浅析磁致伸缩位移传感器的研制

席清波

（上海希敏自动化设备有限公司,上海 201102）

在自动化测控领域有很多种测量位移的传感器,但大都存在一些不足之处,比如电阻位移传感器响应快、使用简单,但易磨损；LVDT 位移传感器精度高但量程小；光栅位移传感器量程大、精度高,但不能用于有振动、污染的场合等。而磁致伸缩位移传感器是根据致伸缩效应测量游标磁环位置的位移传感器,由于是非接触的绝对位置测量,所以不存在信号漂移,无需定期维护和校验。即使测量过程是不断重复的,也不会对传感器造成任何磨损。有量程范围大、精度高、响应快、稳定性好等优点,它既可以作为常规通用的位移传感器,也可以作为一体化的产品内置在油缸中测量活塞的位置,如果把磁环换成浮球也可以精确的测量各种液位的高度。由于传感器是全密封结构,因而可用于高温、高压、腐蚀和冲击等场合,能适用于各种恶劣的工业环境。

1 磁致伸缩位移传感器的原理和结构

磁致伸缩位移传感器的测量原理是基于传感器核心检测元件磁致伸缩波导丝与游标磁环之间的魏德曼（Wiedeman）效应,即磁致伸缩效应。通过内部电路产生脉冲,在波导丝周围形成周向安培环形磁场,当该磁场与游标磁环的偏置永磁磁场发生耦合作用时,就会因磁致伸缩效应而产生一个机械扭转应力波,该扭转应力波以一定的速度（2830m/s）沿波导丝返回并被感应电路所拾取,通过计算发射脉冲与回波信号的时间差就能精确计算出游标磁环的位置即位移。

磁致伸缩位移传感器主要由测量杆、游标磁环、电子仓等部件组成。测量杆一般选非磁性的刚性材料（如不锈钢管）,内有波导丝(磁致伸缩线)、保护套管、末端阻尼器等。电子仓内含测量控制电路和感应线圈等。在电子仓内波导丝的同一个位置分别向两边各焊接一条金属带（须与波导丝是同一种材质）,金属带穿过感应线圈的中心,当波导丝带动金属带扭转时,就会引起线圈内磁感应量的变化,线圈在旁边永久磁铁的磁场作用下就会感应出电脉冲即回波信号。

2 硬件实现方案

2.1 元器件选型

2.1.1 单片机选用美国Microchip 公司的工业级低功耗芯片PIC18(L)F45K22,它具有极强的抗干扰性能,高达16 MIPS 的工作速度,带有独立的内置看门狗；时钟频率可达64 MHz,内部有4 倍频锁相环（PLL）；16 位定时器/计数器可以保证时间测量的精度；两个增强型通用串口（EUSART）模块；8 x 8 单周期硬件乘法器对于有较多浮点数计算的代码,能大幅提升执行的效率。

选用有源晶振,它有内置振荡电路,不需要匹配电容,避免了外部电容匹配不好造成频率偏移的问题,同时也在很大程度上减少了电路板杂散信号对它的干扰,可以达到更高精度与稳定性。为提高EMC 性能,晶振频率选为16 MHz,然后通过MCU 内部锁相环4 倍频到64 MHz；软件对测量数据进行取平均值后再平滑滤波,时间的分辨力可以达到1/64 MHz,扭转应力波在波导材料中的传播速度约为2830m/s,那么位移测量值的分辨力可以达到：（2830/64）*10-6m=0.044mm。

2.1.2 脉冲大电流驱动选用NXP 公司的BST52 达林顿三极管,它的集电极电流（DC）为1A,峰值电流为2A。虽然在设计的电路中,波导丝中最大电流约为10A,但单片机发出的是脉冲信号,脉冲的周期是2ms,脉冲宽度为0.5us,所以波导丝中的平均电流只有0.0025A,经实际验证,完全能满足设计要求。

2.1.3 拾取回波信号的运放选用AD 公司的低功耗高速运算放大器AD8039,它有低电源电流,1 mA /通道；高速,350 MHz,-3 dB 带宽；低噪音,8 nV/√Hz @100 kHz,600 fA/√Hz @ 100 kHz；低偏置电流,最大750nA。用2 片AD8039 组成仪表放大器,线圈感应信号差分输入到仪表放大器,提高了输入阻抗和共模抑制比(CMRR)。由于拾取的信号极其微弱,两个线圈的感应信号设计成方向相反形成差分信号以提高抗干扰能力,周围需要屏蔽,并要使线路尽量短的输入到运算放大器。

2.2 磁致伸缩位移传感器电路测量控制原理

MCU 发出激励脉冲,经放大单元放大后驱动波导丝。回波信号拾取单元拾取信号后再进行放大、整形,输入到MCU,MCU 对原始数据进行处理,把测量结果以数字量和模拟量输出,同时在液晶显示器上也可以直观的显示测量结果。

传感器原理框图如图1 所示。

图1 磁致伸缩位移传感器原理框图

通过2 个按键的组合可以设置各项参数,如客户现场端参数：零点和满度的迁移,输出方向切换,恢复出厂设置等；工厂内部端参数（不对客户开放）：零点和满度的标定,显示值和输出值一致性的校准,输出范围设置等。由于加工工艺差异、元器件离散性,甚至不同批次波导丝的性能差异等,都会造成测量误差,所以专门设置了调节输出零点和满度偏移的参数,而不是在硬件电路中通过机械式的电位器调节,提高了可靠性,这在防护等级要求高、振动比较强的场合,优点更加明显。

