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磁致伸縮位移傳感器利用材料的磁致伸縮效應(yīng)對位移進(jìn)行非接觸式絕對測量 ,它具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) ,而且永遠(yuǎn)不需要定期重標(biāo)或擔(dān)心斷電后歸零的問題。近年來 ,國外磁致伸縮位移傳感器性能有很大的提高 ,德國Balluff的SSI微脈沖傳感器最大非線性為±30μm、美國MTS的R 系列位移傳感器的非線性度小于滿量程的 ±0.01%。國內(nèi)某些科研單位和企業(yè)對該類傳感器的研制也正在進(jìn)行積極的探索 ,并取得了一定的進(jìn)展。但目前國內(nèi)外磁致伸縮位移傳感器的電路系統(tǒng)比較復(fù)雜 ,工藝要求高 ,實(shí)現(xiàn)難度較大。為了在保證傳感器性能的前提下顯著降低電路成本 ,本文提出以TI 的超低功耗微處理器MSP430為核心的磁致伸縮位移傳感器電路方案 ,簡潔高效 ,而且傳感器的信號更易控制和處理。

首先傳感器電路對磁致伸縮波導(dǎo)絲施加一瞬時(shí)電流激勵(lì)脈沖 ,當(dāng)電流沿波導(dǎo)絲傳播時(shí) ,伴隨產(chǎn)生一個(gè)圍繞波導(dǎo)絲的環(huán)形磁場 ,同時(shí)傳感器的永久磁鐵組件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平行于波導(dǎo)絲的磁場 ,根據(jù)磁致伸縮效應(yīng) ,在兩磁場相遇處會(huì)產(chǎn)生機(jī)械扭轉(zhuǎn)波 ,并以固定速度分別向波導(dǎo)絲兩端傳播 。在波導(dǎo)絲的遠(yuǎn)端通過阻尼器衰減扭轉(zhuǎn)波 ,以保證其不會(huì)在波導(dǎo)絲上反射；近端利用感應(yīng)線圈拾取扭轉(zhuǎn)波信號 ,傳感器電路對其進(jìn)行處理產(chǎn)生感應(yīng)脈沖。由于電流在波導(dǎo)絲上近似光速傳播 ,而扭轉(zhuǎn)波傳播速度一定 ,所以通過測量施加瞬時(shí)電流激勵(lì)脈沖和接收到感應(yīng)脈沖之間的時(shí)間間隔 ,便可精確地計(jì)算出永久磁鐵的位置 ,實(shí)現(xiàn)絕對位移的測量。

1、傳感器電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

提出的磁致伸縮位移傳感器的電路結(jié)構(gòu)MSP430的定時(shí)器模塊產(chǎn)生占空比和周期可調(diào)的控制脈沖S1 ,經(jīng)過功率放大后驅(qū)動(dòng)波導(dǎo)絲 ;感應(yīng)線圈接收到磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的微弱回波信號S2,經(jīng)過處理后得到感應(yīng)脈沖S3；時(shí)間測量電路中先將控制脈沖S1和感應(yīng)脈沖S3整合成與扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中傳播時(shí)間成正比的PWM信號 ,再通過計(jì)數(shù)法測量出 PWM信號的寬度 ,即可得到相應(yīng)位移值。所設(shè)計(jì)的傳感器輸出信號為0～10V模擬電壓。

1.1 脈沖功率放大電路

根據(jù)磁致伸縮效應(yīng) ,對施加于波導(dǎo)絲的瞬時(shí)電流激勵(lì)脈沖有嚴(yán)格要求。首先，為了形成較強(qiáng)的環(huán)形磁場 ,電流脈沖應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度 ,考慮到波導(dǎo)絲的低阻值負(fù)載特性 ,應(yīng)對控制脈沖進(jìn)行功率放大 ,提高其驅(qū)動(dòng)能力；其次 ,為了獲得質(zhì)量較好的感應(yīng)信號 ,電流脈沖的寬度應(yīng)維持在微米級；另外 ,電流脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間應(yīng)盡可能短;還應(yīng)結(jié)合傳感器的量程和扭轉(zhuǎn)機(jī)械波的傳播速度 ,選擇合適的電流脈沖周期 ,使其大于扭轉(zhuǎn)機(jī)械波在波導(dǎo)絲中的最長傳播時(shí)間 ,考慮到傳感器的刷新率 ,電流脈沖的周期也不宜太長。

