摘要：介绍了磁致伸缩位移传感器的构造、工作道理及旌旗灯号特点，应用单片机对位移进行精确的测量，并对磁致伸缩位移传感器的输出模仿旌旗灯号进行数字化处理，获得精确的数字旌旗灯号，使得磁致伸缩位移传感器操作简单、交换性好、有效传递数据距离长。
关键词：磁致伸缩；传感器；单片机；数字化；位移

引言


１ 磁致伸缩位移传感器简介

１．１ 传感器的构造

磁致伸缩位移传感器由两部分构成：一部分是套有晃荡磁铁的测量杆；另一部分是位于测量杆上端的测量电路。磁致伸缩位移传感器的构造如图１所示。图１中，磁致伸缩位移传感器重要包含以下几部分：波导丝、保护管套、移动磁铁、电路板部分。测量管是全部传感器的核心传感部分，这一部分又包含：偏置磁铁、波导丝、保护管套、末尾衰减阻尼装配、非接触磁环、转换器输出。

图１ 磁致伸缩式位移传感器构造

１．２ 传感器的工作道理

磁致伸缩线被安装在不锈钢管内，钢管外侧可自由滑动，电子装配中的脉冲产生器产生电流脉冲（肇端脉冲）并沿波导线传播，产生的磁场与晃荡磁环固有的磁场矢量叠加，形成螺旋磁场，产生瞬时扭力，使波导线扭动并产生张力脉冲（波导脉冲），这个脉冲以固定的速度沿波导传回，在线圈（转换器）两端产生感应脉冲（终止脉冲），经由过程测量肇端脉冲与终止脉冲之间的时光差就可以精确地肯定被测位移量犤１犦。如图２所示。因为张力脉冲在波导管上的速度恒定，用测得的时光差乘以此速度，得出磁环的地位。这个过程是持续赓续的，每当磁环活动时，新的地位就会被感测出来。

图２ 磁致伸缩位移传感器波形

１．３ 旌旗灯号特点及存在的问题

今朝，要想直接测量传感器肇端、终止脉冲的时光距离，获得精确的地位量，不易实现。现阶段采取的办法是，把两个脉冲旌旗灯号的时光距离转换为正比于磁环地位的ＰＷＭ旌旗灯号，然后以电流环的情势输出。在实际测量过程中，传感器内电流脉冲和感应脉冲会对输出旌旗灯号产生必定的干扰；并且传感器本身的磁性材料感应的磁场与波导管内的电流之间弗成避免地会产生电磁干扰（ＥＭＩＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ），使得测量所得的输出旌旗灯号有必定程度的畸变，如图３所示，等于将传感器的电流环输出旌旗灯号转换为电压旌旗灯号获得的波形。别的，如不雅须要在同一个体系中同时应用几钢磁致伸缩位移传感器进行位移测量时，传感器互相之间也会有干扰。这些干扰旌旗灯号的存在使得控制体系的动、静态机能不好，对精度高、响应频率快的┞菲握体系而言，其影响程度是很明显的，会影响到体系的稳定，必须予以清除。设计一个基于单片机的传感器旌旗灯号处理体系，将处理后获得的稳定的输出旌旗灯号，以数字旌旗灯号的情势直接经由过程长途通信传送给计算机进行控制，使得该类型磁致伸缩位移传感器输出旌旗灯号稳定、精度高、传输距离远，与控制体系接口简单、交换性好、实用性强，使传感器更具智能化，整体机能获得极大年夜的优化进步。

图３ 磁致伸缩位移传感器旌旗灯号的原始波形

２ 在位移测量中的应用

２．１ 体系构造

磁致伸缩位移传感器位移测量体系的硬件构造如图４所示。因为磁致伸缩位移传感器采取相符工业控制标准的４～２０ｍＡ电流环输出的情势，故须要先把传感器的输出电流旌旗灯号转换为电压旌旗灯号，再采集出来进行Ａ／Ｄ转换，然后输出给单片机进行旌旗灯号处理以及通信处理，最后将幻想的传感器旌旗灯号以二进制方法传送给液晶示屏和ＰＣ机。传感器的电路是由敏感元件头、接收电路、旌旗灯号整形电路、参数校订输入电路、计算机处理电路、显示电路、测量参数输出电路等构成。

图４ 体系硬件设计

２．２ 微处理电路

单片机选用ＡＴＭＥＬ公司基于ＣＭＯＳ工艺的８位微处理器ＡＴ８９Ｃ４０５１，与ＭＣＳ－５１产品系列的指令完全兼容，片内含有４ｋｂ的ＦｌａｓｈＥＰＲＯＭ，它最凸起的特点是芯片体积小，只有２０个引脚，特别合适于小型化体系的设计。别的，ＡＴ８９Ｃ４０５１价格便宜，性价比较高。

２．３ 旌旗灯号整形电路


图５为应用了数字化处理体系传感器的磁环分别处于静态和动态时的测量特点犤４犦。图５（ａ）注解体系有优胜的测量精度和稳定性，误差只有１个ＬＳＢ；图５（ｂ）注解本体系具有优胜的动态测量特点。

磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩道理制造的高精度、长行程绝对地位测量的位移传感器。它采取非接触的测量方法，因为测量用的晃荡磁环和传感器自身并无直接接触，不至于被磨擦、磨损，因而其应用寿命长、情况适应才能强，靠得住性高，安然性好，便于体系主动化工作，即使在恶劣的工业情况下（如轻易受油溃、尘埃或其他的污染场合），也能正常工作。此外，它还能遭受高温、高压和强振动，现已被广泛应用于机械位移的测量、控制中，但这种测量办法存在一些不足之处：①模仿旌旗灯号抗干扰才能有限，不克不及远距离传输；②因为电路转换惹人噪声，使其测量精度不高；③旌旗灯号交换性差，还须要昂贵的Ａ／Ｄ交换设备等。应用单片机及其外围电路进行较好的处理，实现了多点高精度测量，并经由过程ＲＳ－４８５串行通信实现远距离传输及接入工业监测网。别的，因为采取ＰＩＣ低功耗单片机及其他低功耗芯片，优化电路构造，使体系功耗大年夜大年夜降低。
图５ 磁致伸缩位移传感器静、动态特点

２．４ 参数输入改┞俘电路

改┞俘电路是由ＭＡＸ２５Ｃ０４５、键盘和选择开关构成，功能是对传感器的零位、满量程进行调剂，并对波导电流脉冲传递速度设定和参数存储。
采取基于沃森传感器采取被测旌旗灯号特点量的滑动数字滤波算法。如图３所示，就是磁环在静止状况下，传感器输出的模仿旌旗灯号波形。可以看出，在测量稳定值上叠加有一个频率较高的干扰旌旗灯号存在，其最大年夜峰－峰值袈浼为２５ｍＶ，周期为４４０μｓ。如不雅直接将单次测量值采样传送给控制器，在高精度的测量场合下，随机获得非正常测量值的几率是比较高的，最大年夜误差为１济ＬＳＢ。是以，最好是对某一位移量进行持续的多次测量，获得一组Ｎ个测量值，并使这组测量值包含一个干扰周期，便大年夜中获得一个可以或许代表精确值的测量值。旌旗灯号整形电路的构造包含测量运算放大年夜器、光电耦合器；功能是对测量放大年夜旌旗灯号整形后送计算机。８９Ｃ４０５１是体系硬件实现数字化处理的核心部分，它的主频工作在吃紧．０５９２ＭＨｚ，包含有一个外围复位电路。重要用于完成控制Ａ／Ｄ转换、旌旗灯号处理、向主机和ＬＣＤ以串行方法发送数据等几个方面的功能。用单片机的Ｐ３口作为Ａ／Ｄ转换及通信的┞菲握线。在攫取Ａ／Ｄ转换值瓯，直接用ＰＩ口分两次读入１２位Ａ／Ｄ转换值。

２．５ 显示电路
重要根据ＬＣＤ显示器的构造与道理，把要显示的数字对应的码转换写出，即写出对应的段选码表，大年夜显示主法度榜样中调用该表，就可以在ＬＣＤ上显示出传感器的输出变更值。

２．６ 测量参数输出电路

数据输出包含１２ｂｉｔ高速Ｄ／Ａ转换鸢熏ＭＡＸ５３０２及运算放大年夜器输出０～５Ｖ，０～１０Ｖ，０～１０ｍＡ，４～２０ｍＡ的测量数据；二进制数据输出包含４８５接口芯片ＭＡＸ１４２８输出二进制测量数据，数据传递距离可达１０００ｍ以上。

３ 磁致伸缩位移传感器的成长偏向
ＭＴＳ公司正在研制的ＴｅｍｐｏｓｏｎｉｃｓＥＲ型位移传感器代表了磁致伸缩位移传感器的成长偏向。ＴｅｍｐｏｓｏｎｉｃｓＥＲ型位移传感器是磁致伸缩测量原则，应用对超声波（传感器产生的扭转波脉冲）精确的速度、时光测量计算出目标地位。传感器经由过程处理旌旗灯号转换过程将测量结不雅直接转换为标准输出量。磁致伸缩位移传感器已向着测量距离长、测量精度高的偏向成长。将来采取模块化设计、模块化组装、数字化输出、抗强电磁干扰和温度检测补偿等技巧，将使该类传感器成本大年夜幅降低，机能明显进步，应用范围加倍广泛。为知足传感器工程化、实用化请求，传感器在最恶劣的工业情况下也具有耐用的特点，无论所测的目标地位艰苦与否，传感器都将根据实际情况进行参数调剂并设备响应的构造以合适应用体系。传感器的构造和封装技巧也有待于冲破，并实现机械设计和电子装配的有效综合。


４ 停止语

采取单片机芯片和ＥＩＡ ＲＳ－４＞／４８５国际串行数据传输标准电路，内置电子模块采取超小型电子元件贴面焊接，能使新型磁致伸缩传感器加倍稳定、靠得住，传感器的数据传输距离大年夜大年夜加长，并且可与ＰＬＣ、计算机等直接通信，节俭了昂贵的变送器、Ａ／Ｄ转换，大年夜而应用该磁致伸缩传感器构成的测控体系加倍便利、稳定，成本也大年夜大年夜降低。

在进步波导丝的弹性模量和机械强度的同时包管其稳定的伸缩系数，是研制敏感元件的关键，也是开辟磁致伸缩位移传感器相当重要的一环，高精度的时光检陈技巧和抗恶劣情况的封装技巧也不容忽视。磁致伸缩位移传感器的研究有着广阔的市场前景。