CN109357610B - 基于stm32的多功能磁致伸缩位移测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪及测量方法，包括波导丝、滑杆、多个磁环、阻尼器、检测线圈、测量仪电路；波导丝安装于滑杆内，磁环为磁伸材料提供恒定的耦合磁场，并可在滑杆上自由滑动；阻尼器用于吸收波导丝末端的弹性波，检测线圈实现对弹性波的信号拾取，即从物理量到电量的转换；测量仪电路包括激励脉冲产生模块、磁弹性波检测模块及时间测量与控制模块。本发明采用STM32进行控制和相应计算，结合硬件设施，可实现位置测量、位移测量、速度测量等功能且支持多种通讯方式，测量结果的多种输出方式使其在工业测量系统中兼容性较好，适用性较强。

Description

基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种磁致伸缩位移传感器，尤其涉及一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪及测量方法。

背景技术

磁致伸缩位移传感器利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应及逆效应原理将位移量转化为时间量来进行非接触式测量。故在目前常用的位移传感器中，磁致伸缩液位传感器以其精度高、量程大、安全性可靠性高、免维护等一系列优点，被广泛应用于冶金、环保、化工等行业，尤其是易燃易爆、易挥发、有腐蚀的环境中，在位移包括液位测量领域发挥着越来越重要的作用。

但目前常见进口和国产的磁致伸缩位移传感器的测量精度易受环境温度等影响，在使用过程中大多通过在软件中增加复杂算法的方式对其进行补偿。随着电子技术的发展，不同的测试系统根据实际需求所需的传感器输出方式或通讯方式有所差异。而目前常见的磁致伸缩位移传感器信号输出方式或通讯方式单一，普遍不能满足多种通信要求和输出不同类型数据。并且在多种场合下，还存在着需要测量多路数据。若有特殊要求需联系厂家对硬件及软件修改后一对一定制，适用性及兼容性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪及测量方法，解决目前磁致伸缩位移测量仪存在的测量精度易受环境温度等影响、单次测量位置单一、信号输出方式单一、功能单一等问题。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪，包括波导丝、滑杆、多个磁环、阻尼器、检测线圈和测量仪电路；

波导丝安装于滑杆内，磁环为磁伸材料提供恒定的耦合磁场，并可在滑杆上自由滑动；阻尼器用于吸收波导丝末端的弹性波，检测线圈实现对弹性波的信号拾取，即从物理量到电量的转换；

所述测量仪电路包括激励脉冲产生模块、磁弹性波检测模块及时间测量与控制模块，其中激励脉冲产生模块包括激励信号产生电路、D触发电路、功率驱动放大电路，磁弹性波检测模块包括信号滤波放大电路、时刻鉴别电路，时间测量与控制模块包括TDC测时模块和STM32控制模块；

磁致伸缩位移测量仪工作时，由STM32控制模块控制激励信号产生电路产生一定周期的脉冲信号作为激励源，然后经D触发电路对其脉宽调节，得到可调窄脉冲，将得到的窄脉冲通过功率驱动放大电路，产生一定幅值的窄脉冲激励信号，将其加载到波导丝上，与永久磁铁相耦合，产生力磁耦合弹性波；检测线圈检测到传至末端的弹性波，将其经过信号滤波放大电路进行信号调理；通过时刻鉴别电路得到多磁环对应的时间停止信号，送入TDC测时模块进行时间测量。

一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量方法，包括以下步骤：

步骤1，由STM32控制模块选择测量仪的工作方式及在测量模式下的检测物理量、信号输出方式和通信方式，并控制脉冲激励模块产生电流脉冲加载到波导丝，以获得相应的扭转波；其中工作方式包括校准模式及测量模式；

步骤2，在校准模式下，TDC测时模块测得检测磁环和校准磁环与电流脉冲的时间差T₁和T₂，设测杆长度H，根据h＝(T₁/T₂)×H计算出检测磁环的位置；

步骤3，依据步骤2中计算方式，测量同一磁环的位置h、位移h₁-h₂，计算(h₁-h₂)×f测得瞬时速度，f为电流脉冲的频率；

步骤4，在TDC测时模块接收扭转波脉冲前，对信号进行时刻鉴别，采用过零时刻鉴别法，使待测信号的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为时刻鉴别的起止时刻点，然后通过过零比较电路判别出返回扭转波信号的起止时刻点；

