CN101561244B - 一种高精度大量程磁致伸缩位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度大量程磁致伸缩位移传感器，主要包括波导管和传感电子头，所述波导管用于产生回波信号，接收激励脉冲信号，同时在磁环的位置产生磁致伸缩效应，产生磁致扭转波回传给回波采集处理分析系统，波导管上套有安装永磁铁的磁环，磁环产生的磁场与波导管产生的磁场方向不同，一旦交汇就产生磁致扭转波。所述传感电子头包括五个子系统，分别为控制单元、激励信号发生系统、通信系统、供电电源电路和回波采集处理分析系统。本发明的优点在于：设计了稳定的信号激励及高速数据采集系统，加强了信号的抗干扰设计；提高了传感器的应用范围；测量精度非常高，测量范围大，其测量距离在25mm～18000mm，同时还可以通过Zigbee无线将长距离测量的数据进行处理。

Description

一种高精度大量程磁致伸缩位移传感器

技术领域

本发明主要涉及了一种对位移进行测量控制的传感器，具体的说是一种可广泛应用于石油化工领域位移测量，机械自动化领域精密测控等的高精度大量程磁致伸缩位移传感器。

背景技术

近年来，随着科学技术的迅猛发展，对位移测量技术的要求也越来越高，对位移测量也提出了新的要求，不但要求位移传感器兼有非接触、大量程、高分辨率、高精度、高可靠性及使用方便等性能，而且还应具有适应恶劣工况(粉尘污染、振动冲击)特殊环境(火力电站锅炉汽包液位、军用与高温高压水位等)的能力。目前，位移测量方法主要有机械测量法、气动测量法、电磁测量法、光学测量法，其中电磁测量方法对被测信号直接检测，降低了信号转换过程中的损耗和畸变，因此在既需要大量程，又要保证高精度的自动化测控领域里，应用十分广泛。电磁测量法又可以分为电容式、电感式、应变式、霍尔式、电位计式、磁栅式、电涡流式、磁致伸缩式等形式，而高精度大量程磁致伸缩位移传感器满足高测量精度和大量程的要求。

电容式传感器虽然结构简单，价格便宜，灵敏度高，过载能力强，动态响应特性好，但是其输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，其精度只能达到一定程度。电感式传感器结构简单，可靠寿命长，灵敏度和分辨力高，线性度和重复性都比较好，但是它频率响应较低，不宜快速动态测控。应变式传感器精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，但其应变有较大的非线性，输出信号较弱，必须采用一定的补偿措施。霍尔式传感器灵敏度高，动态响应好，结构简单，但受温度和介质影响大，非线性也比较大。电位计式传感器结构简单，成本低，但是机械强度低，结构不牢固。电涡流式传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积小，但它也容易受到被测物体物理性能、几何形状以及几何尺寸的影响。

而高精度大量程磁致伸缩位移传感器具有精度高，可进行长距离测量，除此之外，它抗干扰能力强、结构简单、免维护、环境适应性强、安装方便、可实现多个参数测量。

目前，在高精度大位移测试方面，国外对相关技术进行深入的了研究，进口产品在性能和质量上面具有较大的优势，但其价格过于昂贵并且在技术上存在封锁，致使国内大量同类产品存在应用困难的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述不足，而提供一种高精度大量程磁致伸缩位移传感器，是一种利用磁致扭转波作为传播媒质的磁致伸缩式传感器，它基于磁致伸缩效应、电磁效应，运用电子技术、通讯技术和软件技术等综合技术所研制的高精度大量程位移传感器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种高精度大量程磁致伸缩位移传感器，主要包括波导管和传感电子头，所述波导管用于产生回波信号，接收激励脉冲信号，同时在磁环的位置产生磁致伸缩效应，产生磁致扭转波回传给回波采集处理分析系统，波导管上套有安装永磁铁的磁环，磁环产生的磁场与波导管产生的磁场方向不同，一旦交汇就产生磁致扭转波。所述传感电子头包括五个子系统，分别为控制单元、激励信号发生系统、通信系统、供电电源电路和回波采集处理分析系统，涉及到机械、电子、信号处理与计算机多学科领域的知识，是一个典型的多种高新技术融合的系统。

所述控制单元，用于发出激励发生信号给激励发生电路，发出信号处理控制信号给处理分析系统，发出时间读取信号给时间量计量电路，同时接收来自采集回波电路的回波信号，并将处理后的数据经过串口输出到PC；

所述激励信号发生系统，用于向波导管发出激励脉冲信号，并对信号进行功率放大，它的工作状态受单片机控制单元控制。

所述通信系统，采用了RS485通讯协议以及Zigbee无线通讯协议，通过串口与传感电子头相连接，用于将来自传感电子头的测量数据传输到PC；

所述回波采集处理分析电路，用于对传感器回传信号处理分析，回波采集电路通过检测、采集、滤波形成回波信号，再将回波信号发送到信号处理分析电路，并最终将信号传送到控制单元。

