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基于磁致伸縮位移傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種時(shí)差比例測(cè)量方法。對(duì)系統(tǒng)中不可避免的干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量精度不受控制器時(shí)鐘頻率、扭轉(zhuǎn)波傳播速度變化的影響，還能簡(jiǎn)化降噪系統(tǒng)，提高測(cè)量精度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

1、時(shí)差比例位移測(cè)量法原理

①脈沖信號(hào)產(chǎn)生與捕獲模塊觸發(fā)產(chǎn)生周期激勵(lì)始發(fā)脈沖至磁致伸縮位移傳感器波導(dǎo)絲輸入端3，根據(jù)磁致伸縮原理，在波導(dǎo)絲4上產(chǎn)生瞬時(shí)扭轉(zhuǎn)波向兩邊傳播，主控制器捕獲定時(shí)器寄存器當(dāng)前值并記錄為n1；

②扭轉(zhuǎn)波到達(dá)電子倉(cāng)2時(shí)被感應(yīng)線(xiàn)圈感應(yīng)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，主控制器捕獲定時(shí)器寄存器當(dāng)前值并記錄為n2；

③扭轉(zhuǎn)波到達(dá)波導(dǎo)絲始端3返回到達(dá)電子倉(cāng)2內(nèi)被線(xiàn)圈感應(yīng)，捕獲定時(shí)器寄存器當(dāng)前值記錄為n3；

④根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，激勵(lì)信號(hào)始端3和電子倉(cāng)2之間的距離為定長(zhǎng)L，結(jié)合信號(hào)捕獲時(shí)刻脈沖數(shù)及數(shù)學(xué)原理，所測(cè)位移按式計(jì)算。X=（n2-n1）/（n3-n2）*2L，1為磁環(huán)（所測(cè)位置）；2為電子倉(cāng)；3為傳感器波導(dǎo)絲輸入端；4為波導(dǎo)絲；5為末端阻尼器；6為回路導(dǎo)線(xiàn)；X為所測(cè)位移；L為感應(yīng)線(xiàn)圈2到波導(dǎo)絲輸入端3長(zhǎng)度L為定長(zhǎng)，不隨外界環(huán)境條件的變化而變化，并且測(cè)量出的值在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中可以重復(fù)使用，為確保測(cè)量精度，采用類(lèi)似的方法首先測(cè)量出L的值。在外界環(huán)境條件一定的情況下，查表得出扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲上傳播對(duì)應(yīng)的速度。利用主控制器捕獲扭轉(zhuǎn)波首先到達(dá)感應(yīng)線(xiàn)圈時(shí)刻寄存器的值k1，其次到達(dá)感應(yīng)線(xiàn)圈時(shí)刻寄存器的值k2，一致主控制器頻率f0的條件下，根據(jù)計(jì)算得出L的長(zhǎng)度。L=（k2-k1）*1/f0需要指出的是，從激勵(lì)脈沖產(chǎn)生到在測(cè)量位置處產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波（即從磁致伸縮位移傳感器波導(dǎo)絲輸入端3處流入，到測(cè)量位置1處產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波）這之間存在一定的時(shí)間間隔，但激勵(lì)脈沖信號(hào)再波導(dǎo)絲上的傳播速度非常快，可達(dá)3*103m/s，這相對(duì)于扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲上的傳播速度2800m/s而言，速度十分快，而且所測(cè)位移不大，就可以忽略這很小的時(shí)間間隔，認(rèn)為測(cè)量位置產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波的時(shí)刻即為激勵(lì)脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)1瞬時(shí)加載到測(cè)量回路中，感應(yīng)線(xiàn)圈中立即產(chǎn)生強(qiáng)大的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)化為通道2中的脈沖信號(hào)2.感應(yīng)線(xiàn)圈屬于儲(chǔ)能原件，脈沖并不能立刻消失。這并不影響捕獲脈沖信號(hào)，當(dāng)下一個(gè)脈沖信號(hào)3到來(lái)時(shí)，感應(yīng)線(xiàn)圈中的能量已經(jīng)釋放完畢，脈沖信號(hào)2消失。脈沖信號(hào)3為捕獲到的扭轉(zhuǎn)波首先到達(dá)感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖，脈沖信號(hào)4為扭轉(zhuǎn)波返回感應(yīng)線(xiàn)圈時(shí)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路處理過(guò)的感應(yīng)脈沖。經(jīng)主控制器捕獲計(jì)算處理，即可得所測(cè)位移。