传感器的量程和定时器的时钟频率有关,在时钟频率为64 MHz 时,量程为2.83m,分辨力为0.044mm；为32 MHz 时,则量程为5.66m,此时分辨力为0.088mm,虽然这时分辨力变大了,但量程也变大了,所以分辨力和精度相对于满量程的百分比,即分辨率和相对精度还是没有变化的。根据需要量程可以达到20m。

磁致伸缩位移传感器的输出形式有：4～20mA 或0 ～20mA,0 ～5V 或0 ～10V；以及数字输出Modbus RTU,由于省去了把原本就是数字量的回波时间再转换为模拟量的环节,数字输出的精度要比模拟量输出的更高。

电源电路设计了防雷击、防浪涌、反向、过载、短路等保护。模拟电路和数字电路分开供电,在PCB 布局布线时,功率、高频器件和模拟器件要分开放置,在模拟电路区域单点接地,这些措施都有效地提高了系统的抗干扰能力和可靠性。

2.2.1 MCU 各管脚的分配。根据EMC 设计原则,为使与外围功能单元的传输线尽量短,就近分配了MCU各管脚的功能,见图2。

图2 MCU 管脚分配图

2.2.2 脉冲驱动电路。MCU 发出的激励脉冲驱动能力比较弱,需经放大单元放大后才能驱动波导丝。对于小量程的传感器,由于波导丝的电阻较小,应该加一个限流电阻,以防止驱动电流过大损坏器件,电路见图3。

图3 脉冲驱动电路

2.2.3 回波信号拾取、放大、整形电路。感应线圈拾取的差分信号先通过仪表放大器进行放大,然后和设定的电压比较以滤除干扰的杂波,提高抗干扰能力,再经过整形后输入到MCU,具体电路见图4。

图4 回波信号拾取、放大、整形电路

2.2.4 输出。传感器有标准电流、电压模拟量输出,和数字量输出。数字量输出的物理层接口选用RS485 通讯协议,应用层选用Modbus RTU 软件协议,它们都是工业上常用的通讯协议。

3 软件实现方案

系统软件由C 语言编写,主程序包括测量数据处理,刷新模拟量输出值,刷新显示值,键处理等。发射脉冲和数字量输出都放在低优先级中断里处理,而读取时间测量值则放在高优先级中断里处理以提高响应速度,也即提高测量精度。

对测量数据数组进行抗干扰处理后得到有效测量值,再对有效测量值进行零点和满度标定、显示值和输出值一致性校准、离散性修正等数据处理,得到最终的输出测量值。

在软件中设置了多处软件陷阱,以及多条“NOP()”作为指令冗余,以增强系统的抗干扰能力。

3.1 主程序流程图见图5。

图5 主程序流程图

3.2 中断。发射脉冲的定时器timer0中断和数字通讯的串口EUSART1 中断都是低优先级中断,它们是同一个中断入口,需要判断后分别处理。回波脉冲输入到MCU 的外部中断引脚INT0,为高优先级中断以提高时间测量的精度,TMR1 为时间测量计数器,脉冲发射后即启动,进入INT0 中断后可读取测量值。根据需要,可以安装三个磁环,同时测量三个位移量,实现多参数测量。

4 传感器测试结果与分析

在常温常压的环境中对传感器进行了测试,传感器量程1000mm,输出4～20mA,24VDC 供电,数据如表1。

表1

从测试数据可以得出上行程的最大绝对误差为0.004mA,对应位移测量值的最大绝对误差为：（0.004/16.001）*1000.00=0.25mm, 则 相 对 误 差 为：（0.25/1000.00）*100%=0.025%F.S.,即在工程意义上传感器的上行程相对精度为0.025%F.S.。同样的可以计算出下行程相对精度为0.031%F.S.（为绝对值,不区分正负号）。

多组测试数据表明,测量值基本上是一条直线,在标准值附近波动,没有迟滞现象,证明了磁致伸缩的测量原理是完全正确的,并且测量值的精度非常高。对于较大的量程,最大绝对误差会大一些,但增加的并不多,因而相对误差即相对精度要比小量程的更优,即量程越大相对精度越高。

传感器在满量程时连续通电24 小时,测量值的最大波动范围为±0.002mA,即0.013%F.S.,传感器的稳定性也非常好。设置温度试验箱的温度范围为-20～60℃进行温漂测试,对于模拟量输出的传感器,测得零点的温漂为0.02%F.S./10℃,满量程的温漂为0.2%F.S./10℃。对于数字量输出的传感器,测得零点的温漂为0.01%F.S./10℃,满量程的温漂为0.08%F.S./10℃。这显然是由于省去了把数字量再转换为模拟量的环节,减少了元器件数量和转换误差,也减少了温漂,所以数字量输出的精度要比模拟量输出的更高,温度性能也更优。

5 结论

通过上述设计和测试结果可以看到,磁致伸缩位移传感器有很大的测量范围,很高的精度,可以同时测量多个磁环的位置,如果加入温度传感器则也可以测量温度,实现一个传感器测量多个参数,减小了传感器尺寸和数量,简化了安装。从测量原理、电路原理、实测结果来看,数字量输出更适合要求精度高、温漂小的应用场合,并且成本还更低。在有些温度变化比较大的场合,可以在软件中增加温度补偿以对测量值进行修正,提高测量精度。对于有些要求更小分辨率和更高精度的应用,在设计时可以选择专用的时间间隔测量芯片来实现,同时选用温补有源晶振以保证传感器的性能。所以磁致伸缩传感器能在各种恶劣的工业环境中完成位移、液位、温度等过程参数的一体化精确测量,是自动化测控系统中非常好的解决方案。