CN104154851A - 一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)由脉冲信号产生与接收模块触发产生周期性的激励始发脉冲送至磁致伸缩位移传感器波导丝输入端，2)脉冲信号产生与接收模块采集激励信号发生时刻记录为t₁，信号从测量位置到达线圈的时刻记录为t₂，信号经过波导丝始端返回到线圈的时刻记录为t₃；3)结合信号到达线圈各个时刻及根据数学原理推理可得所测位移大小为：本发明利用扭转波传播速度和系统自身时钟频率发生变化时，误差量通过上述计算式相互抵消，保证了测量的精度，且本发明有针对性滤除杂波信号，将特定的噪声信号加以提取利用，巧妙地避免了降噪效果不佳带来的误差问题。

Description

一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法

技术领域

本发明属于传感器技术，具体是涉及一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法。

背景技术

磁致伸缩位移传感器是利用磁致伸缩材料的威德曼(Wiedeman)效应和威拉里(Villary)效应来实现绝对位移测量的非接触测量器，具有非接触、精度高、速度快、防护等级高、成本低等卓越特性，被广泛应用于机械、建筑、机床等行业。

对于磁致伸缩位移传感器位移测量的研究，主要集中在对扭转波到达时刻的提取以及如何降低系统中干扰信号方面。扭转波传播在2800m/s左右，根据磁致伸缩位移传感器的测量原理，这就要求当扭转波按已知的速度到达线圈时，处理器能够立即响应，获取信号到达时刻。同时，在系统中噪声干扰信号也伴随存在，影响处理器做出获取信号到达时刻的判断。要获得较纯净的扭转波信号，也要保证扭转波的传播速度不受外界影响，必然对抑制和去除干扰信号提出了更高的要求。

目前计算位移所采用的公式为X＝v×t中，X表示所测位移，v表示扭转波在波导丝上传播的速度，t表示扭转波在波导丝上传播的时间。目前单片机的时钟振荡频率会因长时间工作等外部因素产生漂移现象。按现有的方法测量，测量相同的位移，根据公式X＝v×t，在一个测量周期内默认频率不发生变化，若实际频率偏高，时钟计数值偏大，时间与速度乘积偏大，导致X值偏大，误差产生。而当测量系统受外界温度变化影响，波导丝老化，会造成扭转波传播速度漂移现象。按现有的方法测量，当测量定长时，X＝v×t，当实际速度减小，测量时间变大，而系统默认的速度未变，则导致速度与时间的乘积变大，导致测量结果偏大，产生偏差。

申请号为201010117461.9的专利申请公开了“低噪声磁致伸缩位移传感器”。该发明提出了一种差动式线圈结构接入电路进行降噪的思想，外加屏蔽器、阻尼器件，降噪效果明显，提高了检测精度。但该发明结构复杂，工艺精细，且在外设的屏蔽器、阻尼器安装效果不佳、外界时钟频率发生变化或波导丝材质发生变化引起扭转波速度发生变化时，同样会影响测量精度。

申请号为201010117458.7的专利申请公开了“双丝差动型磁致伸缩位移传感器”。该发明提供了两组信号发生组件拾取磁铁组件的位置信息，由于两个感应线圈反向串联构成差动形式，两组信号发生组件中的噪声信号是相同的，总的输出信号中干扰与噪声会显著降低，提高了检测精度。但该装置结构复杂，安装繁琐，成本较大，且波导丝中只要有一根出现异常，就会导致降低干扰与噪声的效果不佳，从而影响测量精度。而且在外界时钟频率发生变化或波导丝材质发生变化引起扭转波速度发生变化时，导致误差产生，同样会影响测量精度。

由此可见，上述现有的磁致伸缩位移传感器位移测量方法，显然仍存有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种将扭转波返回信号充分利用，减少了复杂的降噪滤波系统，从而简化了系统，节约了成本，提高了计算精度的磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法。

为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)、由脉冲信号产生与接收模块触发产生周期性的激励始发脉冲送至磁致伸缩位移传感器波导丝输入端，磁致伸缩位移传感器输出端输出电压脉冲信号经信号处理模块传输至单片机进行处理；

2)、脉冲信号产生与接收模块采集激励信号发生时刻记录为t₁，信号从测量位置到达线圈的时刻记录为t₂，信号经过波导丝始端返回到线圈的时刻记录为t₃；

3)、由于在制作传感器时，激励信号始端和感应线圈之间的距离固定为L，结合信号到达线圈各个时刻及根据数学原理推理可得所测位移大小为：

$X=\frac{t_2-t_1}{t_3-t_2}\×2L;$

4)、将2)式中的时间数据量依据上述所给公式计算得出最终测量位移。

前述的一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述脉冲信号产生与接收模块包括单片机、三极管射极跟随缓冲电路和N沟道增强型MOSFET管，所述单片机经过三极管射极跟随缓冲电路将脉冲信号进行放大再通过N沟道增强型MOSFET管送至磁致伸缩位移传感器输入端波导丝输入端。