2、系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)模塊框圖測(cè)量系統(tǒng)采用LM3S8962為主控制器，通過(guò)可編程控制觸發(fā)周期激勵(lì)脈沖，激勵(lì)脈沖經(jīng)放大電路驅(qū)動(dòng)傳感器工作，傳感器返回信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理模塊處理送至控制器采集運(yùn)算。后通過(guò)串口與上位機(jī)通信，發(fā)送測(cè)量結(jié)果。

2.1脈沖信號(hào)產(chǎn)生與捕獲模塊

以L(fǎng)M3S8962主控制芯片為核心。LM3S8962主控制芯片采用5V電壓供電，通過(guò)可編程控制，經(jīng)外部晶振電路，從PWM口產(chǎn)生固定頻率的脈沖激勵(lì)信號(hào)。視傳感器具體測(cè)量位移而定，若所測(cè)位移在小范圍之內(nèi)，頻率就相對(duì)高。

該主控制芯片變成基于LAR Embedded Workbench for ARM編譯環(huán)境。LM3S系列控制器有顯著優(yōu)勢(shì)，外部晶振固有頻率為6MHz，可以通過(guò)內(nèi)部的PLC將頻率提升20MHz、25MHz，甚至50MHz。由于LM3S8962主控制芯片集成串行通信功能，通過(guò)變成設(shè)置，實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信?？刂破魇冀K頻率高，使得捕獲脈沖的分辨率也高，能準(zhǔn)確到0.02us。定時(shí)器被配置為自由運(yùn)行的遞減計(jì)數(shù)器，其初值從GPT-MTnlLR寄存器中加載（復(fù)位時(shí)初始化為0xFFFF），該模式允許在上升沿或下降沿捕獲時(shí)間。在捕獲事件之后，定時(shí)器繼續(xù)計(jì)數(shù)直到為0x0000狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到邊沿事件時(shí)，當(dāng)前定時(shí)器計(jì)算值自動(dòng)保存在GPTMTnR寄存器中，且該值一直保持在寄存器中直到檢測(cè)到下一個(gè)邊沿事件。

2.2激勵(lì)脈沖放大電器

主控制產(chǎn)生的脈沖不足以驅(qū)動(dòng)傳感器工作，需增設(shè)激勵(lì)脈沖信號(hào)放大電路。激勵(lì)脈沖經(jīng)三極管射極跟隨緩沖電路將脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)N溝道增強(qiáng)型MOSFET管連接磁致伸縮位移傳感器波導(dǎo)絲輸入端3處，構(gòu)成回路以驅(qū)動(dòng)傳感器工作。

2.3信號(hào)處理模塊

由信號(hào)放大電路、低通濾波電路和帶阻濾波電路組成。扭轉(zhuǎn)波經(jīng)過(guò)感應(yīng)線(xiàn)圈變換后再次到達(dá)感應(yīng)線(xiàn)圈時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，經(jīng)過(guò)電磁感應(yīng)原理輸出為幅值較小的脈沖信號(hào)。由于主控制器難以捕獲幅值較小的脈沖信號(hào)，須增設(shè)一個(gè)信號(hào)放大電路。

信號(hào)放大電路采用OPA2899放大芯片，該芯片集成了兩級(jí)放大電路，信號(hào)經(jīng)一級(jí)放大電路放大10倍。輸出經(jīng)低通濾波電路，濾掉其中的高頻信號(hào)部分。低頻信號(hào)中，由于受固有電廠(chǎng)頻率干擾，50Hz的干擾信號(hào)尤為常見(jiàn)，因而又串接一個(gè)帶阻濾波電路，去除50Hz的干擾信號(hào)成分，再經(jīng)過(guò)二級(jí)放大電路，放大10倍，后輸出為放大100倍的理想信號(hào)，并送至主控制器進(jìn)行捕獲處理。整個(gè)信號(hào)處理模塊采集度高，電路簡(jiǎn)單，易操作。

