磁致伸縮位移傳感器是一種以磁致扭轉(zhuǎn)波為傳播媒介的傳感器, 這種傳感器安裝簡(jiǎn)單、方便, 能承受高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境。廣泛應(yīng)用于易爆、易燃、易揮發(fā)、有腐蝕的場(chǎng)合, 但在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的都比較少。文中基于磁致伸縮位移傳感器的原理, 闡述了一種可以提高磁致伸縮位移傳感器精度的位移測(cè)量方法。
1、磁致伸縮位移傳感器的原理
磁致伸縮位移傳感器 (Magneto strictive Position Sensor), 主要由波導(dǎo)鋼絲1,位置磁鐵4,波檢測(cè)器3和電子系統(tǒng)5組成。位置磁鐵通常裝在一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件A上,而傳感器主體則裝在一個(gè)固定的部件B 上。傳感器工作時(shí), 電子信號(hào)和處理系統(tǒng)5以時(shí)間間隔為T(mén)1發(fā)給磁致波導(dǎo)鋼絲1的激勵(lì)脈沖電流ie。該脈沖電流將產(chǎn)生一個(gè)圍繞波導(dǎo)鋼絲1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。位置磁鐵4也產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場(chǎng)。在這兩個(gè)磁場(chǎng)的正交作用下,波導(dǎo)鋼絲產(chǎn)生磁致彈性伸縮, 形成一個(gè)磁致旋轉(zhuǎn)波2。該旋轉(zhuǎn)波沿著波導(dǎo)鋼絲以2800ms 的速度向兩邊傳播。當(dāng)它傳到波導(dǎo)鋼絲一端的波檢測(cè)器3時(shí)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)ua。通過(guò)測(cè)量磁致旋轉(zhuǎn)波從位置磁鐵4傳到波檢測(cè)器3的時(shí)間T0就能確定位置磁鐵和波檢測(cè)器之間的距離。這樣,當(dāng)部件A和B產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),通過(guò)磁致旋轉(zhuǎn)波位移傳感器就可以確定部件A的位置和速度。
2、位移測(cè)量原理和常規(guī)方法分析
磁致伸縮位移傳感器的位移計(jì)算非常簡(jiǎn)單, 將所測(cè)量的時(shí)間差乘以磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波的傳播速度: 位置=時(shí)差×扭轉(zhuǎn)波傳播速度- 零點(diǎn)位置 (零點(diǎn)位置為零區(qū)與死區(qū)之和)。由于磁致伸縮材料采用圓形截面絲,根據(jù) Pochhammer 的三維彈性理論, 扭轉(zhuǎn)波在圓截面桿中的傳播形式是關(guān)于圓柱中心軸對(duì)稱的, 其中: G 為磁致伸縮材料的切變模量, Θ為磁致伸縮材料的密度值。
那么位移L = c13T0-L0(其中:c1為應(yīng)變波的傳播速度,T0為時(shí)間間隔,L0為零點(diǎn)位置, 零點(diǎn)位置等于零區(qū)與死區(qū)之和)?？芍?位移測(cè)量誤差 △L= △c13T0+△T03c1,其中對(duì)具體的波導(dǎo)管來(lái)說(shuō),在一定溫度范圍內(nèi),G和Θ都是恒定的, 因此c1是恒定的,即△c1=0,那么位移測(cè)量的誤差主要由時(shí)間量檢測(cè)的誤差△L=△T03c1,因而時(shí)差的測(cè)量是計(jì)算位置精度的關(guān)鍵。電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為精確測(cè)量提供了大量高性能、小體積的器件和眾多算法。利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)及電子技術(shù), 可對(duì)脈沖聲波的傳播時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)量。通常采用數(shù)字電路容易達(dá)到低噪聲和高精度的特點(diǎn)。電子電路由外置控制器提供觸發(fā)信號(hào)。傳感器電子接收電路利用觸發(fā)脈沖和回波脈沖調(diào)制產(chǎn)生一個(gè)寬脈沖, 調(diào)制后的脈沖寬度與磁鐵位置成正比。利用數(shù)字計(jì)數(shù)方式來(lái)對(duì)寬脈沖進(jìn)行測(cè)量, 計(jì)數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)就是要保證在觸發(fā)脈沖開(kāi)始時(shí)計(jì)數(shù), 而在接收到回波信號(hào)后停止計(jì)數(shù)。通過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就可以計(jì)算位移。