利用MSP430定時(shí)器的捕獲比較模塊產(chǎn)生一周期為1ms、脈沖寬度為 5μs的控制脈沖，其上升時(shí)間和下降時(shí)間均為200ns左右，滿足基本要求。由于微控制器輸出信號驅(qū)動(dòng)能力較弱，必須對其進(jìn)行功率放大。考慮到激勵(lì)脈沖的幅值要求，本文分別選用增強(qiáng)型MOS管FQ PF4N20和推挽式驅(qū)動(dòng)芯片L293進(jìn)行試驗(yàn) ,對控制脈沖進(jìn)行功率放大 ,均取得了理想效果：得到一幅值為12V的脈沖電壓信號，將其加載到500mm長的波導(dǎo)絲(阻值為5Ω左右)兩端，波導(dǎo)絲中傳播的瞬時(shí)脈沖電流強(qiáng)度超過2A ,滿足了上述激勵(lì)脈沖的要求。

1.2 信號放大與整形電路

感應(yīng)線圈檢測到的扭轉(zhuǎn)波信號是mV級的微弱信號 ,而且還有雜波干擾 ,必須進(jìn)行濾波、放大等處理。為了后續(xù)電路能夠進(jìn)一步對其處理 ,還應(yīng)將放大后的信號通過電平比較后得到感應(yīng)脈沖。傳感器感應(yīng)信號S2每周期有兩個(gè)信號波形 ,前一個(gè)信號是感應(yīng)到的激勵(lì)脈沖 ,另一個(gè)信號是感應(yīng)到的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波信號。

考慮到需要對微弱信號進(jìn)行高倍的放大且噪聲為共模信號 ,選用低噪聲的差動(dòng)放大器對信號進(jìn)行處理 ,它不僅能提供足夠的放大倍數(shù)、高共模抑制比 ,而且可以有效抑制零點(diǎn)漂移。再通過二階帶阻有源濾波器對信號進(jìn)行濾波 ,得到S2所示幅值較大的感應(yīng)信號。將該信號通過電平比較器得到S3所示的感應(yīng)脈沖信號 ,這樣不僅消除了模擬信號上小幅值雜波的影響 ,而且方便后續(xù)數(shù)字電路對信號進(jìn)一步處理。

1.3 高精度時(shí)間測量電路

由于傳感器通過檢測控制脈沖的產(chǎn)生和接收到感應(yīng)脈沖的時(shí)間間隔來確定位移 ,所以高精度的時(shí)間測量是傳感器高準(zhǔn)確度的重要保證 。通過觀察磁致伸縮位移傳感器高精度時(shí)間測量電路的結(jié)構(gòu)圖與信號時(shí)序圖可以發(fā)現(xiàn) ,線圈感應(yīng)到的控制脈沖S3相對于控制脈沖S1已經(jīng)有了一定延時(shí)。為了消除其對時(shí)間測量的影響，將S1先通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使邏輯低電平適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，得到S4所示延時(shí)脈沖。再S4和感應(yīng)脈沖S3通過RS觸發(fā)器，得到一PWM信號S5,其寬度即為控制脈沖S1和感應(yīng)脈沖S3的時(shí)間間隔，且隨傳感器磁鐵組件位置變化而變化。將PWM信號S5作為閘門信號控制對高頻脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可精確測量出時(shí)間間隔 。

