CN103092061A

CN103092061A - 基于电磁感应的磁致伸缩高精度时间测量系统

Info

Publication number: CN103092061A
Application number: CN2013100623027A
Authority: CN
Inventors: 周翟和; 汪丽群; 胡佳佳; 沈超
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明提供了一种基于电磁感应的磁致伸缩高精度时间测量系统，涉及电磁学、电子技术、传感器技术、数字信号处理领域。本发明首先根据磁致伸缩位移传感器的工作原理设计时间测量时序图，在CPLD上建立基于电磁感应的磁致伸缩高精度时间测量系统。该系统包括时间间隔获取模块、感应脉冲信号处理模块、计数模块及计数数据处理模块；所述的时间间隔获取模块包括激励脉冲发生电路、延时电路和RS触发电路；所述的计数模块包括16位计数器和内部晶振。本发明的优点在于：采用CPLD实现功能，选择更快速度的CPLD可达到很高的测量精度，提高电路设计灵活性，简化电路结构，使磁致伸缩位移传感器精度提高，成本降低，设备易于小型化。

Description

基于电磁感应的磁致伸缩高精度时间测量系统

技术领域

本发明涉及了电磁学、电子技术、传感器技术、数字信号处理领域，特别是涉及到磁致伸缩位移传感器、电磁感应、基于电子技术的高精度时间测量技术方面的知识。

背景技术

磁致伸缩位移传感器利用磁致扭转波作为传播媒致的磁致伸缩式传感器。该传感器具有非接触测量、精度高、重复性好、稳定可靠、环境适应性强等特点，已在石油、化工、制药等行业得到了广泛应用。

如图1所示，磁致伸缩位移传感器通过对波导丝施加给定的激励脉冲产生一个围绕波导丝的旋转磁场。位置磁铁也产生一个固定的磁场，在这两个磁场的共同作用下，形成一个磁致旋转波，该波沿着波导丝以固定速度向两边传播，当它传到一端的阻尼器，该波被减弱吸收；当它传到波导丝一端的感应线圈，产生微弱的回波信号，传感器信号处理电路对回波信号进行处理产生感应脉冲。由于发射的激励脉冲电流以光速传播，所以其传播时间可以忽略，所以通过时间测量电路测出激励脉冲S1和接收到感应脉冲S2的时间间隔，便可精确地计算出位置磁铁的位置，即可实现绝对位移L的测量。综上所述其利用磁致伸缩效应将位移量转化为时间量，所以高精度的时间间隔测量是传感器高准确度的重要保证。

按实现技术，时间间隔测量方法大致可以分为模拟与数字两大类。但是现有的磁致伸缩位移传感器的时间测量电路大多采用模拟技术，传统的模拟方法很难在集成电路上实现，随着半导体技术、嵌入式技术和EDA技术的不断发展，数字设计技术将逐步取代模拟技术。数字法是用同步时钟脉冲对时间间隔进行计数测量，要提高数字法的测时精度，就需要提高计数时钟的频率，而采用传统的TTL和CMOS逻辑电路，工作频率不可能很高，故使得磁致伸缩位移传感器的精度不高。

故本发明提出了采用CPLD搭建基于电磁感应的磁致伸缩高精度时间测量系统，可达到了较高的位移精度。CPLD是于20世纪90年代初出现的新型可在线编程逻辑器件，具有集成度高，工作速度快，编程方便，价格低廉的优点。CPLD内部逻辑结构简单，连线相对固定，延时小且可预测，更利于器件在高频下工作，故可以达到更高的精度，以此解决现有问题提高时间测量精度，从而提高传感器精度。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述的不足，而提供一种基于电磁感应的磁致伸缩高精度时间测量系统应用于磁致伸缩位移传感器中。它基于磁致伸缩效应、电磁效应，运用电子技术，通过CPLD搭建实现高精度时间测量系统。

