CN100578137C - 磁致伸缩式位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩式位移传感器，该位移传感器采用时差测距法来对位移进行测量，利用两个不同的磁场相交来激发出扭转波，计算扭转波的传播时间，便能间接准确地进行位移测量。由中央控制单元、信号激励发生电路、信号处理电路、高速计时电路、RS485接口电路、供电电源电路和波导丝组成。

Description

磁致伸缩式位移传感器

技术领域

本发明涉及一种位移传感器，具体地说，是指一种基于磁致伸缩技术的高精度位移传感器。

背景技术

位移的测量方法有很多，主要有机械法测量、气动测量法、电磁测量法、光学法测量。其中，电磁测量方法能直接输出电信号，便于实现自控化的检测和控制。电磁测量法又可分为电位计式、霍尔式、应变式、电感式、磁栅式、电涡流式、电容式、磁致伸缩式等形式。

电位计式位移传感器，结构及电路简单，成本低，但是机械结构不牢固；滑线式位移传感器测量结构牢固，但是分辨率差，噪声大；应变式位移传感器，尺寸小，成本低，灵敏度分辨率高，但测量的范围非常小，不能满足大量程应用场合的需求。霍耳式位移传感器结构简单，动态响应好，灵敏度分辨率高，可用于非接触测量，但是受介质和温度影响大，非线性也较大；电感式位移传感器灵敏度高，结构可靠、牢固，温度和湿度影响小，分辨率高，可实现非接触测量，但差动电感式的频响较低，差动变压器式存在零点残余电压，电涡流式易受被测导体物理性能、几何形状及尺寸的影响，并线性范围窄。电容式位移传感器结构简单，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，可实现非接触测，但受介质和温度影响大。

而磁致伸缩式位移传感器检测精度高、线性度高、环境适应性强、稳定性好、安装方便、可实现多参数、长距离测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁致伸缩式位移传感器，该位移传感器采用时差测距法来对位移进行测量，利用两个不同的磁场相交来激发出扭转波，计算扭转波的传播时间，便能间接准确地进行位移测量。

本发明是一种磁致伸缩式位移传感器，由中央控制单元、信号激励发生电路、信号处理电路、高速计时电路、RS485接口电路、供电电源电路和波导丝组成；RS485接口电路实现与外部设备的通讯，供电电源电路为本发明传感器提供所需电源。

所述中央控制单元，用于输出激励发生信号f₀给信号激励发生电路，输出信号处理控制信号f₆给信号处理电路，输出时间读取请求信息f₇给高速计时电路；中央处理单元控制信号激励发生电路产生激励脉冲信号f₁，并接收信号处理电路的回波到达信号f₈。

所述信号激励发生电路，用于产生激励脉冲信号f₁的同时，向高速计时电路输出计时启动信号f₂。

所述信号处理电路，用于向高速计时电路输出停止计时信号f₅，并输出回波到达信号f₈通知中央处理单元。

所述高速计时电路，用于接收信号激励发生电路输出的启动计时信号f₂，并作计时处理；接收信号处理电路输出的停止计时信号f₅，并作停止计时处理；接收中央控制单元输出的时间读取请求信息f₇，并根据该信息输出时间值信息f₃给中央控制单元。

所述波导丝，用于在受到激励脉冲信号f₁时，会在磁环的位置产生磁致伸缩效应，产生扭转波信号f₄给信号处理电路。

本发明磁致伸缩式位移传感器的优点在于：(1)高速计时电路采用了高精度的差动检测方式，大大提高共模抑制比，提高了测量精度，并增强了抗干扰能力。(2)信号处理电路采用了滑动平均与防脉冲干扰的数字处理技术，提高了传感器***的抗干扰性和稳定性。(3)传感器的测量精度高，分辨率优于0.01％FS，实现了高精度的位置定位于监测，满足了工业场合，对高精度位移测量的要求。(4)采用通用、低功耗的单片机芯片来进行设计，大大减小了传感器的功耗和成本，提高了性价比。(5)数字量输出，满足数字化的要求。并带有RS-485总线，方便传输与控制。

