磁致伸縮線性位移傳感器是一種利用磁致伸縮原理來測量物體超長行程位移的高精度位置傳感器Κ它不但可以測量運動物體的直線位移Κ還可給出運動物體的位移速度模擬信號Κ方便的多種輸出方式可滿足各種測量、控制和檢測的要求Λ對于用戶來說Κ如何對傳感器產(chǎn)生的模擬信號進行數(shù)字化以及數(shù)據(jù)采集處理是值得研究的領域Λ近年來Κ磁致伸縮線性位移傳感器Κ無論在精度上和性能上都有了很大提高Κ根據(jù)不同的應用領域Κ可以借助微機強大的數(shù)據(jù)處理能力Κ通過可靠硬件電路和軟件設計來達到信號數(shù)字化和數(shù)據(jù)高速準確采集處理的目的。
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并沿波導線傳播Κ產(chǎn)生的磁場與活動磁環(huán)固有的磁場矢量疊加Κ形成螺旋磁場Κ產(chǎn)生瞬時扭力Κ使波導線扭動并產(chǎn)生張力脈沖; 波導脈沖ΓΚ這個脈沖以固定的速度沿波導傳回Κ在線圈 ; 轉(zhuǎn)換器Γ兩端產(chǎn)生感應脈沖; 終止脈沖ΓΚ通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間差就可以精確地確定被測位移量Κ如圖 2 所示Λ因為張力脈沖在波導管上的速度恒定Κ用測得的時間差乘以此速度Κ得出磁環(huán)的位置Λ 這個過程是連續(xù)不斷的Κ每當磁環(huán)運動時Κ新的位置就會被感測出來。
1.1位置計算
位置/mm = 時差/s×傳感器的傳送速度/mm·s-1- 零點位置/mm
1. 2更新時間及頻率響應
傳感器的更新時間對伺服控制系統(tǒng)的應用非常重要Λ由于磁鐵距離傳感器的電子零件越遠Κ波導脈沖傳播所需的時間就越長Κ所以傳感器的更新時間與距離成正比Λ傳感器的最長更新時間可估算如下：
更新時間= ; 量程+ 零點位置Γ傳感器傳送速度
等價頻率響應= 1/更新時間
1.3性能參數(shù)
煙臺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)下位機選用內(nèi)藏 4k 字節(jié)，快擦寫 EEP-ROM 的8位單片機AT89C51Κ該芯片可改寫Κ為系統(tǒng)的設計與開發(fā)調(diào)試提供了極大的方便。
2. 1 信號調(diào)節(jié)電路
將所設計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 的電流信號轉(zhuǎn)換為滿足A D 轉(zhuǎn)換器輸入要求的標電信號Κ電流信號放大電路采用了O P07 型運算放大器; 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Κ較好地滿足了設計要求Λ
2. 2 A/D 轉(zhuǎn)換電路
系統(tǒng)采用美國AD 公司的AD 574 芯片，此芯片是一種高集成度、低價格的逐次比較式 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)部帶基準電源和時鐘Κ轉(zhuǎn)換時間為 25ΛsΚ采用了單極性輸入Κ輸入信號幅度為 0～ + 10V，傳感器信號經(jīng)信號放大電路后加于AD 574 的 13 腳。AD 574 工作一般分兩個過程，首先是轉(zhuǎn)換過程，當 CE = 1，CS = 0，R/C = 0 時，啟動AD 574 開始轉(zhuǎn)換，此時當A 0= 0 時，就進行 12位轉(zhuǎn)換，其次是讀取 12 位并行轉(zhuǎn)換結(jié)果，當CE = 1， CS = 0，R /C = 1 時，可一次讀出轉(zhuǎn)換的 12 位數(shù)據(jù)。
2.3單片機系統(tǒng)
A T 89C51 是美國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A T 89C51 的 4個 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)絡信號線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)中無須擴展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器就可實現(xiàn)系統(tǒng)功能Κ簡化了電路設計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
在以單片機為基礎的數(shù)據(jù)采集和實時控制系統(tǒng)中Κ通常采用R S 232 接口就可完成 PC 機與A T 89C51 單片機之間的通信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系統(tǒng)需要遠離 PC 操作機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)議進行遠距離傳送Λ
