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目前，常用的位移傳感器有電阻式、電容式、電感式、光柵式、超聲波、雷達(dá)式等。本文設(shè)計(jì)的位移傳感器是基于磁致伸縮效應(yīng)的磁致伸縮位移傳感器，可以實(shí)現(xiàn)非接觸、絕對(duì)式測(cè)量，具有測(cè)量精度高、量程大等特點(diǎn)，由于磁鐵和傳感器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量，因此傳感器可應(yīng)用于易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕等惡劣的環(huán)境下，此外，傳感器能承受高溫高壓和高震蕩的環(huán)境。

1、傳感器的原理

磁致伸縮位移傳感器是在法拉第電磁感應(yīng)定律、鐵磁體磁致伸縮效應(yīng)、超聲波傳輸原理等基礎(chǔ)上，配合現(xiàn)代電子技術(shù)和半導(dǎo)體工藝研制的高精度位移測(cè)量裝置。當(dāng)傳感器工作時(shí)，脈沖發(fā)生器將一個(gè)問(wèn)詢(xún)脈沖加載到波導(dǎo)絲上，該脈沖會(huì)以電磁波速沿波導(dǎo)絲向前傳播，由電磁場(chǎng)理論可得，在問(wèn)詢(xún)脈沖的影響下，波導(dǎo)絲周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于波導(dǎo)絲的環(huán)向磁場(chǎng)。當(dāng)環(huán)向磁場(chǎng)與活動(dòng)磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)相遇時(shí)，就會(huì)相互疊加產(chǎn)生螺旋形磁場(chǎng)，由磁致伸縮效應(yīng)可得，該螺旋形磁場(chǎng)使波導(dǎo)絲在活動(dòng)磁鐵當(dāng)前位置處產(chǎn)生瞬時(shí)扭轉(zhuǎn)形變，行程扭轉(zhuǎn)應(yīng)變脈沖，應(yīng)變脈沖是一種機(jī)械波，沿著波導(dǎo)絲向兩端傳播，當(dāng)扭轉(zhuǎn)波傳播到波導(dǎo)絲末端時(shí)，被阻尼器吸收，方式波的反射煩擾信號(hào)檢測(cè)。當(dāng)扭轉(zhuǎn)波傳播到波導(dǎo)絲頂端時(shí)，檢測(cè)線圈能感應(yīng)到由扭轉(zhuǎn)波所引起的波導(dǎo)絲磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，于是在線圈兩端就有感應(yīng)電壓輸出。根據(jù)脈沖發(fā)射與電壓信號(hào)輸出的時(shí)間差計(jì)算活動(dòng)磁鐵的位置，從而得到待測(cè)物體的位移量。

2、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要包括密封堵頭、擋圈、位置磁鐵、波導(dǎo)絲保護(hù)管、測(cè)量電路密封殼體、密封電纜接頭等，儀器內(nèi)部設(shè)有波導(dǎo)絲、波導(dǎo)絲屏蔽層、消回波裝置、波導(dǎo)絲直線度調(diào)節(jié)裝置、測(cè)量線圈、測(cè)量電路板等。

根據(jù)傳感器測(cè)量原理可知，應(yīng)變脈沖式由問(wèn)詢(xún)脈沖產(chǎn)生的磁場(chǎng)與位置磁鐵擦湖南省的磁場(chǎng)相互疊加致使波導(dǎo)絲發(fā)生變形而產(chǎn)生，然后通過(guò)檢測(cè)此脈沖，從而得到位置磁鐵的位置。目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的該類(lèi)傳感器大多采用圓環(huán)或半圓環(huán)形狀的永久性磁體作為位置磁鐵，其磁場(chǎng)沿波導(dǎo)絲的方向，再加上磁鐵的厚度，相當(dāng)于磁場(chǎng)有一定的長(zhǎng)度。所以，當(dāng)位置磁鐵沿波導(dǎo)絲從左向右移動(dòng)與從右向左移動(dòng)，位置磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)與問(wèn)詢(xún)脈沖產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加產(chǎn)生應(yīng)變脈沖的位置出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致傳感器的回差增加。為了減小一起的回差，將位置磁鐵設(shè)計(jì)為沿圓周均勻分布的多個(gè)磁鋼，且磁鋼的磁場(chǎng)方向垂直于波導(dǎo)絲。

