CN102937408B - 磁致伸缩自校准测距仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁致伸缩自校准测距仪，属于测距仪技术领域。所述嵌入式处理器的PWM端口与升压器的一端相连接，升压器的另一端与整流器的一端相连接，整流器的另一端分别与电子开关的一端和分压器的一端相连接，分压器的另一端与嵌入式处理器的A/D接口相连接，电子开关的电流脉冲输出端与弹性钢丝相连接，电子开关的开关信号输入端与嵌入式处理器的I/O接口相连接。本发明的精度仅取决于第一检测线圈与第二检测线圈的距离精度和时间分辨力，不受环境温度及张丝拉力影响。所以可以同时得到高精度和高稳定度。功耗限制在1瓦以内，可使用电池供电。本发明可在15米以内保证毫米级精度且几乎不受环境因素影响，无需针对工作环境进行校准。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁致伸缩自校准测距仪，属于测距仪技术领域。
背景技术
磁致伸缩，就是物体在受到外磁场作用时，沿磁力线方向会产生伸缩相对变形。一切的铁磁材料都具有磁致伸缩效应，不同材料的磁致伸缩效应不同，有些材料在外磁场作用下伸长，具有正的磁致伸缩系数；而有一些材料在外磁场作用下缩短，具有负的磁致伸缩系数。
根据铁磁材料在磁场中的几何尺寸变化的形式不同，磁致伸缩效应可分为纵向效应、横向效应、扭转效应和体积效应，除此之外，磁致伸缩还具有逆效应，即Villari效应。
在国外，磁致伸缩液位传感器以美国MTS公司和美国Schaevitz公司的产品为典型代表，早己经成功地将磁致伸缩技术批量地应用在了位移、液位测量领域。利用磁致伸缩效应制作的液位传感器，由于采用非接触式敏感元件，减少了机械磨损，故具有较高的可靠性。根据美国太空总署(NASA)的测定，磁致伸缩液位传感器的敏感组件之平均无故障时间(MTBF)为23年。同时，由于其安装方便、调试快捷、测量精度高、成本较低，比传统的机械、电容、压力、超声波或伺服装置等测量系统具有更高的应用和经济价值。
美国MTS公司的Temposonics III及L系列磁致伸缩液位传感器的输出分辨率读数标准为5um，最高可以达2um。能提供高达士0.0l%F.S的测量精度。因此，新一代的Temposonics III系列的精度及功能己几乎接近光学尺，而其承受强力冲击、振荡及污染环境的能力则比光学尺强上好几倍。而价格却是光学尺的几分之一，这些都是MTS公司的科研成果。
磁致伸缩液位传感器在上个世纪80年代进入中国市场，其典型产品为美国MTS公司和美国Schaevitz公司的产品，主要应用于进口生产线设备的配套。国内某些科研单位和生产企业早在20世纪90年代初便积极开展对磁致伸缩液位传感器的研究和试制工作，但其规模都比较小，且其检测手段也都十分有限，多数产品现今还处于试用性阶段。
现有国外产品价格昂贵，且磁致伸缩测距技术受环境参数影响较大，环境温度和弹性钢丝张力均会影响测量精度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有磁致伸缩测距仪受环境参数影响较大，环境温度和弹性钢丝张力均会影响测量精度的问题，进而提供一种磁致伸缩自校准测距仪。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种磁致伸缩自校准测距仪，包括：弹性钢丝、可移动磁环、第一检测线圈、第二检测线圈、第一放大电路、第二放大电路、电子开关、分压器、整流器、升压器、嵌入式处理器和显示器，所述可移动磁环设置于被测距离终点，第二检测线圈设置于被测距离始点，第一检测线圈设置于检测路径上即可移动磁环和第二检测线圈之间，弹性钢丝穿过第二检测线圈、第一检测线圈和可移动磁环，第二检测线圈与第一放大电路的输入端相连接，第一检测线圈与第二放大电路的输入端相连接，第一放大电路和第二放大电路的输出端分别与嵌入式处理器的采样引脚相连接，嵌入式处理器的PWM端口与升压器的一端相连接，升压器的另一端与整流器的一端相连接，整流器的另一端分别与电子开关的一端和分压器的一端相连接，分压器的另一端与嵌入式处理器的A/D接口相连接，电子开关的电流脉冲输出端与弹性钢丝相连接，电子开关的开关信号输入端与嵌入式处理器的I/O接口相连接，嵌入式处理器的视频信号输出端与显示器相连接。
本发明具有以下优点：本发明的精度仅取决于第一检测线圈与第二检测线圈的距离精度和时间分辨力，不受环境温度及张丝拉力影响。所以可以同时得到高精度和高稳定度。成本增加极少而可以免除复杂频繁的对测量仪器的校准。测距仪设计以高速嵌入式处理器为核心。降低了成本，增加了可靠性和使用的简便性。功耗限制在1瓦以内，可使用电池供电。本发明可以在15米以内保证毫米级精度且几乎不受环境因素影响，无需针对工作环境进行校准。
附图说明
