磁致伸縮線性位移傳感器是一種利用磁致伸縮原理來測(cè)量物體超長(zhǎng)行程位移的高精度位置傳感器Κ它不但可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的直線位移Κ還可給出運(yùn)動(dòng)物體的位移速度模擬信號(hào)Κ方便的多種輸出方式可滿足各種測(cè)量、控制和檢測(cè)的要求Λ對(duì)于用戶來說Κ如何對(duì)傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化以及數(shù)據(jù)采集處理是值得研究的領(lǐng)域Λ近年來Κ磁致伸縮線性位移傳感器Κ無(wú)論在精度上和性能上都有了很大提高Κ根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域Κ可以借助微機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力Κ通過可靠硬件電路和軟件設(shè)計(jì)來達(dá)到信號(hào)數(shù)字化和數(shù)據(jù)高速準(zhǔn)確采集處理的目的。
1 磁致伸縮線性位移傳感器工作原理
磁致伸縮線性位移傳感器磁致伸縮線被安裝在不銹鋼管內(nèi)Κ磁環(huán)在不銹鋼管外側(cè)可自由滑動(dòng)Κ電子裝置中的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電流脈沖; 起始脈沖Γ并沿波導(dǎo)線傳播Κ產(chǎn)生的磁場(chǎng)與活動(dòng)磁環(huán)固有的磁場(chǎng)矢量疊加Κ形成螺旋磁場(chǎng)Κ產(chǎn)生瞬時(shí)扭力Κ使波導(dǎo)線扭動(dòng)并產(chǎn)生張力脈沖; 波導(dǎo)脈沖ΓΚ這個(gè)脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)傳回Κ在線圈 ; 轉(zhuǎn)換器Γ兩端產(chǎn)生感應(yīng)脈沖; 終止脈沖ΓΚ通過測(cè)量起始脈沖與終止脈沖之間的時(shí)間差就可以精確地確定被測(cè)位移量Κ如圖 2 所示Λ因?yàn)閺埩γ}沖在波導(dǎo)管上的速度恒定Κ用測(cè)得的時(shí)間差乘以此速度Κ得出磁環(huán)的位置Λ 這個(gè)過程是連續(xù)不斷的Κ每當(dāng)磁環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)Κ新的位置就會(huì)被感測(cè)出來。
1.1位置計(jì)算
位置/mm = 時(shí)差/s×傳感器的傳送速度/mm·s-1- 零點(diǎn)位置/mm
1. 2更新時(shí)間及頻率響應(yīng)
傳感器的更新時(shí)間對(duì)伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用非常重要Λ由于磁鐵距離傳感器的電子零件越遠(yuǎn)Κ波導(dǎo)脈沖傳播所需的時(shí)間就越長(zhǎng)Κ所以傳感器的更新時(shí)間與距離成正比Λ傳感器的最長(zhǎng)更新時(shí)間可估算如下：
更新時(shí)間= ; 量程+ 零點(diǎn)位置Γ傳感器傳送速度
等價(jià)頻率響應(yīng)= 1/更新時(shí)間
1.3性能參數(shù)
煙臺(tái)拿度智能科技有限公司的磁致伸縮線性位移傳感器產(chǎn)品性能參數(shù)：分辨率0.002% F s；遲滯誤差優(yōu)于 01002% F s；工作溫度 測(cè)桿 - 40℃～ + 85℃；電子部件 - 20℃～ + 80℃；非線性; ±% F s優(yōu)于0105，300mm 以下誤差 150μm ；量程范圍（mm）0-150~0-5000.