兩個(gè)窄脈沖信號(hào)分別為觸發(fā)脈沖和回波脈沖。利用這兩個(gè)窄脈沖信號(hào)調(diào)制出來(lái)的脈沖寬度分別為 T 2 和 T 3。觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間 T 1 已知。如果計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為 f, 周期為 T。
如果系統(tǒng)計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為 50M H z, 則時(shí)間誤差為±20ns, 位移誤差為 56Λm。由此可見(jiàn), 如果達(dá)到系統(tǒng)高精度要求, 這種簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)方式需要很高的時(shí)鐘頻率, 而在這樣的高頻狀態(tài)下, 系統(tǒng)抗電磁輻射力又對(duì)系統(tǒng)的成本提出了更高的要求。如果不使設(shè)計(jì)陷入兩難境地, 應(yīng)該尋求新的測(cè)量方式。
3、數(shù)字相移脈寬時(shí)間測(cè)量方法
所謂移相是指對(duì)于兩路同頻信號(hào), 以其中一路為參考信號(hào), 另一路相對(duì)于該參考信號(hào)做超前或滯后的移動(dòng)形成相位差。數(shù)字移相通常采用延時(shí)方法, 以延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)決定兩數(shù)字信號(hào)間的相位差, 以四相移為例,闡述數(shù)字相移脈寬的測(cè)量。
時(shí)鐘信號(hào) CLK0依次進(jìn)行90°移相,得到 CLK,CLK1和CLK2,這四路時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)四個(gè)相同的計(jì)數(shù)器對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)時(shí)鐘頻率為 f, 周期為 T , 四個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值分別為m0,m,m1,m2,則最后的脈寬測(cè)量值為:T0=(m0+m+m1+m2)3T。可以看到, 這種計(jì)數(shù)方式的時(shí)鐘頻率相當(dāng)于將原始計(jì)數(shù)時(shí)鐘進(jìn)行4倍頻,以4f的頻率進(jìn)行測(cè)量, 因而將測(cè)量精度也提高到原來(lái)的四倍。將數(shù)字相移脈寬時(shí)間測(cè)量方法用于測(cè)量圖 2 中的兩個(gè)已調(diào)制信號(hào), 則可以極大的提高系統(tǒng)精度, 改善系統(tǒng)性能。如果原來(lái)的系統(tǒng)時(shí)鐘為50M H z, 系統(tǒng)的等效時(shí)鐘為 200M H z, 如果不考慮各路計(jì)數(shù)時(shí)鐘間的相對(duì)延遲時(shí)間誤差, 其測(cè)量的誤差降為原來(lái)的四分之一, 僅為 5Λm。同時(shí), 這種方法保證了整個(gè)電路的工作頻率仍為 f, 避免了時(shí)鐘提高帶來(lái)的一系列問(wèn)題。
4、數(shù)字相移時(shí)間測(cè)量的實(shí)現(xiàn)
由于傳感器器件有效長(zhǎng)度為 150mm , 則最長(zhǎng)時(shí)差為 Tmax= 15mm2800m (s) = 53. 57Λs 系統(tǒng)采用 50M H z時(shí)鐘, 則計(jì)數(shù)值為M max≈ 2680, 為了便于與數(shù)字處理系統(tǒng)接口, 采用八位計(jì)數(shù)器異步串連計(jì)數(shù), 則對(duì)于每一路時(shí)鐘需要 4 個(gè)計(jì)數(shù)器。在系統(tǒng)讀取時(shí), 依次從高到低讀取 8 位計(jì)數(shù)值。由于時(shí)鐘為50MHz,產(chǎn)生 90°的相移需要的時(shí)間延時(shí)為5ns。