本发明的技术方案的原理：根据磁致伸缩位移传感器的工作原理分析可知，传感器是通过测量激励脉冲S1与感应脉冲S2的时间间隔来确定位移的。时间间隔的检测方法有多种，在此我们采用数字法。如图2所示，高精度时间测量即是测量激励脉冲S1的产生到感应脉冲S2的接受之间的时间间隔T，采用同步时钟脉冲对时间间隔T进行计数测量。因为接受到的感应脉冲S2中受到激励脉冲S1的影响，一个周期里，既有激励脉冲又有回波信号，对计数器复位有干扰。故我们采用将激励脉冲S1与感应脉冲S2之间的时间间隔T转化为PWM信号S4的宽度来测量。同时，为了消除感应脉冲S2中激励脉冲S1的干扰，引入了延时脉冲S3。最终将S4作为闸门信号控制对同步时钟脉冲进行计数，即可精确测量出时间间隔T。

本发明采用的技术方案：这种基于电磁感应的磁致伸缩高精度时间测量系统主要通过CPLD完成磁致伸缩位移传感器中高精度时间测量的功能。该系统由时间间隔获取模块、感应脉冲信号处理模块、计数模块和计数数据处理模块四个部分组成。

时间间隔获取模块：其由激励脉冲发生电路，延时电路和RS触发电路组成。其实现获取从激励脉冲S1的产生到感应脉冲S2的接受之间的时间间隔T的功能。

感应脉冲信号处理模块：在时间间隔测量中，磁致伸缩位移传感器中的磁致旋转波沿着波导丝向两边传播，一端被阻尼器所吸收，另一端被感应线圈吸收产生回波信号，经处理后产生感应脉冲S2。若阻尼器未能全部吸收磁致旋转波，传到感应线圈而产生二次回波，感应脉冲S2会受到二次回波的干扰。这种现象会导致时间间隔测量的误判及误测，针对这种异常现象，故需对感应脉冲S2进行信号处理。该感应脉冲信号处理电路实现消除二次回波的功能，在CPLD内部编程实现捕捉两次上升沿并置为高电平，来消除二次回波。

计数模块：实现对时间间隔T的计数测量功能，采用CPLD内部自带的高频晶振50MHZ作为计数脉冲源输入，将PWM信号S4作为闸门信号控制对高频脉冲进行计数，根据计数值N，即可精确测量出时间间隔T。

计数数据处理模块：在高精度时间测量过程中，磁致伸缩传感器内的激励脉冲和感应脉冲不可避免地会对最终测量输出的计数值产生一定的干扰。为了提高计数数值的可靠性，需对计数数据进行处理，采用滑动平均滤波算法。在CPLD内部实现滑动平均滤波电路，其由8级16位移位寄存器、7个加法器及除法器组成。

附图说明

图1是磁致伸缩位移传感器工作原理示意图；

图2是高精度时间测量时序图；

图3是基于电磁感应的磁致伸缩高精度时间测量系统原理图；

图4是感应脉冲及受二次回波影响的感应脉冲示意图；

附图标记说明：1是激励脉冲，2是波导丝，3是位置磁铁，4是阻尼器，5是感应脉冲，6是感应线圈，7是时间间隔获取模块，8是感应脉冲信号处理模块，9是计数模块，10是计数数据处理模块，11是二次回波，L是位置磁铁的绝对位移，T是时间间隔，S1是激励脉冲，S2是感应脉冲，S3是延时脉冲，S4是PWM信号，S5是受二次回波影响的感应脉冲。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本专利作进一步的说明如下。

本发明是一种基于电磁感应的磁致伸缩高精度时间测量系统应用于磁致伸缩位移传感器中。该系统包括时间间隔获取模块7、感应脉冲信号处理模块8、计数模块9和计数数据处理模块10四个部分。

