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基于單片機的磁致伸縮位移傳感器數字化處理系統研究

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-07-23 08:36

  

       磁致伸縮位移傳感器是根據磁致伸縮原理制造的高精度、長行程絕對位置測量的位移傳感器。它采用非接觸的測量方式 ,由于測量用的活動磁環和傳感器自身并無直接接觸 ,不至于被磨擦、磨損 ,因而其使用壽命長、環境適應能力強 ,可靠性高 ,安全性好 ,便于系統自動化工作 ,即使在惡劣的工業環境下 (如容易受油漬、塵?;蚱渌奈廴緢龊? ,也能正常工作。此外 ,它還能承受高溫、高壓和強振動 ,現已被廣泛應用于機械位移的測量、控制中。
1、磁致伸縮位移傳感器簡介
1.1 傳感器的結構
       該位移傳感器是由不銹鋼保護管 (測桿) 、磁致伸縮線 (波導) 、銅線、可移動的磁環和電子倉部件等組成。保護管是一種非磁性的剛性材料 ,波導管是由軟磁材料制成的薄壁毛細管。
1.2 傳感器的工作原理
       傳感器內部的脈沖發生器產生波導脈沖 ,經電子倉部分加以變換 ,轉換成沿波導線方向傳播的電流脈沖即起始脈沖 ,其產生一垂直于銅線的環形磁場 ,該磁場遇到可移動的磁環產生的徑向磁場相疊加 ,就會產生一螺旋狀磁場 ,根據威德曼 (Wiedemann) 效應 ,波導管會產生瞬時扭轉形變 ,而產生的扭轉波將以一恒定的速度沿波導管向兩側傳播 ,傳到末端時 ,其能量將被衰減阻尼裝置吸收 ,而返回的扭轉波遇到傳感換能元件 ,就會在線圈兩端產生感應電流脈沖即終止脈沖 ,通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間差即可精確地確定被測位移量。因為扭轉波在波導管中是以恒速(接近于 3 km/ s) 傳播的 ,所以只要測出脈沖發射與脈沖接收兩者之間的時間間隔 ,也就測出了磁環相對于規定零點的位置。由于整個感應過程是連續的并且響應時間很短 ,故每當磁環移動到一個新的位置 ,就能很快地測量出來。
1.3信號特點及存在的問題
       目前 ,要想直接測量傳感器起始、終止脈沖的時間間隔 ,得到準確的位置量 ,不易實現?,F階段采用的方法是 ,把兩個脈沖信號的時間間隔轉換為正比于磁環位置的 PWM 信號 ,然后以電流環的形式輸出。在實際測量過程中 ,傳感器內電流脈沖和感應脈沖會對輸出信號產生一定的干擾 ;并且 ,傳感器本身的磁性材料感應的磁場與波導管內的電流之間不可避免地會產生電磁干擾 ( EM I - Electro Magnetic Interference) ,使得測量所得的輸出信號有一定程度的畸變  ,即是將傳感器的電流環輸出信號轉換為電壓信號得到的波形。另外 ,如果需要在同一個系統中同時使用幾個磁致伸縮位移傳感器進行位移測量時 ,傳感器相互之間也會有干擾。這些干擾信號的存在使得控制系統的動、靜態性能不好 ,對精度高、響應頻率快的控制系統而言 ,其影響程度是很明顯的 ,會影響到系統的穩定 ,必須予以消除。設計了一個基于單片機的傳感器信號數字化處理系統 ,將處理后得到的穩定的輸出信號 ,以數字信號的形式直接通過遠程通信傳送給計算機進行控制 ,使得該類型磁致伸縮位移傳感器輸出信號穩定、精度高、傳輸距離遠 ,與控制系統接口簡單、互換性好、實用性強 ,使傳感器更具智能化 ,整體性能得到極大的優化提高。
2、硬件設計
       由于磁致伸縮位移傳感器采用符合工業控制標準的 4~20mA 電流環輸出的形式 ,故需要先把傳感器的輸出電流信號轉換為電壓信號 ,再采集出來進行 A/ D 轉換 ,然后輸出給單片機進行信號處理以及通信處理 ,最后將理想的傳感器信號以二進制方式傳送給液晶顯示屏和 PC 機。
2.1電流環轉換電壓信號電路
       磁致伸縮位移傳感器采用的是 4~20 mA 電流環信號傳輸方式 ,因為電流環信號與電壓信號相比不易受噪聲干擾 ,并且電流值不受線電阻的影響 ,信號衰減小。電流環轉換電壓信號電路主要基于一個差動式輸入的放大器電路 ,運算放大器選用 OP07 ,它溫漂小 ,阻抗低 ,吸收電流大 ,精度高。另外 ,還采用了一個 LM385Z - 2. 5 V 電路 ,該電路符合 National Semiconductor 的低功耗二端帶隙基準 ,工作電流為 20 μA~20 mA ,動態電阻 0. 6Ω ,其長期穩定性及溫度特性良好。用此電路可產生高精度、高穩定度的參考電壓 - 2. 5 V. 它與放大器聯合使用 ,可以使輸入信號在放大器輸出的 2. 5~12. 5 V 基礎上精確地偏移 2. 5 V.即輸出 V o 變為 0~10 V ,與 A/ D 轉換器件的電壓輸入范圍達到一致。