2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)下位機(jī)選用內(nèi)藏 4k 字節(jié)，快擦寫 EEP-ROM 的8位單片機(jī)AT89C51Κ該芯片可改寫Κ為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)調(diào)試提供了極大的方便。
2. 1 信號(hào)調(diào)節(jié)電路
將所設(shè)計(jì)電路板與傳感器裝配在一起Κ這樣有利于系統(tǒng)的小型化Κ但卻使系統(tǒng)電路板處于不利的工作環(huán)境之中Κ如工作期間會(huì)產(chǎn)生噪聲和溫度升高等Κ為了使傳感器產(chǎn)生的 4～ 20mA 的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為滿足A D 轉(zhuǎn)換器輸入要求的標(biāo)電信號(hào)Κ電流信號(hào)放大電路采用了O P07 型運(yùn)算放大器; 放大倍數(shù)為 217Κ輸出電壓為 0～ 10V ΓΚ由于其噪聲峰—峰值僅為 013ΛV Κ且具有失調(diào)電壓低Κ輸入阻抗高Κ溫漂系數(shù)小等特點(diǎn)Κ較好地滿足了設(shè)計(jì)要求Λ
2. 2 A/D 轉(zhuǎn)換電路
系統(tǒng)采用美國(guó)AD 公司的AD 574 芯片，此芯片是一種高集成度、低價(jià)格的逐次比較式 12 位A/D，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)緩沖器輸出Κ可直接與 8 位或 16位數(shù)據(jù)總線微處理器接口Κ芯片內(nèi)部帶基準(zhǔn)電源和時(shí)鐘Κ轉(zhuǎn)換時(shí)間為 25ΛsΚ采用了單極性輸入Κ輸入信號(hào)幅度為 0～ + 10V，傳感器信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電路后加于AD 574 的 13 腳。AD 574 工作一般分兩個(gè)過程，首先是轉(zhuǎn)換過程，當(dāng) CE = 1，CS = 0，R/C = 0 時(shí)，啟動(dòng)AD 574 開始轉(zhuǎn)換，此時(shí)當(dāng)A 0= 0 時(shí)，就進(jìn)行 12位轉(zhuǎn)換，其次是讀取 12 位并行轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)CE = 1， CS = 0，R /C = 1 時(shí)，可一次讀出轉(zhuǎn)換的 12 位數(shù)據(jù)。
2.3單片機(jī)系統(tǒng)
A T 89C51 是美國(guó)A TM EL 公司推出一種低功耗、高性能的 CMO S 控制器Κ下位機(jī)A T 89C51 的 4個(gè) IO 口中ΚP0、P2 口的 P2. 0～ P3 作為 12 位數(shù)據(jù)口Κ P1、P3 口各引腳用于管理其它各芯片的控制與聯(lián)絡(luò)信號(hào)線Λ它與 In tel 公司的 8031 兼容Κ而且還擁有 4KB 的 EEPROM 和 128KB 的 RAM Κ在本系統(tǒng)中無(wú)須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能Κ簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)Κ且使系統(tǒng)的可靠性得到了很大的提高Λ
2. 4 串行通信電路
在以單片機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中Κ通常采用R S 232 接口就可完成 PC 機(jī)與A T 89C51 單片機(jī)之間的通信Κ但由于 R S 232 所傳送的距離不超過 30m Κ考慮到傳感器控制單片機(jī)系統(tǒng)需要遠(yuǎn)離 PC 操作機(jī)Κ所以Κ使用專用的接口將R S 232 協(xié)議轉(zhuǎn)換為R S 422 協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送Λ
3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括A T 89C51 單片機(jī)的C 語(yǔ)言編程和上位機(jī) PC 機(jī)在W indow s98 下用V i2 sual C + + 6. 0 編程兩部分Κ我們將主要討論W in2 dow s98 環(huán)境下的軟件設(shè)計(jì)Κ在V isual C+ + 6. 0 提供 的 文 檔 與 視 圖 分 離 技 術(shù) 和 串 行 通 信 控 件M SComm 的基礎(chǔ)上Κ采用切分窗口技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存放與顯示操作的分離Κ運(yùn)用多媒體定時(shí)器和多線程技術(shù)來采集數(shù)據(jù)Κ并利用自定義消息和事件來協(xié)調(diào)程序的同步Λ
3. 1 用多媒體定時(shí)器實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集[3 ]
多媒體定時(shí)器可以通過函數(shù) T im eBeginPeriod ; Γ設(shè)置最小定時(shí)精度Κ即按所需定時(shí)精度要求來設(shè)置硬件定時(shí)器 8253 的計(jì)數(shù)初值Κ使計(jì)數(shù)器的精度提高Κ而且它不依賴于W indow s 的消息處理機(jī)制Κ而是相當(dāng)于采用了一個(gè)多線程Κ即由函數(shù) T im e2 SetEven t 產(chǎn)生的一個(gè)獨(dú)立線程Κ在一定的中斷周期到達(dá)后Κ直接調(diào)用回調(diào)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理Κ而不必等到應(yīng)用程序的消息為空Κ保證了定時(shí)器的實(shí)時(shí)響應(yīng)Λ我們使用W indow s 系統(tǒng)向我們提供的兩個(gè)可實(shí)現(xiàn)多媒體定時(shí)器的 A P I 函數(shù)ΠT im erSetEven t ; Γ和T im eK illEven t; ΓΚ并定義了用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)事件的回調(diào)函數(shù)ΠV o id CALLBA CK T im eFunc; ΓΚ可以完成毫秒級(jí)精度的計(jì)時(shí)和控制Λ