數(shù)字相移脈寬時(shí)間測(cè)量的基本點(diǎn)在于時(shí)鐘信號(hào)的相位延遲, 而相位延遲在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中是通過(guò)時(shí)間波形的延遲來(lái)實(shí)現(xiàn),因而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的和確定的電路延遲對(duì)于該模型的完整性有重要作用。實(shí)現(xiàn)延時(shí)有多種方法,如采用分立元件實(shí)現(xiàn),但這種方法存在電路復(fù)雜、可靠性差等缺點(diǎn)。文中采用 FPGA 器件實(shí)現(xiàn)高精度的延時(shí)具有電路簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)、修改方便和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。RTEX2II系列 FPGA 器件有 4～12個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理器DCM , 每個(gè)DCM 都提供了應(yīng)用范圍廣、功能強(qiáng)大的時(shí)鐘管理功能。如時(shí)鐘去時(shí)滯、頻率合成及移相等。它利用延時(shí)鎖定環(huán)DLL,消除時(shí)鐘焊盤(pán)和內(nèi)部時(shí)鐘引腳間的擺動(dòng),同時(shí)它還提供多種時(shí)鐘控制技術(shù), 實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘周期內(nèi)任意位置的精確相位控制, 非常適合時(shí)序微調(diào)應(yīng)用, 對(duì)設(shè)置和保持時(shí)序?qū)?zhǔn)非常關(guān)鍵。DCM相移具有可變相移和固定相移兩種模式。設(shè)計(jì)中, 由于延時(shí)量由用戶外部輸入提供, 故采用可變相移模式。在可變相移模式中, 用戶可以動(dòng)態(tài)地反復(fù)將相位向前或向后移動(dòng)輸入時(shí)鐘周期的 1256?？勺兿嘁颇Ｊ街?。
當(dāng) PSEN信號(hào)有效, 則相移值可以由與相移時(shí)鐘PSCL K 同步的 PS IN CDEC 信號(hào)決定動(dòng)態(tài)地增加或減少。設(shè)計(jì)中相移時(shí)鐘由輸入時(shí)鐘提供, PSDONE輸出信號(hào)與相移時(shí)鐘同步, 它輸出一個(gè)相移時(shí)鐘周期的高電平表示相移已經(jīng)完成, 同時(shí)表示一個(gè)新的相移可以開(kāi)始。輸入時(shí)鐘經(jīng)過(guò)DCM 移相電路移相后, 得到所需延時(shí)之后的時(shí)鐘輸出。設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法,采用硬件描述語(yǔ)言VHDL 完成DCM 移相、狀態(tài)機(jī)控制及參數(shù)輸入三大功能模塊的設(shè)計(jì)輸入。DCM 的相移模式為可變相移模式。根據(jù)用戶輸入的所需延時(shí)量, 在-64～+64之間取一個(gè)整數(shù)相移值, 通過(guò)時(shí)鐘選擇器選擇用CL K0、CL K1 實(shí)現(xiàn) 0～ 10ns 的多種時(shí)延。文中采用6個(gè)DCM ,兩個(gè)一組,每一組DCM 實(shí)現(xiàn) 90°的相移, 將三組串連, 四個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出就分別是原始時(shí)鐘、相移 90°時(shí)鐘、相移 180°時(shí)鐘、相移 270°時(shí)鐘。實(shí)際上,由于 FPGA 器件編程的方便性, 可以充分利用這種特點(diǎn), 以實(shí)現(xiàn)更多倍數(shù)的倍頻, 6倍頻、9倍頻甚至更大倍數(shù)的倍頻等等, 實(shí)現(xiàn)原理是一樣的, 具體應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求來(lái)做。由于篇幅原因,對(duì)VHDL編程及其代碼不再贅述。
5、結(jié)論
文中提出的方法實(shí)際上是對(duì)一路基準(zhǔn)時(shí)鐘利用相移產(chǎn)生幾路等時(shí)差的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù), 所以該技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題在于相移精確, 而對(duì)于計(jì)數(shù)器的要求不是太高。這樣利用 FPGA 可以滿足參數(shù)要求, 而且具有體積小、功耗低、性能穩(wěn)定、設(shè)計(jì)調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。模擬的移相器無(wú)法達(dá)到要求, 只能利用數(shù)字移相器件來(lái)滿足精度要求, 但目前該器件價(jià)格非常高, 一般難以接受。如果能夠利用 FPGA 這樣的可編程器件做出高精度的數(shù)字移相電路必將有的利用價(jià)值。
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