磁致伸縮位移傳感器
2.2A/ D 采樣轉換電路
       采用 Analog Device 公司的 12 位 AD 轉換器 AD1674 ,該芯片在功能上與常用的 AD574A 兼容 ,但它的轉換速度更快 ,一個轉換周期只需 10μs ,而且自帶有采樣保持電路 SHA 及三態輸出緩沖器 ,可直接與單片機接口 ,用它來采集變化速度較快的傳感器輸出信號是非常合適的。另外 ,A/ D 轉換電路是模擬信號與數字信號的典型混合體。在數字信號前沿很陡、頻率較高的情況下 ,數字信號可通過印刷電路板線間的分布電容耦合到模擬信號輸入端而引起干擾。在印刷板布線時應使數字信號和模擬信號遠離 ,或者將模擬信號輸入端用地線包圍起來 ,以降低分布電容耦合和隔斷漏電通路。
2.3單片機信號處理電路
       單片機選用 A TMEL 公司基于 CMOS 工藝的 8位微處理器 89C4051 ,與 MCS - 51 產品系列的指令完全兼容 ,片內含有 4 kb 的 Flash EPROM ,它最突出的特點是 :芯片體積小 ,只有 20 個引腳 ,特別適合于小型化系統的設計。另外 ,AT89C4051 價格便宜 ,性價比較高。
89C4051 是系統硬件實現數字化處理的核心部分 ,它的主頻工作在 11. 0592 MHz ,包括有一個外圍復位電路。主要用于完成控制 A/ D 轉換、信號處理、向主機和 LCD 以串行方式發送數據等幾個方面的功能。用單片機的 P3 口作為 A/ D 轉換及通信的控制線。在讀取 A/ D 轉換值時 ,直接用 P1 口分兩次讀入 12 位A/ D 轉換值。
2.4遠程通信電路
       本系統中單片機和 PC 機之間進行串行通信 ,采用 RS - 422/ RS - 485 串行標準進行點對點的通信連接 ,可以實現遠程通信傳輸 ,滿足工業現場的要求 ,在波特率為 9600 時 ,傳輸距離可達 1200 m. MAXIM 公司生產的 MAX491 芯片 ,可直接將單片機和 PC 機輸出的 TTL 電平轉換為 RS - 422 電平。并且通過對MAX491 芯片進行簡單的跳線連接設置 ,還可方便地實現 TTL 電平到 RS - 485 的電平轉換 ,用 RS - 485串行標準進行通信時 ,能實現多點對多點的通信 ,傳輸距離可以更遠。因此 ,使用 MAX491 能在 RS - 485 和RS - 422 串行標準之間隨意切換 ,使單片機能夠以兩種不同的通信標準向 PC 機傳輸二進制的數字化測量數據 ,方便用戶的選擇。用 MAX232 芯片可以實現 RS - 232 接口標準 ,只是通信距離受限制 ,在速率小于 20 kb/ s 時 ,傳輸距離僅為 15 m.
2.5液晶顯示
       電路采用專用的 8 位串行輸入段碼式液晶顯示模塊 ,顯示單片機輸出的二進制位移測量值 ,方便技術人員實時監測傳感器的輸出變化。
3、軟件程序設計
       單片機的數據采集、信號處理和通信程序開發采用的是 Archimedes C 交叉編譯器 ,它是專為 51 系列單片機設計的一種高效的 C 語言編譯器 ,使用它可以縮短開發周期 ,降低開發成本 ,而且開發出的系統易于維護 ,可靠性高 ,可移植性好。上位 PC 機的通信程序則基于面向對象的 VC + + 6. 0 實現。
3.1數據采集與信號處理程序
3.1.1數據采集程序
       主要是根據 AD1674 的啟動轉換和讀取轉換結果的時序關系 ,對相關引腳進行編程 ,從而控制數據的采集與轉換。
3.1.2信號處理程序