3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)的軟件設計主要包括A T 89C51 單片機的C 語言編程和上位機 PC 機在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)境下的軟件設計Κ在V isual C+ + 6. 0 提供 的 文 檔 與 視 圖 分 離 技 術 和 串 行 通 信 控 件M SComm 的基礎上Κ采用切分窗口技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)存放與顯示操作的分離Κ運用多媒體定時器和多線程技術來采集數(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 用多媒體定時器實現(xiàn)高精度實時數(shù)據(jù)采集[3 ]
多媒體定時器可以通過函數(shù) T im eBeginPeriod ; Γ設置最小定時精度Κ即按所需定時精度要求來設置硬件定時器 8253 的計數(shù)初值Κ使計數(shù)器的精度提高Κ而且它不依賴于W indow s 的消息處理機制Κ而是相當于采用了一個多線程Κ即由函數(shù) T im e2 SetEven t 產(chǎn)生的一個獨立線程Κ在一定的中斷周期到達后Κ直接調(diào)用回調(diào)函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理Κ而不必等到應用程序的消息為空Κ保證了定時器的實時響應Λ我們使用W indow s 系統(tǒng)向我們提供的兩個可實現(xiàn)多媒體定時器的 A P I 函數(shù)ΠT im erSetEven t ; Γ和T im eK illEven t; ΓΚ并定義了用于實現(xiàn)定時事件的回調(diào)函數(shù)ΠV o id CALLBA CK T im eFunc; ΓΚ可以完成毫秒級精度的計時和控制Λ
3. 2 數(shù)據(jù)處理算法設計
通過對傳感器的原始工作波形的分析Κ觀察到采樣時有周期性尖峰脈沖干擾的現(xiàn)象Κ并且考慮到數(shù)據(jù)處理時系統(tǒng)滯后時間常數(shù)相對較大Κ而采樣周期較短Κ采用防脈沖干擾平均值法與加權平均濾波法組合的復合濾波程序Λ 首先對采集到的 n 個數(shù)據(jù)進行比較Ψ去掉值和最小值[ 然后對剩下的 n-2 個數(shù)據(jù)?按原采樣順序Σ進行加權平均濾波Ψ具體算法是對 n- 2 個采樣值分別乘上不同的加權系數(shù)之后再求累加和Ψ加權系數(shù)取先小后大Ψ以突出后若干采樣的效果Ψ加強系統(tǒng)對參數(shù)變化的趨勢的辨識Ζ各個加權系數(shù)均小于 1Ψ且相加為 1Ψ這樣Ψ加權運算之后的累加和就是有效采樣值Ζ在具體編程中Ψ為方便計算Ψ取各加權系數(shù)均為整數(shù)Ψ且和為 256Ψ加權后除以 256 即為所得Ζ本算法中取 n= 8Κ6 個加權系數(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 使用多線程技術編程[
對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說Κ顯示處理與采集很可能會在時間上產(chǎn)生沖突Κ影響程序的正常運行Κ接受數(shù)據(jù)也會出錯Λ 因此Κ在程序中使用了多線程技術Κ并創(chuàng)建了一個專門的輔助線程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集Κ需要采集數(shù)據(jù)時創(chuàng)建該線程Κ并在此線程中啟動多媒體定時器Κ在采集結(jié)束或退出程序時Κ刪除定時器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 的消息機制Κ定義了兩個自定義消息WM U SER + 100 ; 用于數(shù)據(jù)處理和顯示Γ和WM U SER + 101; 用于串口通信時發(fā)送握手信號ΓΛ當采集到數(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 設置適當?shù)氖录硗捷o助線程和主線程。
4 試驗
根據(jù)所介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Κ研制了試驗樣機Κ并進行了性能測試Λ 通過示波器觀測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 ; 相當于±12mV ，在性能測試中，分別對靜態(tài)和動態(tài)的傳感器信號進行了數(shù)據(jù)采集與處理Λ靜態(tài)試驗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動態(tài)試驗中Κ通過以不同的速度滑動傳感器磁環(huán)來獲得不同規(guī)律的信號Κ得到不同的動態(tài)工作曲線，為其中一條曲線Κ經(jīng)過反復測試，實時動態(tài)響應速度滿足10H z 頻率磁致伸縮線性位移傳感器的響應速度.
5 結(jié)束語
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)跳變在±L SB 范圍之內(nèi)Κ滿足精度要求Μ實時動態(tài)響應速度滿足，磁致伸縮線性位移傳感器響應速度， 試驗樣機工作性能良好，且此系統(tǒng)對其它傳感器信號的數(shù)據(jù)采集也具有的參考價值。