步骤5，由STM32控制模块计算出具体位置、位移或速度，并以要求的通信方式和数据输出方式发送给其他设备。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明采用能够有效降低误差的时刻鉴别电路配合专门的时间测量芯片TDC-GP21进一步提高测量精度；有效解决脉冲幅值变化带来的时间游动误差，还可有效地克服波形畸变和噪声带来的误差，TDC_GP21芯片测量精度可以高达22ps；(2)本发明采用自校准的方式，能够有效弥补温度对波导丝的影响，有益于传输较精确的测量信号；(3)本发明采用了多磁环的方式，能够实现多点测量；(4)本发明能够结合不同测量需求，对主控制器STM32发送指令实现多功能测量；STM32支持多种通信方式以及多种数据输出方式，方便和其他系统协同工作具有较好的兼容性和灵活性；(5)本发明受使用环境影响较小、线性精度较高；(6)本发明支持多功能测量，能够实现对位置、位移、速度的测量；(7)本发明支持多种通信方式和数据输出方式，使其在工业测量系统中兼容性较好，有较高的灵活性；(8)本发明测量电路简单，对不同的测量要求，只需对主控芯片输入指令即可，无需修改硬件电路。

附图说明

图1是本发明的一种基于STM32的磁致伸缩位移测量仪的原理示意图。

图2是本发明的的电路原理框图。

图3是本发明改进的时刻鉴别电路框图。

图4是本发明的位移测量模式软件流程图。

具体实施方式

本发明在原有的磁致伸缩位移测量仪研究基础上，改进传统的磁致伸缩位移传感器的结构，实现传感器的自校准功能，消除温度对测量结果的影响。采用过零时刻鉴别电路取代常见的时刻鉴别电路，有效地消除回波幅度变化所引起的测量误差，并利用TDC测量信号时间差，进一步提高位移测量精度。采用多磁环的方式实现多路测量；为了能够适应设备的通信要求和数据类型采用了STM32作为主控芯片，可以通过对软件的更新实现对不同接口，不同数据类型要求的更换。

结合图1，一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪，包括波导丝、滑杆、多个磁环、阻尼器、检测线圈和测量仪电路；

波导丝安装于滑杆内，磁环为磁伸材料提供恒定的耦合磁场，并可在滑杆上自由滑动；阻尼器用于吸收波导丝末端的弹性波，检测线圈实现对弹性波的信号拾取，即从物理量到电量的转换；

结合图2，所述测量仪电路包括激励脉冲产生模块、磁弹性波检测模块及时间测量与控制模块，其中激励脉冲产生模块包括激励信号产生电路、D触发电路、功率驱动放大电路，磁弹性波检测模块包括信号滤波放大电路、时刻鉴别电路，时间测量与控制模块包括TDC测时模块和STM32控制模块；

磁致伸缩位移测量仪工作时，由STM32控制模块控制激励信号产生电路产生一定周期的脉冲信号作为激励源，然后经D触发电路对其脉宽调节，得到可调窄脉冲，将得到的窄脉冲通过功率驱动放大电路，产生一定幅值的窄脉冲激励信号，将其加载到波导丝上，与永久磁铁相耦合，产生力磁耦合弹性波；检测线圈检测到传至末端的弹性波，将其经过信号滤波放大电路进行信号调理；通过时刻鉴别电路得到多磁环对应的时间停止信号，送入TDC测时模块进行时间测量。

结合图3，所述时刻鉴别电路包括减法放大电路、高通容阻滤波器和过零比较电路，接收信号经过减法放大电路，将接收信号中地线上的脉冲噪声减至运放供电负电源以下饱和消除，再通过高通容阻滤波器，使待测信号的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为时刻鉴别的起止时刻点，然后通过过零比较电路判别出返回脉冲信号的起止时刻点。

优选的，磁环数量为2-3个。

如图4所示，本发明还提供一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量方法，包括以下步骤：

a由STM32选择测量仪的工作方式(包括校准模式及测量模式)及在测量模式下的检测物理量、信号输出方式和通信方式的切换，并控制脉冲激励模块产生电流脉冲加载到波导丝，以获得相应的扭转波；

b在校准模式下，TDC测得检测磁环和校准磁环与电流脉冲的时间差T₁和T₂，设测杆长度H，则可根据h＝(T₁/T₂)×H计算出检测磁环的位置；

c在测量模式下，测杆上的磁环均可作为用于测量功能，因此能够实现多点测量。依据b中所述的计算方式，可测量同一磁环的位置h、位移h₁-h₂以及在电流脉冲的频率f足够大时，计算(h₁-h₂)×f便可测得瞬时速度；

d在TDC接收扭转波脉冲前，需要对信号进行时刻鉴别，采用过零时刻鉴别法，使待测信号的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为时刻鉴别的起止时刻点，然后通过过零比较电路来判别出返回扭转波信号的起止时刻点；