附图说明

图1是本发明磁致伸缩式位移传感器的结构框图。

图2是本发明中央控制单元电路图。

图3是本发明RS485接口电路图。

图4是本发明高速计时电路图。

图5是本发明信号处理电路图。

图6是本发明信号激励发生电路图。

图7是本发明供电电源电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种磁致伸缩式位移传感器，由中央控制单元、信号激励发生电路、信号处理电路、高速计时电路、RS485接口电路、供电电源电路和波导丝组成；RS485接口电路实现与外部设备的通讯，供电电源电路为本发明传感器提供所需电源。本发明中各部分的信息传输如下：

一、中央处理单元

在本发明中，中央处理单元采用性价比较高的单片机(Atmega8L)来实现磁致伸缩式位移传感器中各个模块间的控制，其中，输出激励发生信号f₀给信号激励发生电路，输出信号处理控制信号f₆给信号处理电路，输出时间读取请求信息f₇给高速计时电路；中央处理单元控制信号激励发生电路产生激励脉冲信号f₁，并接收信号处理电路的回波到达信号f₈。当回波到达信号f8到达时，中央处理单元从高速计时电路中读取时间信息f₃，并通过滑动平均与防脉冲干扰的数字滤波方法计算出高精度的时间量，并将该时间量换算成位移量，经RS485接口电路输出。

单片机U8的外部中断输入端1与单片机U8的激励信号输出端26联接，单片机U8的LED控制输出端23、24、25分别联接有指示灯，单片机复位信号端29与复位电路联接，单片机U6的总线允许信号输出端11分别与485总线模块U12的发送允许端3、485总线模块U12的接收允许端2联接，单片机U8的串口数据发送端31与485总线模块U12的数据发送端4联接，单片机U8的串口数据接收端30与485总线模块U12的数据接收端1联接，单片机U8的电源输入正端4、6、18分别与+5V电源联接，单片机U8的模拟电压基准端20与+5V电源联接，单片机U8的电源输入负端3、5、21接数字地。

二、信号激励发生电路

在本发明中，信号激励发生电路用来产生激励脉冲信号，并对信号进行功率放大。产生信号的时间以及类型由中央控制单元来控制。针对波导丝材料特性和具体参数，产生激励脉冲信号f₁，所述激励脉冲信号f₁能在波导丝中产生最优的扭转波信号。产生激励信号的同时，向高速计时电路输出计时启动信号f₂。

单片机U8的激励信号输出端26与反相器U13的信号输入端1联接，并通过电阻R5与+5V电源联接；反相器U13的信号输出端2与三级管Q1的基极端B、三级管Q3的基极端B联接，并通过电阻R6与+5V电源联接；三级管Q1的集电极端C与+5V电源联接，三级管Q1的发射极端E与三级管Q3的发射极端E、场效应管Q2的栅极端1联接，三级管Q3的集电极端C接地，场效应管Q2的漏极端3接地，场效应管Q2的源极端2直接与磁致伸缩波导丝联接，向磁致伸缩波导丝发出激励信号。

三、信号处理电路

在本发明中，信号处理电路用于对扭转波信号进行接收和处理，提取位置信号。信号处理电路采用集成的仪用差分放大芯片进行高共模抑制比放大。经过放大后的信号，通过高速比较器精确提取回波信号。提取到回波信号的同时，向高速计时电路输出停止计时信号f₅，并输出回波到达信号f₈通知中央处理单元。