       采用基于抽取被測信號特征量的滑動數字濾波算法。就是磁環在靜止狀態下 ,傳感器輸出的模擬信號波形??梢钥闯鲈跍y量穩定值上疊加有一個頻率較高的干擾信號存在 ,其最大峰 - 峰值約為 25 mV ,周期為 440μs. 如果直接將單次測量值采樣傳送給控制器 ,在高精度的測量場合下 ,隨機得到非正常測量值的幾率是比較高的 ,最大誤差為 12 個 L SB. 因此 ,最好是對某一位移量進行連續的多次測量 ,得到一組N 個測量值 , 并使這組測量值包含一個干擾周期 , 以便從中獲得一個能夠代表正確值的測量值。針對該模擬波形 ,最好是提取 N 個測量值中的 N - 4 個值 ,再對其取平均值 ,就能得到正確的測量值 ,從而抽取到被測信號的特征量。同時 , 在實際測量中 , 被測實體的運動速度可能較快 , 相應地 , 傳感器的位移量變化也比較快。如果采用一般的均值濾波算法 , 都需連續采樣 N個數據 ,需要時間比較長 ,故檢測速度慢。為克服這一缺點 ,可采用滑動平均值濾波法。即先在 RAM 中建立一個數據緩沖區 ,依順序存放 N 次采樣數據 , 每采進一個新數據 ,就將最早采集的那個數據丟掉 ,而后求包括新數據在內的 N 個數據的算術平均值。這樣 ,每進行一次采樣 ,就可計算出一個新的平均值 ,從而大大加快了數據處理的速度。這種算法的核心為 :每得到一個新的被測信號的特征量數據 ,移動一次數據塊 ,然后求出新一組數據之和 ,再求平均值。對不同的信號特征 ,還可以采取不同的抽取特征量的方法 ,即這種基于抽取被測信號特征量的滑動濾波算法具有一定的普遍適用性 。
3.1數據通信模塊
3.2.1LCD 顯示
       主要根據 LCD 顯示器的結構與原理 ,把要顯示的數字對應的碼轉換寫出 ,即寫出對應的段選碼表 ,從顯示主程序中調用該表 ,就可以在 LCD 上顯示出傳感器的輸出變化值。
3.2.2單片機通信程序
       為確保通信成功 ,通信雙方必須在軟件上有一系列的約定 ,即軟件協議。單片機與 CPU 之間事先必須約定好字符的編碼形式、奇偶校驗形式、起始位和停止位的規定及數據傳輸的波特率。串行口的控制寄存器有兩個 ,串行控制寄存器 SCON 用來設置字符格式 ,特殊功能寄存器 PCON 能改變波特率。因此在單片機串行通信之前 ,要對串行口進行初始化。
3.2.3Windows 平臺下 PC 機與單片機通信程序
       上位機串行通信程序采用 Visual C + + 6. 0 實現。在 Windows 環境下 ,不允許用戶直接控制串口的中斷 ,而采用 VC 自身提供的 Active X 控件 Microsoft Communications Control ,即 MSComm 控件 ,可以直接在應用程序中嵌入 MSComm 控件 ,從而方便地進行計算機串口的通信管理。該控件提供了對 Windows通信驅動程序的 API 函數接口 ,它屏蔽了通信過程的低層操作 ,使用時只需關心控件的相關屬性和事件。即設置 MSComm 控件的相應屬性 ,調用控件的相應方法和事件 ,按照通訊協議要求發出命令號 ,上位機完成相應功能 ,便能實現數據通訊。串行通信程序 ,采取事件驅動的方式 ( Event - drive) 接收來自與下位單片機的二進制數據 ,并將接收到的數據以圖形的形式繪制到屏幕 ,方便用戶直觀地觀察數據的變化。通信協議設置為 :波特率為 9600bit/ s ,無奇偶校驗 ,8 位數據位 ,1 位停止位。選用 COM1 通信口。
4、試驗分析及系統特點
4.1動、靜態特性圖
       使用了數字化處理系統的傳感器的磁環分別處于靜態和動態時的測量特性圖表明系統有良好的測量精度和穩定性 ,誤差只有 1 個 L SB.本系統具有良好的動態測量特性。
4.2系統的特點
       由于傳感器自身存在有幾率較大的信號干擾 ,而且目前許多企業為了滿足工業現場需求 ,要進行遠程數據采集通信的目的。要解決這些問題 ,需要另行開發調試 ,工期長、成本高、可維護性差。提出的基于單片機的傳感器數字化處理系統 ,具有價格低、維護性好、功耗低等特點 ,并且結合傳感器的特性 ,將傳感器的信號處理 ,模擬量、數字量的轉換及通信等功能直接集成在傳感器的電子倉內 ,體積只有 7 ×103 m3 ,達到了小型化的要求 ,提升了傳感器的整體性能 ,滿足了用戶的需求。
5、系統的應用
       研制的新型六自由度飛行模擬器控制平臺中 ,每一個自由度都使用了一個磁致伸縮位移傳感器 ,作為位移、速度、加速度控制信號。在應用了開發的基于單片機的磁致伸縮傳感器數字化處理系統之后 ,與直接使用磁致伸縮位移傳感器和 A/ D 采集卡相比 ,信號輸出更穩定 ,遠程控制更方便 ,并能實時描繪平臺的運動曲線 ,平臺運行穩定、平滑 ,可達到精確的控制 ,滿足了系統的性能要求 ,取得了良好的實際效果。
 


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