图1为本发明的磁致伸缩自校准测距仪的连接关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1所示，本实施例所涉及的一种磁致伸缩自校准测距仪，包括：弹性钢丝1、可移动磁环2、第一检测线圈3、第二检测线圈4、第一放大电路5、第二放大电路6、电子开关7、分压器8、整流器9、升压器10、嵌入式处理器11和显示器12，所述可移动磁环2设置于被测距离终点，第二检测线圈4设置于被测距离始点，第一检测线圈3设置于检测路径上即可移动磁环2和第二检测线圈4之间，弹性钢丝1穿过第二检测线圈4、第一检测线圈3和可移动磁环2，第二检测线圈4与第一放大电路5的输入端相连接，第一检测线圈3与第二放大电路6的输入端相连接，第一放大电路5和第二放大电路6的输出端分别与嵌入式处理器11的采样引脚相连接，嵌入式处理器11的PWM端口与升压器10的一端相连接，升压器10的另一端与整流器9的一端相连接，整流器9的另一端分别与电子开关7的一端和分压器8的一端相连接，分压器8的另一端与嵌入式处理器11的A/D接口相连接，电子开关7的电流脉冲输出端与弹性钢丝1相连接，电子开关7的开关信号输入端与嵌入式处理器11的I/O接口相连接，嵌入式处理器11的视频信号输出端与显示器12相连接。
所述弹性钢丝1为市售磁致伸缩效应钢丝。
所述可移动磁环2也可用单块磁铁代替，以能在线圈处检测到适当幅度波形（从50毫伏到1伏）为限。
所述第一检测线圈3和第二检测线圈4均为1~3千匝空心线圈。
所述第一放大电路5和第二放大电路6均为运放构成的带通滤波器加移相比较器。
所述电子开关7采用大电流MOS管。
所述分压器8为电阻分压。
所述整流器9和升压器10均由开关电流泵电路组成。
所述嵌入式处理器11使用任何低功耗高速单片机或DSP。
所述嵌入式处理器11为TI-MSP430F149单片机。）
工作原理：
弹性钢丝内通过电流脉冲，在可移动磁环处产生弹性机械波，沿弹性钢丝回传至检测线圈处，由磁致伸缩逆效应，在检测线圈中感应出信号。
脉冲驱动部分由嵌入式处理器产生脉冲调宽波形（PWM波）。经升压整流后产生30伏直流电压。处理器模数转换引脚测量到此电压后，由I/O口接通电子开关10微秒。在具有磁致伸缩效应的弹性钢丝内产生一个电流脉冲。此脉冲与可移动磁环作用，产生一个机械波。此波以大约2至3千米每秒速度传播，被第一检测线圈和第二检测线圈检测到，通过放大电路进入嵌入式处理器的采样引脚。
由于两检测线圈距离固定为已知，距离除以两线圈检测到信号的时间差得出弹性波在钢丝中的传播速度。此速度乘以发出电脉冲到第一线圈接收到返回脉冲的时间即为第一线圈到可移动磁环的距离。（实际上，电脉冲到第一检测线圈接收到返回脉冲的时间由两段组成，即电脉冲传到可移动磁环处所用时间和弹性机械波由可移动磁环处传回时间。由于电脉冲传到第一检测线圈处所用时间为相应距离除以30万公里/秒，所用时间相对于本测距仪可忽略不计。）
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种磁致伸缩自校准测距仪，其特征在于，包括：弹性钢丝、可移动磁环、第一检测线圈、第二检测线圈、第一放大电路、第二放大电路、电子开关、分压器、整流器、升压器、嵌入式处理器和显示器，所述可移动磁环设置于被测距离终点，第二检测线圈设置于被测距离始点，第一检测线圈设置于检测路径上即可移动磁环和第二检测线圈之间，弹性钢丝穿过第二检测线圈、第一检测线圈和可移动磁环，第二检测线圈与第一放大电路的输入端相连接，第一检测线圈与第二放大电路的输入端相连接，第一放大电路和第二放大电路的输出端分别与嵌入式处理器的采样引脚相连接，嵌入式处理器的PWM端口与升压器的一端相连接，升压器的另一端与整流器的一端相连接，整流器的另一端分别与电子开关的一端和分压器的一端相连接，分压器的另一端与嵌入式处理器的A/D接口相连接，电子开关的电流脉冲输出端与弹性钢丝相连接，电子开关的开关信号输入端与嵌入式处理器的I/O接口相连接，嵌入式处理器的视频信号输出端与显示器相连接。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩自校准测距仪，其特征在于，所述弹性钢丝为市售磁致伸缩效应钢丝。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩自校准测距仪，其特征在于，所述第一检测线圈和第二检测线圈均为1~3千匝空心线圈。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩自校准测距仪，其特征在于，所述第一放大电路和第二放大电路均为运放构成的带通滤波器加移相比较器。
5.根据权利要求1所述的磁致伸缩自校准测距仪，其特征在于，所述电子开关采用大电流MOS管。
6.根据权利要求1所述的磁致伸缩自校准测距仪，其特征在于，所述分压器为电阻分压。
7.根据权利要求1所述的磁致伸缩自校准测距仪，其特征在于，所述整流器和升压器均由开关电流泵电路组成。
8.根据权利要求1所述的磁致伸缩自校准测距仪，其特征在于，所述嵌入式处理器使用任何低功耗高速单片机或DSP。
9.根据权利要求8所述的磁致伸缩自校准测距仪，其特征在于，所述嵌入式处理器为TI-MSP430F149单片机。
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