本发明各部分的电路连接如图3所示，首先，通过时间间隔获取模块7中的激励脉冲发生电路产生激励脉冲S1，如图1所示，放大后施加至波导丝2，产生微弱的回波信号，经过放大滤波处理后输入至感应脉冲信号处理电路8，消除二次回波11(如图4所示)，得到感应脉冲S2，如图2所示，感应脉冲S2相对于激励脉冲S1有一定延时，为了消除其对时间测量的影响，将S1先通过延时电路，使逻辑高电平适当的延时，得到如图2中的延时脉冲S3。再将延时脉冲S3和感应脉冲S2通过RS触发器，得到PWM信号S4，其宽度即为激励脉冲S1和感应脉冲S2的时间间隔T。采用CPLD内部自带晶振50MHZ作为计数脉冲源输入，将PWM信号S4作为闸门信号控制对高频脉冲进行计数。将所得的计数值通过计数数据处理模块10进行平滑滤波处理，首先采用8级16位移位寄存器和7个加法器来实现对16位计数值Q15...Q0的滑动求和，8级16位移位寄存器即组成一个数据队列，其中的数据在每个时钟沿的推动下移动一次，形成新旧数据的移入移出操作。另外用一个固定数值为8的除法器实现对滑动和求平均的运算。最终输出的即为经过滑动滤波后的16位计数值(Q15)_n...(Q0)_n。

本发明的目的是通过提高时间量的精确度来研制出高精度的磁致伸缩位移传感器。

16位的计数器对PWM信号S4的计数值为Q15...Q0，对计数值采样n次，采样值分别为(Q15)₁...(Q0)_l......(Q15)_n...(Q0)_n，对n次计数采样值进行滑动平均滤波得到的最终的计数值为

{(Q 15)}_{n} . . . {(Q 0)}_{n} = \frac{1}{N} Σ_{i = 0}^{N - 1} [{(Q 15)}_{n - i} . . . {(Q 0)}_{n - i}] - - - (1)

假设基准时钟频率为f₀，则时间分辨力T₀及时间间隔T

\{\begin{matrix} T_{0} = 1 / f_{0} \\ T = ({(Q 15)}_{n} \times 2^{15} + . . . + {(Q 0)}_{n} \times 2^{0}) \times T_{0} \end{matrix} - - - (2)

由式(2)可知，时间间隔的精度是由时间分辨力T₀及计数值决定的。f₀值越高，时间分辨率也越高，在本次发明中，采用CPLD的50MHZ晶振作为计数脉冲源，时间间隔的精度可以达到20ns。同时采用滑动滤波算法对计数值进行处理，保证了计数值的可靠性，继而保证了时间测量的准确性。

Claims

1.一种基于电磁感应的磁致伸缩高精度时间测量系统，该系统包括下列模块：

计数模块，用于对时间间隔T测量计数；

计数数据处理模块，采用滑动平均滤波算法，用于对计数数据进行处理，消除干扰；

其特征在于还包括以下模块：

时间间隔获取模块，用于获取从激励脉冲的产生到感应脉冲的接受之间的时间间隔T；

感应脉冲信号处理模块，用于消除感应脉冲中的二次回波。

2.根据权利要求1所述的高精度时间测量系统，其特征在于：所述的时间间隔获取模块由激励脉冲发生电路、延时电路和RS触发电路组成；所述的激励脉冲发生电路，通过CPLD产生周期性稳定的激励脉冲直接与感应脉冲在CPLD内部进行处理，减少外部干扰；所述的延时电路，通过CPLD把激励脉冲的逻辑高电平适当的延时，得到延时脉冲代替激励脉冲与感应脉冲进行处理获取时间间隔T，从而消除感应脉冲中激励脉冲的干扰。

3.根据权利要求1所述的高精度时间测量系统，其特征在于：所述的感应脉冲信号处理模块，采用CPLD内部编程实现，捕捉受二次回波影响的感应脉冲的两次上升沿并置为高电平来消除二次回波。

4.根据权利要求1所述的高精度时间测量系统，其特征在于：整个系统在CPLD上搭建的，CPLD内部逻辑结构简单，集成度高，延时小且可预测，有利于高频下工作，采用50MHZ振荡源，其时间测量的精度可达到20ns。