磁致伸缩位移传感器位移测量研究与实现

磁致伸缩位移传感器位移测量研究与实现

李庆山　潘日敏　戴曙光　杨永才

(上海理工大学光学与电子信息工程学院　上海　200093)

摘要　基于磁致伸缩位移传感器的位移测量原理,讨论了位移测量的方法与实现:通过测量发射脉冲与回波脉冲的时间差计算活动磁铁的位置。基于F PG A器件设计了数字移相脉冲计数方式对时间进行精确测量,该方法对于提高测量位移精度,降低测量系统对高频的要求,对提高系统稳定性和抗干扰能力有重要意义。

关键词　磁致伸缩　数字移相　时间测量　F PG A

Research and Realization of the Displacement Measurement for Magnetostric-tive Displacement Sensor

Li Qing shan　Pan Rimin　Dai Shuguang　Yang Yong cai

(College of Op tical and Electr onics I nf or mation Eng ineer ing,

Univ er sity of Shanghai f or S cience and T echnology,Shanghai200093,China)

Abstract　Basing on t he measurement principle of magnetostritive displacement sensor,the method and realiza-tion of displacement measurment are int roduced.M easurement on the interval betw een t rigger impulse and re-turn impulse corresponds t o the position of t he moving magnet.T he precise time int erval measurement with digi-tal phase shift count ing is designed by using FPG A device.T his method can enhance t he systemat ic precision, reduce the syst emat ic demand on high frequency.It has great significance in promot ing syst em st ability and anti-jamming.

Key words　M agnet ostrict ive　Digital phase shif t　T ime measurement　FPGA

1　引 言

磁致伸缩位移传感器是一种以磁致扭转波为传播媒介的传感器,这种传感器安装简单、方便,能承受高温、高压和高振荡的环境。广泛应用于易爆、易燃、易挥发、有腐蚀的场合,但在国内设计和应用的都比较少。文中基于磁致伸缩位移传感器的原理,阐述了一种可以提高磁致伸缩位移传感器精度的位移测量方法。

2　磁致伸缩位移传感器的原理

磁致伸缩位移传感器(M agnet ostrict ive Posit ion Sensor)如图1所示,主要由波导钢丝1,位置磁铁4,波检测器3和电子系统5组成。位置磁铁通常装在一个运动部件A上,而传感器主体则装在一个固定的部件B上。传感器工作时,电子信号和处理系统5以时间间隔为T1发给磁致波导钢丝1的激励脉冲电流i

e

。该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝1的旋转磁场。位置磁铁4也产生一个固定的磁场。在这两个磁场的正交作用下,波导钢丝产生磁致弹性伸缩,形成一个磁致旋转波2。该旋转波沿着波导钢丝以2800m/s的速度向两边传播。当它传到波导钢丝一端的波检测器3时被转换成电信号u a。通过测量磁致旋转波从位置磁铁4传到波检测器3的时间T0就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。这样,当部件A和B产生相对运动,通过磁致旋转波位移传感器就可以确定部件A的位置和速度。

3　位移测量原理和常规方法分析

磁致伸缩位移传感器的位移计算非常简单,将所

第26卷第8期增刊 仪　器　仪　表　学　报 2005年8月

1波导钢丝　2磁致旋转波　3波检测器

4位置磁铁　5电子信号和处理系统　6波反射器

7减波元件　8回线　9传感器壳体

图1　磁致旋转波位移传感器的测量原理

测量的时间差乘以磁致伸缩扭转波的传播速度:位置=时差×扭转波传播速度-零点位置(零点位置为零区与死区之和)。由于磁致伸缩材料采用圆形截面丝,根据Pochhammer的三维弹性理论,扭转波在圆截面杆中的传播形式是关于圆柱中心轴对称的,其扭转波速c

1=(G/Q)1/2　其中:G为磁致伸缩材料的切变模量,Q为磁致伸缩材料的密度值。

那么位移L=c1*T0-L0(其中:c1为应变波的传

播速度,T

0为时间间隔,L

为零点位置,零点位置等于

零区与死区之和)。可知,位移测量误差$L=$c1*T0 +$T0*c1,其中对具体的波导管来说,在一定温度范

围内,G和Q都是恒定的,因此c

1是恒定的,即$c

1=0,

那么位移测量的误差主要由时间量检测的误差决定, $L=$T0*c1,因而时差的测量是计算位置精度的关键。电子技术及计算机技术的发展为精确测量提供了大量高性能、小体积的器件和众多算法。利用现代计算机计数及电子技术,可对脉冲声波的传播时间进行精确测量。通常采用数字电路容易达到低噪声和高精度的特点。电子电路由外置控制器提供触发信号。传感器电子接收电路利用触发脉冲和回波脉冲调制产生一个宽脉冲,调制后的脉冲宽度与磁铁位置成正比。利用数字计数方式来对宽脉冲进行测量,计数功能的实现就是要保证在触发脉冲开始时计数,而在接收到回波信号后停止计数。通过计数器的计数值就可以计算位移。时间差测量原理如图2所示。

图中两个窄脉冲信号分别为触发脉冲和回波脉冲。利用这两个窄脉冲信号调制出来的脉冲宽度分别为

T

2和T

3

。触发信号的时间T

1

已知。如果计数器的

时钟频率为f,周期为T。若对于T

2

段,计数器的计数

值为m2,对于T3段的计数值为m3,那么T0=(m2+

m3)*T/2+T1/2;由于采用数字计数方式测量,计数

误差为±1,时间误差为±T,时间分辨力越高,位移测

量误差越小,所以高分辨力的时间量检测对传感器实

现高精度测量很关键。如果要提高时间分辨力,提高计

数器的时钟频率是有效办法,由$L=$T

0*c1=c1/f

图2　时间差测量原理图

其中:f为计数器的计数频率。

对于本传感器的材料,c

1

=2800m/s,如果系统要

求位移最大误差为20L m,则:

f=2800*106/20=140M Hz

如果系统计数时钟频率为50M Hz,则时间误差为

±20ns,位移最大误差为56L m。由此可见,如果达到系

统高精度要求,这种简单的计数方式需要很高的时钟

频率,而在这样的高频状态下,系统抗电磁辐射干扰能

力又对系统的成本提出了更高的要求。如果不使设计

陷入两难境地,应该寻求新的测量方式。

4　数字相移脉宽时间测量方法

所谓移相是指对于两路同频信号,以其中一路为

参考信号,另一路相对于该参考信号做超前或滞后的

移动形成相位差。数字移相通常采用延时方法,以延时

的长短来决定两数字信号间的相位差,以四相移为例,

阐述数字相移脉宽的测量,如图3所示。

图3　数字相移脉宽时间测量原理图

时钟信号CLK0依次进行90°移相,得到CLK,

CL K1和CL K2,这四路时钟信号驱动四个相同的计数

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　第8期增刊磁致伸缩位移传感器位移测量研究与实现