3、與傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)比理論分析

上述系統(tǒng)搞設(shè)計(jì)，通過(guò)分析，時(shí)差比例位移測(cè)量方法有如下明顯優(yōu)勢(shì)：

①本測(cè)量方法精度基本不受控制器始終頻率變化影響。一般的，單片機(jī)的時(shí)鐘震蕩頻率會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間工作等外部因素產(chǎn)生漂移。按原有的位移測(cè)量方法，根據(jù)式X=v*t，再一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)默認(rèn)頻率不發(fā)生變化，若實(shí)際頻率偏高，時(shí)鐘計(jì)數(shù)值偏大，時(shí)間與速度乘機(jī)偏大，導(dǎo)致X值偏大，誤差產(chǎn)生。而采用本方法計(jì)算時(shí)

x=（n2-n1）/（n3-n2）*2L=（△T1/△T2）*2L=（M*1/f）/（N*1/f）*2L，M和N分別為在△T1和△T2時(shí)間段內(nèi)的脈沖數(shù)，f為主控制器采用的時(shí)鐘頻率，所測(cè)位移與固定長(zhǎng)度成定比K，則脈沖數(shù)M與N也成定比K，有公式可知，不管頻率f如何改變，分子分母中關(guān)于f變量相消，可見(jiàn)該方法不受控制器始終頻率變化的影響。

②本測(cè)量方法精度基本不受扭轉(zhuǎn)波傳播速度變化影響。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)受外界溫度變化影響，波導(dǎo)絲老化，會(huì)造成扭轉(zhuǎn)波傳播速度漂移。按傳統(tǒng)方法測(cè)量定長(zhǎng)時(shí)，根據(jù)式X=v*t，當(dāng)實(shí)際速度減小，測(cè)量時(shí)間變大，而系統(tǒng)處理器默認(rèn)的速度未變，則導(dǎo)致速度與時(shí)間的乘積變大，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏大，偏差產(chǎn)生。當(dāng)采用本方法時(shí)，根據(jù)式計(jì)算

X=（n2-n1）/（n3-n2）*2L={(n2-n1)*1/f}*2L/(n3-n2)*1/f={(n2-n1)/f}*v1，v1為扭轉(zhuǎn)波傳播的實(shí)際速度，后結(jié)果X為實(shí)際速度與實(shí)際時(shí)間的乘積?？梢?jiàn)該方法不受扭轉(zhuǎn)波傳播速度變化影響。

4、試驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證方法的合理性與可行性，將實(shí)驗(yàn)部分測(cè)量裝置放置于恒溫箱內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。通過(guò)改變環(huán)境溫度影響扭轉(zhuǎn)波的船舶速度及主控制器的頻率。在常溫下測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)位移50mm、75mm后，保持測(cè)量位置不變，調(diào)節(jié)恒溫箱溫度為-20℃、0℃、40℃、100℃分別采用傳統(tǒng)測(cè)量方法和時(shí)差比例位移測(cè)量方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

從測(cè)量數(shù)據(jù)可知，較傳統(tǒng)磁致伸縮位移測(cè)量方法，時(shí)差比例位移測(cè)量方法在溫度變化范圍較大時(shí)，測(cè)量結(jié)果距真實(shí)值偏差較小，測(cè)量結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，降低了系統(tǒng)測(cè)量誤差。在測(cè)量溫度變化范圍內(nèi)，傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的相對(duì)誤差為0.24%，時(shí)差比例位移測(cè)量方法產(chǎn)生的相對(duì)誤差為0.14%，相對(duì)誤差減小0.10%。將工作溫度提升到正常承受的工作溫度外20℃時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)量方法得到的數(shù)據(jù)漂移較大，相對(duì)誤差達(dá)0.48%，而采用時(shí)差比例測(cè)量方法得到的測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差雖有所變大，但也趨于穩(wěn)定。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，測(cè)量環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)波速度、主控芯片頻率漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果影響小，提高了測(cè)量精度，拓寬了正常工作環(huán)境溫度范圍。

5、結(jié) 論

文針對(duì)現(xiàn)有的磁致伸縮位移傳感器測(cè)量方法的不足之處，采用時(shí)差比例位移測(cè)量方法，結(jié)合脈沖放大電路、信號(hào)處理電路等實(shí)現(xiàn)了測(cè)量精度受固有時(shí)鐘頻率、扭轉(zhuǎn)波傳播速度變化影響較小的設(shè)計(jì)，既簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，又節(jié)約了成本。分析論證了該方法位移測(cè)量時(shí)抗干擾穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，為磁致伸縮位移測(cè)量方法提供了一種全新的思路，具有較高的使用價(jià)值和推廣意義。