e由STM32根据测得的数据算出具体数据，并以要求的通信方式和数据输出方式发送给其他设备。

本发明采用多磁环方式，能够实现自动校准和多点测量，改进常见的时刻鉴别电路并采用专门的时间测量芯片TDC-GP21测量信号时间差，进一步提高测量精度。

综上所述，本发明的多功能磁致伸缩位移测量仪具有以下特点：

a能够实现自校准及多功能测量；测量仪能够根据指令对位置、位移、速度或温度等数据的测量，实现多功能测量；并且可以切换模式即校准模式或测量模式。

b优化的时刻鉴别电路配合专门的时间测量芯片TDC-GP21进一步提高测量精度；信号调理电路当中，采用过零时刻鉴别的方法，有效解决脉冲幅值变化带来的时间游动误差，还可有效地克服波形畸变和噪声带来的误差，且TDC-GP21芯片测量精度可以高达22ps。两者的配合使用可以得到测量精度的进一步提高。

c支持多种通讯方式，测量结果的多种输出方式。使用STM32作为主控芯片，STM32支持多种通信方式以及多种数据输出方式，方便和其他系统协同工作具有较好的兼容性和灵活性。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

结合图1，基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪，主要包括波导丝、滑杆、多个磁环、阻尼器、检测线圈、测量仪电路。波导丝安装于滑杆内，磁环为磁伸材料提供恒定的耦合磁场，并可在滑杆上自由滑动。阻尼器用于吸收波导丝末端的弹性波以减小弹性波从末端反射对检测信号带来的干扰。检测线圈则实现对弹性波的信号拾取，即从物理量到电量的转换。

结合图2，测量仪电路包括激励脉冲产生模块、磁弹性波检测模块及时间测量与控制模块。其中激励脉冲产生模块包括激励信号产生电路、D触发电路、功率驱动放大电路；磁弹性波检测模块包括信号滤波放大电路、时刻鉴别电路；时间测量与控制模块则包括TDC与STM32的最小系统电路。

其中，常用的时刻鉴别的实现方法包括前沿时刻鉴别、恒定比值时刻鉴别和过零时刻鉴别等方法。因在不同距离下接收信号幅值大小不一，故前沿时刻鉴别法由于将模拟信号与一固定的阈值进行比较，存在较大的漂移误差，不适用于精确测量。恒定比值时刻鉴别与过零时刻鉴别法均可解决脉冲幅值变化带来的时间游动误差，但恒定比值时刻鉴别因需对信号做衰减、延时等而要求输入信号较好且通常需加入偏置电压保证其正常鉴别，电路较为复杂且难度较大，故过零时刻鉴别电路因其电路简单、效果较好、适用范围广而使用更多。

由于原接收信号中地线上存在较多幅值较小的脉冲噪声，故对常用过零时刻鉴别电路进行改进。结合图3，将接收信号经过减法放大电路，保证原接收信号中地线上的脉冲噪声被减至运放供电负电源以下饱和消除，再通过高通容阻滤波器，使待测信号的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为时刻鉴别的起止时刻点，然后通过过零比较电路来判别出返回脉冲信号的起止时刻点，这种方法对输入信号的幅度变化不敏感，只要求接收通道工作在严格的线性方式，信号不失真。

过零时刻鉴别法不仅可以解决脉冲幅值变化带来的时间游动误差，还可有效地克服波形畸变和噪声带来的误差。

磁致伸缩位移测量仪正常工作时，由STM32控制激励信号产生电路产生一定周期的脉冲信号作为激励源，然后将其经过D触发电路对其脉宽调节，得到可调窄脉冲，由于此脉宽信号功率不足以激励波导丝，故将得到的窄脉冲通过功率驱动放大电路，产生一定幅值的窄脉冲激励信号，将其加载到波导丝上，与永久磁铁相耦合，产生力磁耦合弹性波。检测线圈检测到传至末端的弹性波，由于感应的磁弹性波信号微弱，故将其经过信号滤波放大电路进行信号调理。由于本文为实现自校准、多点测量而采用多磁环的结构设计，且为提高测量精度，通过改进的时刻鉴别电路得到多磁环对应的时间停止信号，送入TDC-GP21进行时间的测量，可以有效消除回波幅度变化所引起的测量误差。

结合图2，一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪包括如下步骤：

步骤1、由STM32选择测量仪的工作方式、信号输出方式及通信方式，并控制磁致伸缩位移测量仪的脉冲激励产生模块产生一个电流脉冲加载到波导丝上，当传播到检测磁环处，产生一个扭转波并沿着沿波导丝传播，为减少弹性波从末端反射对检测信号带来干扰，在末端使用阻尼器吸收扭转波。除检测磁环外，末端阻尼器前增加了一个校准磁环，在测量仪需要校准时，将其移至校准位置固定用于校准。当测量仪处于正常测量模式时，校准磁环可作为测量磁环在滑杆上移动。