作为优选，所述的波导管外装有外管，使其与测量对象隔离，并起到隔振的作用、隔热、防尘等作用。外管上套有安装永磁铁的磁环，磁环产生的磁场与波导管产生的磁场方向不同，一旦交汇就产生磁致扭转波。

作为优选，在波导管的两端加阻尼元件，在外管上设有由第一辅助定位磁体和第二辅助定位磁体形成的双辅助磁环结构。

作为优选，所述回波采集处理分析电路采用了脉冲计数法对回波信号进行处理，采用500MHz振荡源作为计数脉冲源，采用非递归性结构的FIR低通数字滤波器。

作为优选，本发明采用稳定的24V供电电源电路为传感器提供所需的电源。

本发明的优点在于：(1)设计了稳定的信号激励及高速数据采集系统，加强了信号的抗干扰设计，从而使产品达到了0.02mm的高分辨率。(2)可在RS485通讯协议以及Zigbee无线通讯协议中选择组网方式。提高了传感器的应用范围，使其能更加方便地使用在高温、高压、高震荡的环境中。(3)采用了通用低功耗的单片机芯片，该芯片具有出色的DSP性能、先进的中断处理能力、功能强大的片上外设组以及可靠的高性能片上闪存，与此同时其成本低，是整个传感器能稳定运行的核心部分。(4)测量精度非常高，达到了国内该领域领先水平，满量程1000mm以下，最大测量精度达到了0.001％F.S，分辨率最高达1μm，实现了高精度测量，完全满足了目前工业测量对精度的要求。(5)测量范围大，其测量距离在25mm～18000mm，同时还可以通过Zigbee无线将长距离测量的数据进行处理。(6)监测能力大，不仅能对位移进行测量，还能对被测物体的温度进行监测，测温范围在-40℃～+70℃，测温精确度为±0.25℃。

附图说明

图1本发明传感器工作原理图；

图2本发明传感器结构图；

图3本发明波导管结构图；

图4本发明控制单元电路原理图；

图5本发明激励发生电路原理图；

图6本发明供电电源电路电路原理图；

图7本发明回波采集电路电路原理图；

图8本发明外部扩展存储器电路原理图；

图9计算机监控软件流程图。

附图标记说明：1接线插头，2传感电子头，3温度传感器，4总线，5测试电路板，7波导管，8外管，9阻尼元件，10定位磁环，11第一辅助定位磁环，12第二辅助定位磁环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但应理解这些实施例并不是限制本发明的范围，在不违背本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可对本发明作出改变和改进以使其适合不同的使用情况，条件和实施方案。

本发明是一种高精度大量程磁致伸缩位移传感器，它主要包括波导管、传感电子头、计算机监控软件。它采有RS485有限通信和Zigbee无线通信两种方式，采用稳定的24V供电电源电路为传感器提供所需的电源。

本发明各部分的电路连接如下：

一、波导管。

如图3所示在本发明中，包括接线插头1、传感电子头2、温度传感器3、总线4、测试电路板5、波导管7、外管8、阻尼元件9、定位磁环10、第一辅助定位磁环11和第二辅助定位磁环12。波导管7采用进口的磁致伸缩材料(GMM)制作，它的主要成分是稀土超磁致伸缩材料，以(Tb，Dy)Fe2化合物为基体的Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.95材料(Tb-Dy-Fe材料)的λ达到1500～2000ppm，比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1～2个数量级。

波导管7外安装了阻尼元件9，因为扭转波传到波导管的两个终端时，由于阻抗突变，将发生反射。反射波的存在降低了信号的信噪比，使被测峰值难于被接收。因此，在波导管的两端加阻尼原件，使得扭转波传播到波导管终端时被阻尼而迅速衰减，使反射波的幅值减小到不影响测量的程度。波导管7最外面安装有外管8，用来保护波导管，使其与测量对象隔离，并起到隔振的作用、隔热、防尘等作用，定位磁体10安装在外管上，可自由滑动。

除此之外，为了有效消除振荡源温漂以及扭转波在波导管中的传播速度受温度变化而改变而带来的测量误差，本发明在外管上设计了双辅助磁环结构，即在原有磁致伸缩位移传感器的基础上，加入两个固定的辅助定位磁体。如图3，当传感器进行位移测量时，设超声波从第一辅助定位磁体11和第二辅助定位磁体12返回时间分别为T₁和T₂。