3. 2 數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)
通過對(duì)傳感器的原始工作波形的分析Κ觀察到采樣時(shí)有周期性尖峰脈沖干擾的現(xiàn)象Κ并且考慮到數(shù)據(jù)處理時(shí)系統(tǒng)滯后時(shí)間常數(shù)相對(duì)較大Κ而采樣周期較短Κ采用防脈沖干擾平均值法與加權(quán)平均濾波法組合的復(fù)合濾波程序Λ 首先對(duì)采集到的 n 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較Ψ去掉值和最小值[ 然后對(duì)剩下的 n-2 個(gè)數(shù)據(jù)?按原采樣順序Σ進(jìn)行加權(quán)平均濾波Ψ具體算法是對(duì) n- 2 個(gè)采樣值分別乘上不同的加權(quán)系數(shù)之后再求累加和Ψ加權(quán)系數(shù)取先小后大Ψ以突出后若干采樣的效果Ψ加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的趨勢(shì)的辨識(shí)Ζ各個(gè)加權(quán)系數(shù)均小于 1Ψ且相加為 1Ψ這樣Ψ加權(quán)運(yùn)算之后的累加和就是有效采樣值Ζ在具體編程中Ψ為方便計(jì)算Ψ取各加權(quán)系數(shù)均為整數(shù)Ψ且和為 256Ψ加權(quán)后除以 256 即為所得Ζ本算法中取 n= 8Κ6 個(gè)加權(quán)系數(shù)按線性遞增變化Κ采用此濾波方法后Κ效果良好Λ
3. 3 使用多線程技術(shù)編程[
對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說Κ顯示處理與采集很可能會(huì)在時(shí)間上產(chǎn)生沖突Κ影響程序的正常運(yùn)行Κ接受數(shù)據(jù)也會(huì)出錯(cuò)Λ 因此Κ在程序中使用了多線程技術(shù)Κ并創(chuàng)建了一個(gè)專門的輔助線程來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集Κ需要采集數(shù)據(jù)時(shí)創(chuàng)建該線程Κ并在此線程中啟動(dòng)多媒體定時(shí)器Κ在采集結(jié)束或退出程序時(shí)Κ刪除定時(shí)器Κ退出該輔助線程Λ此外Κ由于輔助線程沒有自己的消息循環(huán)Κ為了實(shí)現(xiàn)輔助線程與主線程之間的通話Κ我們利用W indow s 的消息機(jī)制Κ定義了兩個(gè)自定義消息WM U SER + 100 ; 用于數(shù)據(jù)處理和顯示Γ和WM U SER + 101; 用于串口通信時(shí)發(fā)送握手信號(hào)ΓΛ當(dāng)采集到數(shù)據(jù)后通過 Po stM essage; Γ函數(shù)向主線程發(fā)消息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示Λ在編程過程中Κ我們的輔助線程必須謹(jǐn)慎地保持與主線程的互操作的同步Κ我們使用M FC 提供的類 CEvent;從Csyn2cObject派生），調(diào)用 Ceven t∷SetEvent 設(shè)置適當(dāng)?shù)氖录硗捷o助線程和主線程。
4 試驗(yàn)
根據(jù)所介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Κ研制了試驗(yàn)樣機(jī)Κ并進(jìn)行了性能測(cè)試Λ 通過示波器觀測(cè)Κ得到了 KY2 CM L 磁致伸縮線性位移傳感器原始工作波形圖，8 位 7 段L ED 顯示器顯示電壓跳變范圍約在±10L SB ; 相當(dāng)于±12mV ，在性能測(cè)試中，分別對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的傳感器信號(hào)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與處理Λ靜態(tài)試驗(yàn)中圖形顯示為一條直線Κ8 位7 段L ED 顯示器顯示數(shù)字碼跳變穩(wěn)定在±L SBΚ數(shù)字處理效果良好Κ滿足精度要求Μ動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中Κ通過以不同的速度滑動(dòng)傳感器磁環(huán)來獲得不同規(guī)律的信號(hào)Κ得到不同的動(dòng)態(tài)工作曲線，為其中一條曲線Κ經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度滿足10H z 頻率磁致伸縮線性位移傳感器的響應(yīng)速度.
5 結(jié)束語(yǔ)
磁致伸縮線性位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)數(shù)字濾波Κ接收的數(shù)據(jù)跳變?cè)?plusmn;L SB 范圍之內(nèi)Κ滿足精度要求Μ實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度滿足，磁致伸縮線性位移傳感器響應(yīng)速度， 試驗(yàn)樣機(jī)工作性能良好，且此系統(tǒng)對(duì)其它傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集也具有的參考價(jià)值。
會(huì)員1.png)