第一线圈P2的输出正端2与仪用放大器U3的正向输入端2联接，第一线圈P2的输出负端1与第二线圈P4的输出正端2联接并接地，第二线圈P4的输出负端1与仪用放大器U3的反向输入端3联接；仪用放大器U3的增益控制端1、8分别与电阻R3的两端联接，对放大器的增益进行控制和调节；仪用放大器U3的电源输入正端7与+5V电源联接后经滤波电容C5接地，仪用放大器U3的电源输入负端4与-5V电源联接后经滤波电容C7接地，仪用放大器U3的输出参考端5接地，仪用放大器U3的输出端与模拟开关U4的常闭端3联接，完成双路差分信号的放大；模拟开关U4的常开端1接地，模拟开关U4的电源正端与+5V电源联接，模拟开关U4的电源负端接地，模拟开关U4的控制端6与单片机U8的模拟开关控制信号输出端27联接，模拟开关U4的输出端2与高速运算放大器U5的正向输入端3联接；放大器U5的反向输入端2经电阻R2接地，并且经电阻R1与放大器U5的输出端6联接，进行对放大增益的控制；放大器U5的电源输入正端与+5V电源联接并通过电容C6接地，放大器U5的电源输入负端与-5V电源联接并通过电容C8接地，放大器U5的输出端6与高速比较器U6的正向输入端3联接；比较器U6的反向输入端经电阻R9接地，并且经电阻R8与+5V电源联接，电阻R8、电阻R9组成分压电路为比较器U6提供比较电压基准；比较器U6的电源输入正端与+5V电源联接，比较器U6的电源输入负端接地，比较器U6的输出端6与施密特触发器U7的输入端2联接；施密特触发器U7内部包括两个施密特触发器模块；施密特触发器U7的输入端1接地，施密特触发器U7的电源输入正端16与+5V电源联接，施密特触发器U7的电源输入负端8接地，施密特触发器U7的复位端3与+5V电源联接，施密特触发器U7的输出脉冲宽度控制端14、15分别与电容C9的两端联接，施密特触发器U7的输出脉冲宽度控制端15通过电阻R20与+5V电源联接，电容C9、电阻R20完成对一个施密特触发模块的输出脉冲宽度的调节；施密特触发器U7的正向输出端13与施密特触发器U7的输入端10联接，将施密特触发器U7的输出端13产生的脉冲输出到施密特触发器U7的输入端10；施密特触发器U7的输入端9接地，施密特触发器U7的复位端11与+5V电源联接，施密特触发器U7的输出脉冲宽度控制端6、7分别与电容C10的两端联接，施密特触发器U7的输出脉冲宽度控制端7经过电阻R4与+5V电源联接，电阻R4、电容C10完成对另一个施密特触发器模块的输出脉冲宽度的控制；施密特触发器U7的输出端5分别与第一锁存器U10-1的锁存允许端11、第二锁存器U10-2的锁存允许端11、单片机U8的外部中断输入端32联接；磁珠R11的一端接地，另一端作为数字电路的数字地，实现模拟地与数字地的隔离。

四、高速计时电路

在本发明中，高速计时电路用来对扭转波的传播时间进行精确的计时。该电路接收信号激励发生电路输出的启动计时信号f₂，并作计时处理；接收信号处理电路输出的停止计时信号f₅，并作停止计时处理；接收中央控制单元输出的时间读取请求信息f₇，并根据该信息输出时间值信息f₃给中央控制单元。该时间正比于磁环与传感器头部之间的距离。于是可以利用该时间间接获得磁环的精确位置。

降压芯片U15的电压输入端3与+5V电源联接，并且经电容C13、电容C14接地，电容C13、电容C14组成电源滤波电路；降压芯片U15的接地端1接地，降压芯片U15的电压输出端2与晶振U16的电源输入端1联接，并且经电容C15、电容C16接地，电容C15、电容C16组成电源滤波电路；晶振U16的接地端3接地，晶振U16的时钟输出端4分别与第一计数器U9-1的时钟输入端1、第二计数器U9-2的时钟输入端1联接，为计时电路提供时钟信号。