前述的一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述信号处理模块包括信号放大电路、低通滤波电路和带阻滤波电路，所述信号放大电路集成了第一级放大电路和第二级放大电路，所述磁致伸缩位移传感输送的电压信号经第一级放大电路放大，所述第一级放大电路的输出信号经过低通滤波电路滤掉高频部分的信号，所述低频信号再经过带阻滤波电路滤除固有频率干扰，然后信号再通过第二级放大电路放大再输送给脉冲信号产生与接收模块的单片机进行处理。

前述的一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述单片机还与晶振电路连接。

前述的一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述单片机采用MSP430F5172芯片，供电电压为3.3V电压。

前述的一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述信号放大电路采用OPA2899放大芯片

本发明所达到的有益效果：本发明基于磁致伸缩位移传感器工作的基本原理，将扭转波在固定长度上传播的时间作为参照，所测量位移就可以根据扭转波传播时间对应的比例得出。将原本特定的噪声信号加以提取利用，巧妙地避免了降噪效果不佳引起的误差问题；再结合数学知识及磁致伸缩位移传感器的固有特点，得到时差比例原理的磁致伸缩位移传感器的位移测量方法。

相比现有的测量方法，本发明存在显著优点：在装置上更为精简，没有双丝差动结构和严谨的降噪系统；在测量效果上，即使外界环境的变化导致了扭转波传播速度的改变，或系统本身的时钟频率发生变化，利用本发明时差比例位移测量方法同样可以降低测量误差。

附图说明

图1是本发明脉冲信号产生与接收模块电路图。

图2是本发明磁致伸缩位移传感器示意图。

图3是本发明信号处理模块电路图。

图4是本发明单片机采集信号时刻示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，所述脉冲信号产生与接收模块包括单片机、三极管射极跟随缓冲电路和N沟道增强型MOSFET管，单片机采用MSP430F5172芯片，供电电压采用3.3V，通过可编程控制，经外部晶振电路，从单片机P3.6口产生频率为1KHz的脉冲信号(可视传感器具体测量位移而定)，1ms刷新一次测量距离。再经过三极管射极跟随缓冲电路将脉冲信号进行放大，再通过N沟道增强型MOSFET管连接至如图2所示磁致伸缩位移传感器波导丝输入端3处，并利用导线6构成回路。

如图2所示为磁致伸缩位移传感器的结构示意图，由单片机产生激励始发脉冲，经三极管放大驱动后产生激励电流，从磁致伸缩位移传感器波导丝输入端3处流入，根据安培定律，电流在波导丝4周围产生一个环形磁场，当与外加磁铁1产生的磁场相遇时，在波导丝4形成扭转波，在磁铁1位置向两边传播。到达磁致伸缩位移传感器末端阻尼器5处，扭转波被吸收。当该扭转波到达线圈2上时，瞬时产生感应电势V_B,扭转波继续向前传播抵达磁致伸缩位移传感器波导丝输入端3处，并进行反射重新到达位置2即感应线圈处，产生第二次感应电势V_B'。再由感应线圈将电流信号转化为电压脉冲输出。

如图3所示，信号处理模块包括信号放大电路、低通滤波电路和带阻滤波电路。由于扭转波经线圈后变为电压幅值较小的信号，必须经过放大电路。一个OPA2899放大芯片集成了两个放大电路，信号经第一个放大电路放大10倍，输出经过低通滤波电路，滤掉高频部分的信号。低频信号中，由于受固有电厂频率干扰，50Hz的信号尤为常见，因而又串接一个带阻滤波电路，去除50Hz的信号成分，再经过第二级放大电路，放大10倍，最终成为放大倍数为100倍的基本纯净的信号。再送至如图1所示单片机TD1.1口进行处理。

如图4所示为单片机采集脉冲信号时刻图，t₁为单片机产生激励脉冲的时刻，t₂为测量位置处产生的扭转波首次到达感应线圈2的时刻，t₃为扭转波从线圈2继续往磁致伸缩位移传感器波导丝输入端3传播后经反射又到达线圈2的时刻。t₂-t₁，扭转波从磁铁1传播到线圈2的时间。t₃-t₂扭转波从线圈2到达磁致伸缩位移传感器波导丝输入端3，又返回到线圈2的时间。

需要说明下的是从单片机产生激励脉冲起到测量位置处产生扭转波(即从磁致伸缩位移传感器波导丝输入端3处流入，到磁铁1与波导丝4配合向两边传播这个过程中)这之间存在一定的时间差，但单片机产生的激励脉冲信号在波导丝上传播的，传播速度非常快，近似于光速，可达3×10⁸m/s，这相对于扭转波在波导丝上传播的速度2800m/s而言，速度十分快，而且所测位移不大，进而可以忽略这极小的时间差，认为测量位置产生扭转波的时刻即是单片机产生激励脉冲的时刻t₁。