由于MSP430工作頻率僅有12MHz，無法滿足高精度時(shí)間測量的需要，設(shè)計(jì)了兩級計(jì)數(shù)器時(shí)間測量電路。先用十六進(jìn)制高速計(jì)數(shù)器74F161 (低位計(jì)數(shù)器) 對高頻脈沖計(jì)數(shù)，再利用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器TB1(高位計(jì)數(shù)器) 對低位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號計(jì)數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對最高達(dá)130M Hz(受74F161最高計(jì)數(shù)頻率限制) 的基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

假設(shè)基準(zhǔn)脈沖頻率為f，低位計(jì)數(shù)器和高位計(jì)數(shù)器對某PWM信號的計(jì)數(shù)值分別為N1和N2，若扭轉(zhuǎn)機(jī)械波的傳播速度為V，則該時(shí)間間隔對應(yīng)的絕對位移為S=V(N1+16×N2)×1/f設(shè)計(jì)中高頻基準(zhǔn)脈沖頻率為100MHz，傳感器理論分辨率為Δ=V/f=28μm 。

1.4模擬信號輸出電路

為方便地用于工業(yè)場合 ,傳感器應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的信號接口。選擇0～10V模擬電壓作為輸出信號。為此 ,可將MSP430中表示時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成模擬信號。考慮到傳感器的分辨率 ,選用16位DAC配合精密放大器 ,將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成0～10V的模擬電壓信號。

2、電路測試與分析

為驗(yàn)證傳感器的性能，對所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測試。傳感器使用的波導(dǎo)絲長度500mm (由于實(shí)驗(yàn)裝置限制及傳感器固有死區(qū)，傳感器的量程標(biāo)定為330mm) 。

2.1 電路信號測試

MSP430微處理器產(chǎn)生的控制脈沖脈寬5μs ,周期為1ms ,經(jīng)過功率放大后可以滿足激勵(lì)脈沖的要求，使磁致伸縮效應(yīng)得以產(chǎn)生。傳感器感應(yīng)信號波形 ,它是對感應(yīng)信號進(jìn)行放大和濾波所得，感應(yīng)到的激勵(lì)信號和扭轉(zhuǎn)波信號 ,具有較大幅值和質(zhì)量較好的波形。第三個(gè)信號是扭轉(zhuǎn)波信號經(jīng)過傳感器末端反射而形成的，說明傳感器組件的阻尼器效果不理想 ,沒有將扭轉(zhuǎn)波信號完全吸收，但由于其幅值較小 ,不影響信號的后續(xù)處理。用于高精度時(shí)間測量的PWM信號，該脈沖的寬度隨傳感器永久磁鐵組件位置的變化而改變。

2.2 傳感器精度測試

采用球柵尺對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，球柵分辨率為0.005mm。在傳感器量程范圍內(nèi)，移動(dòng)磁鐵組件，每隔5cm記錄一組數(shù)據(jù)。在量程范圍內(nèi)傳感器的輸出模擬電壓信號的誤差曲線，可見，輸出最大非線性誤差約為0.0045V，相對誤差為±0.045%。在同一工作條件下 ,將傳感器磁鐵組件按同一方向在全量程范圍內(nèi)連續(xù)移動(dòng)多次，記錄磁鐵位置及相應(yīng)輸出電壓值。傳感器的重復(fù)性良好，此外，還對傳感器的非線性、遲滯、電磁干擾等進(jìn)行了測試，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3、結(jié) 論

提出的以MSP430微控制器為核心的磁致伸縮位移傳感器電路方案，主要模塊包括脈沖功率放大電路、信號放大與整形電路、高精度時(shí)間測量電路、模擬信號輸出電路等，結(jié)構(gòu)簡明，設(shè)計(jì)成本較低。經(jīng)實(shí)際電路調(diào)試 ,作用于磁致伸縮波導(dǎo)絲的激勵(lì)脈沖效果理想，線圈感應(yīng)到的回波信號經(jīng)過差動(dòng)放大和濾波處理后信噪比較高，波形良好，時(shí)間測量電路的精度較高，輸出信號表明傳感器整體性能良好 ,基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求。使得基于磁致伸縮原理的位移傳感器的產(chǎn)品化成為可能。