应及传感器机械结构和制造工艺上的缺陷程度，迟滞越小，说明传感器机械结构缺陷越小。

7    结束语

        本设计选用 PIC16f18313单片机作为传感器系统的核心，并且采用脆性高的铁氧体材料制作长度为 80 mm的波导丝，通过实验确定激励脉冲的各种参数从而获得幅值最大的扭转波。运用 PIC单片机自带的 PWM模块、CCP模块、模数转换器以及定时器模块实现相应功能最后输出与扭转波传播时间成正比的 PWM波。通过 Matlab将实验数据拟合并计算出传感器的最大相对误差为 8.0%，线性度为 1.2%，迟滞性为 0.167%，均符合基本设计要求。

        该传感器成本低，体积小而且结构简单，适用于测量狭小环境中的位置变化或者工业中微小位置的测量，该设计为此类型的传感器智能化提供一定的技术基础。

 

 

 

 

 

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