同时虽然t₂、t₃时间间隔极短，达到微秒级，但采用的MSP430F5172单片机分辨率极高，能达到纳秒级，因而测量精度绝对可以保证。一个周期完成后，单片机开始下一周期的测量，不断循环上述过程。

如前所述，在一个周期内，所测位移大小可以表示为： $X=\frac{t_2-t_1}{t_3-t_2}\×2L.$

本发明测量精度不受单片机时钟频率变化影响。单片机的时钟振荡频率会因长时间工作等外部因素产生漂移现象。按现有的方法测量，测量相同的位移，根据公式X＝v×t，X表示所测位移，v表示扭转波在波导丝上传播的速度，t表示扭转波在波导丝上传播的时间。在一个测量周期内默认频率不发生变化，若实际频率偏高，时钟计数值偏大，时间与速度乘积偏大，导致X值偏大，误差产生。而采用本方法计算时， $X=\frac{t_2-t_1}{t_3-t_2}\×2L=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_1}{\mathrm{\Δ}{T}_2}\×2L=\frac{M\×\frac{1}{f}}{N\×\frac{1}{f}}\×2L,$ M和N分别为在ΔT₁和ΔT₂时间段内的脉冲数，f为时钟频率，所测位移与固定长度成定比K,则脉冲数M与N也成定比K,由公式可见，当频率f改变时，分子分母中关于f变量消去，显而易见该方法不受单片机时钟频率变化的影响。

本发明测量精度不受扭转波传播速度变化影响。当测量系统受外界温度变化影响，波导丝老化，会造成扭转波传播速度漂移现象。按现有的方法测量，当测量定长时，X＝v×t，X表示所测位移，v表示扭转波在波导丝上传播的速度，t表示扭转波在波导丝上传播的时间。当实际速度减小，测量时间变大，而系统默认的速度未变，则导致速度与时间的乘积变大，导致测量结果偏大，产生偏差。而采用本方法时， $X=\frac{t_2-t_1}{t_3-t_2}\×2L=(t_2-t_1)\×\frac{2L}{t_3-t_2}=(t_2-t_1)\×v_1,$ 式中v₁为扭转波传播的实际速度，最后结果X为实际速度与实际时间的乘积。显而易见该方法不受扭转波传播速度变化影响。

现有方法中将定长段的扭转波信号过滤掉，而本发明磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法中，将这一扭转波返回信号充分利用，减少了复杂的降噪滤波系统，从而简化了系统，节约了成本。

综上所述，本发明磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法具有结构简单，安装方便，测量精度不受时钟频率、外界环境影响等优点。其具有上述诸多的优点及使用价值，并在同类产品中未见有类似的结构设计公开发表或使用而确属创新，其不论在结构上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)、由脉冲信号产生与接收模块触发产生周期性的激励始发脉冲送至磁致伸缩位移传感器波导丝输入端，磁致伸缩位移传感器输出端输出电压脉冲信号经信号处理模块传输至单片机进行处理；

2)、脉冲信号产生与接收模块采集激励信号发生时刻记录为t₁，信号从测量位置到达线圈的时刻记录为t₂，信号经过波导丝始端返回到线圈的时刻记录为t₃；

3)、由于在制作传感器时，激励信号始端和感应线圈之间的距离固定为L，结合信号到达线圈各个时刻及根据数学原理推理可得所测位移大小为：

其中X表示所测位移；

4)、将2)式中的时间数据量依据上述所给公式计算得出最终测量位移。

2.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述脉冲信号产生与接收模块包括单片机、三极管射极跟随缓冲电路和N沟道增强型MOSFET管，所述单片机经过三极管射极跟随缓冲电路将脉冲信号进行放大再通过N沟道增强型MOSFET管送至磁致伸缩位移传感器输入端波导丝输入端。

3.根据权利要求2所述的一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述信号处理模块包括信号放大电路、低通滤波电路和带阻滤波电路，所述信号放大电路集成了第一级放大电路和第二级放大电路，所述磁致伸缩位移传感输送的电压信号经第一级放大电路放大，所述第一级放大电路的输出信号经过低通滤波电路滤掉高频部分的信号，所述低频信号再经过带阻滤波电路滤除固有频率干扰，然后信号再通过第二级放大电路放大再输送给脉冲信号产生与接收模块的单片机进行处理。

4.根据权利要求3所述的一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述单片机还与晶振电路连接。

5.根据权利要求4所述的一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述单片机采用MSP430F5172芯片，供电电压为3.3V电压。

6.根据权利要求5所述的一种磁致伸缩传感器的时差比例位移测量方法，其特征在于：所述信号放大电路采用OPA2899放大芯片。