步骤2、电流脉冲加载到波导丝时，亦触发TDC开始工作，使测时间差功能正常工作。

步骤3、当选择校准模式时，校准磁环移动到校准位置并固定不动，TDC接收由检测磁环返回的扭转波同电流脉冲的时间差T₁和由校准磁环返回的扭转波同电流脉冲的时间差T₂，设滑杆长度H，则可根据h＝(T₁/T₂)×H计算出检测磁环相对滑杆所处的位置。

步骤4、当选择测量模式时，测杆上的磁环均可用于测量功能，与校准原理相似，可测量同一磁环的位置h、位移h₁-h₂以及在电流脉冲的频率f足够大时，计算(h₁-h₂)×f便可测得瞬时速度。

步骤5、在校准模式或者测量模式下，采集到的信号通过磁弹性波检测模块进行滤波放大，并对信号进行时刻鉴别，由过零比较电路判别出返回扭转波信号的起止时刻点，为TDC测量时间差提供更精准的脉冲信号。

步骤6、测时芯片TDC-GP21测得时间差数据，并发送给主控芯片STM32，由STM32根据要求算出具体位置或位移或速度，并在有相应的要求下，以要求的通信方式和数据输出方式发送给其他设备。

本发明采用STM32作为主控芯片，支持多种外设，方便用户自行扩展功能。

Claims (3)

1.一种基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪，其特征在于，包括波导丝、滑杆、多个磁环、阻尼器、检测线圈和测量仪电路；

波导丝安装于滑杆内，磁环为磁伸材料提供恒定的耦合磁场，并可在滑杆上自由滑动；阻尼器用于吸收波导丝末端的弹性波，检测线圈实现对弹性波的信号拾取，即从物理量到电量的转换；

所述测量仪电路包括激励脉冲产生模块、磁弹性波检测模块及时间测量与控制模块，其中激励脉冲产生模块包括激励信号产生电路、D触发电路和功率驱动放大电路，磁弹性波检测模块包括信号滤波放大电路和时刻鉴别电路，时间测量与控制模块包括TDC测时模块和STM32控制模块；

磁致伸缩位移测量仪工作时，由STM32控制模块控制激励信号产生电路产生一定周期的脉冲信号作为激励源，然后经D触发电路对其脉宽调节，得到可调窄脉冲，将得到的窄脉冲通过功率驱动放大电路，产生一定幅值的窄脉冲激励信号，将其加载到波导丝上，与永久磁铁相耦合，产生力磁耦合弹性波；检测线圈检测到传至末端的弹性波，将其经过信号滤波放大电路进行信号调理；通过时刻鉴别电路得到多磁环对应的时间停止信号，送入TDC测时模块进行时间测量；

所述时刻鉴别电路包括减法放大电路、高通容阻滤波器和过零比较电路，接收信号经过减法放大电路，将接收信号中地线上的脉冲噪声减至运放供电负电源以下饱和消除，再通过高通容阻滤波器，使待测信号的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为时刻鉴别的起止时刻点，然后通过过零比较电路判别出返回脉冲信号的起止时刻点。

2.根据权利要求1所述的基于STM32的多功能磁致伸缩位移测量仪，其特征在于，磁环数量为2-3个。

3.一种基于权利要求1所述多功能磁致伸缩位移测量仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，由STM32控制模块选择测量仪的工作方式及在测量模式下的检测物理量、信号输出方式和通信方式，并控制脉冲激励模块产生电流脉冲加载到波导丝，以获得相应的扭转波；其中工作方式包括校准模式及测量模式；

步骤2，在校准模式下，TDC测时模块测得检测磁环和校准磁环与电流脉冲的时间差T₁和T₂，设测杆长度H，根据h＝(T₁/T₂)×H计算出检测磁环的位置；

步骤3，依据步骤2中计算方式，测量同一磁环的位置h、位移h₁-h₂，计算(h₁-h₂)×f测得瞬时速度，f为电流脉冲的频率；

步骤4，在TDC测时模块接收扭转波脉冲前，对信号进行时刻鉴别，采用过零时刻鉴别法，使待测信号的极值点转变为零点，双极性输出信号的过零点即为时刻鉴别的起止时刻点，然后通过过零比较电路判别出返回扭转波信号的起止时刻点；

步骤5，由STM32控制模块计算出具体位置、位移或速度，并以要求的通信方式和数据输出方式发送给其他设备。

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