由于磁致伸缩位移传感器具有极高的线性度，并且L值一定，因此满足以下关系：

$h=\frac{L}{T_2}\×T_1=\frac{L}{N_2}\×N_1$

注：N₁、N₂分别为时间T₁、T₂对应的技术脉冲个数，h为定位磁体到传感电子头的距离，为位移-时间比例系数C₀

当环境发生变化时，C₀也将发生变化，但L、T₁、T₂与h之间的线性关系依然存在因此C₀依然可以通过

得到，这样传感器只要在每次测量时都先测量并计算C₀，然后乘以测得的位移时间就可以得到具体的位移值，从而消除了由C₀波动导致的测量误差。因此，有效的消除了扭转波在波导管中的传播速度受温度变化而改变导致的测量误差。

振荡源温漂可以通过温漂系数e来体现，即

N_t＝e×N_t0

注：N_t为温度为t℃时的计数脉冲个数；N_t0为基准温度t₀℃时的计数脉冲个数。由于公式中包含了

项，故包含在N_t0与N_t中的温漂系数相互抵消。因此，这种方法可以有效地消除由振荡源温漂导致地测量误差。

二、传感电子头。

在本发明中所述的传感电子头2包括五个子系统，分别为控制单元、激励信号发生系统、供电电源电路、通信系统、回波采集处理分析系统、外部扩展可擦写数据存储器(EEPROM)，涉及到机械、电子、信号处理与计算机多学科领域的知识，是一个典型的多种高新技术融合的系统。

如图4所示本发明所述控制单元以低功耗单片机U9为主，它发出激励发生信号给激励发生电路，发出信号处理控制信号给处理分析系统，发出时间读取信号给时间量计量电路，同时接收来自采集回波电路的回波信号，并将处理后的数据经过串口输出到PC。

本发明高精度大量程磁致伸缩位移传感器通过单片机的数据存储以及输入输出来协调各个模块的工作。其中单片机U9的激励信号输出端49经过电阻R30与场效应晶体管Q3的栅级连接，单片机的时钟信号端53发送10KHz的方波信号到触发芯片U4的时钟输入端3，单片机的电源输入正端8、27、40、57分别接+5V电源电压，电源正端26、58与+2.5V电压相连，单片机的电源输入负端7、41、59接数字地RETURN，单片机信号采集端29接信号放大芯片U5的比较放大输出端7，单片机U9的时钟端60经过8M晶振和电阻R32连接到单片机的时钟端61，同时在晶振两端接电解电容C40、C41，单片机的复位端62经过开关J1分别然后一起接到单片机的63、64形成一个复位电路，对单片机形成硬件复位。单片机计时端32发出计时启动信号到时间量计量，计时开始。

如图5所示本发明所述激励发生电路用来产生激励脉冲信号，并对信号进行功率放大。

根据磁致伸缩传感器测量机理，为了使波导丝产生较大的扭转变形，波导丝中的电流脉冲必须产生较强的垂直于波导丝轴向的环向磁场，因此脉冲发射电路要向波导丝加载足够强度的脉冲的周期和宽度可调节的电流脉冲。

为了获得足够强度的可调脉宽电流脉冲，首先由CPU产生10KHz的方波信号激励施密特逻辑器件U4获得的两路相位差为180度的方波信号，然后将其输入到14级倍压电路，经过升压后，将其进行驱动放大和整形，最后通过大功率高速晶体管Q1、Q2输出稳定的激励波信号DRIVER，其脉宽由CPU控制晶体管开、关来实现。针对波导管材料特性和具体参数，产生激励脉冲信号DRIVER，并通过接插件传送到波导管中，产生最优的扭转波信号。

如图6所示本发明所述供电电源电路产生稳定的+5V和+3V直流电压，为传感器内部各个模块供电。外部+24V电源经过二极管D5、D6、D7与电压调节芯片U1的输入端8连接，在通过U1的输出端1输出稳定的+5V电压，同时再接到第二片电压调节芯片U2输入端8，U2的电压输出端输出+3V稳定电压。电压调节芯片U1、U2接地端4和关断端3分别接地。

如图2本发明所述通信电路主要由RS485通讯电路以及Zigbee无线通讯系统组成，通过串口与传感电子头相连接，将来自电子头的测量数据传输到PC。将电子头电路板上的TXD与串口TXD脚相连，RXD与串口RXD脚相连。

如图7所示本发明所述回波采集处理分析电路，用于对传感器回传信号处理分析。本发明的回波采集系统中设计了差模放大电路、峰值检波电路以及比较电路对脉冲信号进行隔离、缓冲、放大、整形及滤波。将来自波导管回波信号SE_SIG_IN输入到差模放大电路U6，此电路对共模干扰输入有很高的抑制能力，从而增强回波信号可信度，然后我们将经过差分放大电路U6的输出信号端6输入比较整形电路U5的输入端3以及峰值检波电路，输出的信号COMP-OUT不仅去掉了毛刺，而且改善了波形的上升沿及下降沿以及提高了模拟信号负载能力。由于波导管内电流脉冲和应变脉冲的影响，以及系统的杂散噪声的存在，输出信号仍有与其测量精度相对而言影响很大的扰动，虽然经过了硬件滤波，但是并不能够完全消除其影响。