為了保證波導(dǎo)絲在其保護(hù)管中的直線度，提高傳感器的測(cè)量精度，該傳感器設(shè)置有波導(dǎo)絲拉緊裝置，安裝時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)該裝置，可以保證波導(dǎo)絲的直線度，提高一起的測(cè)量精度。機(jī)械波在波導(dǎo)絲中的傳播速度不僅與波導(dǎo)絲的密度、應(yīng)力、材質(zhì)等物理量有關(guān)，而且與環(huán)境溫度也密切相關(guān)。為了減少溫度對(duì)傳感器測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響，一起設(shè)置有校準(zhǔn)裝置，通過(guò)兩次額昂位置磁鐵與校準(zhǔn)裝置之間的距離差來(lái)測(cè)定位置磁鐵的相對(duì)位移，可以提高儀器的性能。另外，為了減少回?fù)軐?duì)測(cè)量的影響，在波導(dǎo)絲兩端均設(shè)置有消回波的材料。

3、測(cè)量電路設(shè)計(jì)

磁致伸縮位移傳感器測(cè)量電路硬件原理可以看出，測(cè)量電路主要由MCU模塊、TDC模塊等構(gòu)成。MCU模塊用于協(xié)調(diào)各芯片工作，產(chǎn)響應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，將測(cè)量結(jié)果通過(guò)竄口發(fā)送。問(wèn)詢(xún)脈沖加載模塊包含了一個(gè)高階的電荷泵儲(chǔ)能電路以及一個(gè)放電控制場(chǎng)效應(yīng)管。高階電荷泵用于在充電電容兩端產(chǎn)生高達(dá)36V以上的激勵(lì)電壓，放電控制場(chǎng)效應(yīng)管收MCU控制，導(dǎo)通后的瞬間將充電電容上儲(chǔ)存的電量經(jīng)由波導(dǎo)絲泄放，以產(chǎn)生所需要的高幅值問(wèn)詢(xún)電流脈沖?；夭ㄐ盘?hào)檢測(cè)模塊包含了一個(gè)電壓放大倍數(shù)約幾千倍的窄帶放大電路以及由高速比較器和施密特觸發(fā)器構(gòu)成的比較整形電路?；夭}沖檢測(cè)模塊用于將同軸線圈接收到的回波信號(hào)提取出來(lái)，并整形成時(shí)間測(cè)量所需要的陡峭邊沿信號(hào)。TDC模塊主要包含了時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片GP22以及其外圍電路。GP22擁有45ps的時(shí)間測(cè)量分辨率，可大幅度提高傳感器的位移監(jiān)測(cè)分辨率。

4、軟件設(shè)計(jì)