因此本系统中设计最大的创新点在于采用了脉冲计数法对回波信号进行处理，具体处理方式如下：

本项目所研究的高精度大量程磁致伸缩位移传感器是通过测量脉冲发射和回波接收之间的时间间隔来确定位移的，所以，时间量的精确计量是实现传感器高分辨关键所在，本传感器采用脉冲计数法。计数值N正比于时间间隔T。

则时间分辨力为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{T}{N}=\frac{1}{f}$

所对应的当量距离为：

$\mathrm{\ΔH}=v\×\mathrm{\ΔT}=\frac{v}{f}$

式中：f为记数脉冲源频率，v为超声波在介质中的传播速度。

有上式可以看出f值越高，其分辨率也高，所以，本传感器中采用了高达500MHz振荡源作为计数脉冲源，超声波的传播速度为3000m/s，由此可以计算出ΔH为6μm。

为了再次提高分辨率，本项目对检测信号的频谱特性进行了分析，在分析过程中，首先将随机变量a_n1、a_n2之间的自相关函数φ_aa(m)定义为

φ_aa(m)＝E(a_n1×a_n2)＝E(a_n×a_n+m)

即乘积的数学期望，式中m＝n₂-n₁为时移差。

然后对自相关函数φ_aa(m)进行傅立叶变换得出功率谱密度。接下来将序列的傅立叶变换的模的平方除以n得到功率谱的估计，即周期图。因此我们采取周期图来作为功率谱的估计，取512个样点来分析其频谱特性。

根据频谱特性图，采用Hamming窗口函数，设计了非递归性结构的FIR低通数字滤波器，采用非递归型结构，避免了递归结构中极限环振荡等不稳定现象，从而减小误差达到提高传感器分辨率的目的，然后采用了二维线性插值法，在信号处理系统中对所采集的特征点进行了5次差值运算，从而将分辨率提高到了1μm。

如图8所示本发明扩展了一个外部可擦写数据存储器，通过外部扩展来提高传感器对数据处理的能力。存储器U8的写保护启用脚1和读保护启用脚2、3以及4脚连接在一起，然后接地。串行数据地址输入输出脚5与控制单元U9的数据数据发送控制脚36相连接，串行时钟脚6与控制单元U9外部中断端39相连接，接收控制脚7与控制单元U9的接收控制脚35相连接，电源输入端8经过电阻R45与+5V电源连接。

三、计算机监控软件

如图9是本发明计算机监控软件结构图。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种高精度大量程磁致伸缩位移传感器，主要包括波导管(7)和传感电子头(2)，其特征在于：所述波导管(7)用于产生回波信号，接收激励脉冲信号，同时在定位磁环(10)的位置产生磁致伸缩效应，产生磁致扭转波回传给回波采集处理分析系统，波导管(7)上套有安装永磁铁的定位磁环(10)，定位磁环(10)产生的磁场与波导管(7)产生的磁场方向不同；所述的波导管(7)外装有外管(8)，外管(8)上套有安装永磁铁的定位磁环(10)，定位磁环(10)产生的磁场与波导管(7)产生的磁场方向不同；所述传感电子头(2)包括五个子系统，分别为控制单元、激励信号发生系统、通信系统、供电电源电路和回波采集处理分析系统；其中

所述控制单元，用于发出激励发生信号给激励发生电路，发出信号处理控制信号给处理分析系统，发出时间读取信号给时间量计量电路，同时接收来自回波采集电路的回波信号，并将测量数据经过串口输出到PC；

所述激励信号发生系统，用于向波导管发出激励脉冲信号，并对激励脉冲信号进行功率放大；

所述通信系统，采用了RS485通讯协议以及Zigbee无线通讯协议，通过串口与传感电子头的控制单元相连接，用于将来自传感电子头的测量数据传输到PC；

所述回波采集处理分析系统，用于对磁致扭转波处理分析，回波采集电路通过检测、采集、滤波形成回波信号，再将回波信号发送到信号处理分析电路，并最终将回波信号传送到控制单元；

在波导管(7)的两端设有阻尼元件(9)，在外管(8)上设有由第一辅助定位磁体(11)和第二辅助定位磁体(12)形成的双辅助磁环结构。

2.根据权利要求1所述的高精度大量程磁致伸缩位移传感器，其特征在于：所述回波采集处理分析系统采用了脉冲计数法对回波信号进行处理，采用500MHz振荡源作为计数脉冲源，采用非递归性结构的FIR低通数字滤波器。

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