磁致伸縮位移傳感器測(cè)量電路上電后，MCU首先通過(guò)SPI總線完成對(duì)TDC芯片GP22的初始化設(shè)置。完成初始化后，MCU通過(guò)數(shù)字I/O向電荷泵電路輸出充電脈沖，在幾萬(wàn)個(gè)充電周期后，充電電容兩端的電壓約可達(dá)到36V以上。完成充電過(guò)程后，MCU給出脈寬的放電脈沖信號(hào)，放電脈沖信號(hào)亦用作GP22時(shí)間測(cè)量的開(kāi)始信號(hào)浸入START端。發(fā)哪個(gè)點(diǎn)控制場(chǎng)效應(yīng)管在接受到放電脈沖信號(hào)后對(duì)地導(dǎo)通，將充電電容上存儲(chǔ)的電量加載到波導(dǎo)絲上，產(chǎn)生瞬間問(wèn)詢(xún)電流脈沖。問(wèn)詢(xún)電流脈沖在波導(dǎo)絲上產(chǎn)生環(huán)向磁場(chǎng)，沿波導(dǎo)絲以電磁波波速鑲嵌傳播，與位置磁鐵的軸向磁場(chǎng)相互作用，在波導(dǎo)絲中產(chǎn)生應(yīng)變脈沖，應(yīng)變脈沖以機(jī)械波速在波導(dǎo)絲中傳播，傳播至同軸線圈處時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓通過(guò)儀表放大器進(jìn)行放大，再由雙運(yùn)放構(gòu)成的帶通濾波器進(jìn)行放大，放大后的回波信號(hào)峰值為1.5-3V。放大后的回波信號(hào)再經(jīng)過(guò)高速比較器與施密特觸發(fā)器以整形成陡峭的脈沖信號(hào)作為時(shí)間測(cè)量終止信號(hào)。施加測(cè)量終止信號(hào)進(jìn)入時(shí)間測(cè)量芯片進(jìn)行測(cè)量。為了消除問(wèn)詢(xún)電流脈沖在線圈處產(chǎn)生的干擾，MCU設(shè)定延時(shí)后再接收回波脈沖信號(hào)。在獲取時(shí)間測(cè)量結(jié)果后，MCU將時(shí)間測(cè)量結(jié)果乘以標(biāo)定系數(shù)作為位移結(jié)果，通過(guò)串行通信接口，經(jīng)由RS485芯片MAX3741向外發(fā)送。為了消除液面都懂對(duì)測(cè)值的影響，軟件中加入了濾波算法。

5、技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量范圍：0-1000mm； 示值誤差：≤±0.1%FS； 重復(fù)性：≤±0.02%FS； 回差：≤0.02%FS； 環(huán)境溫度：-25~+55℃

6、試驗(yàn)

6.1 性能試驗(yàn)

對(duì)自行設(shè)計(jì)的兩臺(tái)一起進(jìn)行了性能測(cè)試，依次將儀器安裝在標(biāo)定架上，位置磁鐵固定在移動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)使位置磁鐵隨之運(yùn)動(dòng)，每100mm一個(gè)擋位，每只儀器進(jìn)行3個(gè)正返程測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別對(duì)示值誤差、重復(fù)性誤差和回差進(jìn)行了考核，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在測(cè)量范圍內(nèi)，儀器的示值誤差、重復(fù)性誤差、回差均在儀器設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)。

6.2 穩(wěn)定性試驗(yàn)

試驗(yàn)條件，在大氣條件下，夜晚溫度較低為5℃左右，白天房間開(kāi)有空調(diào)，溫度較高為25℃左右，溫度變化范圍為20℃左右。將儀器與位置磁鐵同時(shí)固定在一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，保證兩者之間不出現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)，通過(guò)RS485通信線與電腦連接，接通電源，1號(hào)儀器拷機(jī)時(shí)間為9天，2號(hào)儀器拷機(jī)時(shí)間為8天，測(cè)量頻率均為1h/次，通過(guò)對(duì)儀器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)測(cè)試，即使在溫度變化20℃左右的環(huán)境下，1號(hào)樣機(jī)變化了0.45mm，2號(hào)樣機(jī)變化了0.35mm，且兩臺(tái)樣機(jī)均成周期性變化，由此可得儀器穩(wěn)定性良好。

7、結(jié) 論

本文基于磁致伸縮原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了位移傳感器，該位移傳感器采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行回波信號(hào)的時(shí)間測(cè)量，顯著提高了傳感器測(cè)量分辨率。此外，傳感器還通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了測(cè)量性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的磁致伸縮位移傳感器具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、回差小等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足水利水電行業(yè)位移測(cè)量需求。