第一计数器U9-1的电源输入正端与+5V电源联接，第一计数器U9-1的电源输入负端6接数字地，第一计数器U9-1的8位数据线与第一锁存器U10-1的八位数据输入线相联接，第一计数器U9-1的主复位与+5V电源联接，第一计数器U9-1的同步复位端19与单片机U8的激励信号输出端26联接，第一计数器U9-1的并行输入计数允许端18接信号地，第一计数器U9-1的输入触发端17接信号地，第一计数器U9-1的进位输出端15与第二计数器U9-2的输入触发端17联接，第一计数器U9-1的计数方向输入端14与+5V电源联接，第一计数器U9-1的并行输入允许端13与+5V电源联接，第一计数器U9-1的片选端12接数字地，第一计数器U9-1的输出允许端接数字地；第二计数器U9-2的电源输入正端与+5V电源联接，第二计数器U9-2的电源输入负端6接数字地，第二计数器U9-2的8位数据线与第二锁存器U10-2的八位数据输入线相联接，第二计数器U9-2的主复位与+5V电源联接，第二计数器U9-2的同步复位端19与单片机U8的激励信号输出端26联接，第二计数器U9-2的并行输入计数允许端18接信号地，第二计数器U9-2的计数方向输入端14与+5V电源联接，第二计数器U9-2的并行输入允许端13与+5V电源联接，第二计数器U9-2的片选端12接数字地，第二计数器U9-2的输出允许端接数字地；第一锁存器U10-1的输出允许端1接数字地，第一锁存器U10-1的电源输入正端20与+5V电源联接，第一锁存器U10-1的电源输入负端接数字地，第一锁存器U10-1的8位数据输出线与第一移位寄存器U11-1的8位数据输入线联接；第二锁存器U10-2的输出允许端1接数字地，第二锁存器U10-2的电源输入正端20与+5V电源联接，第二锁存器U10-2的电源输入负端接数字地，第二锁存器U10-2的8位数据输出线与第二移位寄存器U11-2的8位数据输入线联接；第一移位寄存器U11-1的电源输入正端16与+5V电源联接，第一移位寄存器U11-1的电源输入负端接数字地，第一移位寄存器U11-1的移位控制端15与单片机U8的移位控制信号输出端13联接，第一移位寄存器U11-1的复位端9与单片机U8的移位寄存器复位信号输出端12联接，第一移位寄存器U11-1的时钟输入端6接数字地，第一移位寄存器U11-1的时钟输入端7与单片机U8的移位寄存器时钟输出端17联接，第一移位寄存器U11-1的数据输入端1与第二移位寄存器U11-2的串行出端13联接，第一移位寄存器U11-1的串行输出端13与单片机的串行数据接收端16联接；第二移位寄存器U11-2的电源输入正端16与+5V电源联接第二移位寄存器U11-2的电源输入负端接数字地，第二移位寄存器U11-2的移位控制端15与单片机U8的移位控制信号输出端13联接，第二移位寄存器U11-2的复位端9与单片机U8的移位寄存器复位信号输出端12联接，第二移位寄存器U11-2的时钟输入端6接数字地，第二移位寄存器U11-2的时钟输入端7与单片机U8的移位寄存器时钟输出端17联接，第二移位寄存器U11-2的数据输入端1与单片机的串行数据输出端15联接。

五、波导丝

在本发明中，波导丝采用磁致伸缩材料制作，可以是Ni-Fe-Co系列磁致伸缩材料或者Fe-Ga合金丝或者Terfenol-D，其化学式为Tb_0.27Dy_0.73Fe_1.95。波导丝连接在信号激励发生电路和信号处理电路之间，其在受到激励脉冲信号f₁时，会在磁环的位置产生磁致伸缩效应，产生扭转波信号f₄给信号处理电路。

六、RS485接口

在本发明中，RS485接口电路具有较高的抗干扰能力和较远的传输距离，适合于工业场合的分布式测量的要求。

485总线模块U12的电源输入正端8与+5V电源联接，并且经过电容C11接地，485总线模块U12的电源输入负端5接地，485总线模块U12的输出端6、7分别与电阻R7的两端联接，并且与外部总线联接。

七、供电电源电路

外部+24V电源的正端经二极管D1后分别与第一DC/DC电源模块U1的电压输入正端2、第二DC/DC电源模块U2的电压输入正端1联接，外部+24V电源的负端分别与第一DC/DC电源模块U1的电压输入负端1、第二DC/DC电源模块U2的电压输入负端2联接。第一DC/DC电源模块U1的电压输出正端3与二极管D2的负端、电解电容C1的正端、电容C2的一端联接，为磁致伸缩式位移传感器提供+5V电压，第一DC/DC电源模块U1的电压输出负端4和第二DC/DC电源模块U2的电压输出正端4与二极管D2的正端、二极管D3的负端、电解电容C1的负端、电解电容C3的正端、电容C2的另一端、电容C4的一端联接，作为磁致伸缩式位移传感器的模拟地(即电压基准)。第二DC/DC电源模块U2的电压输出负端3与二极管D3的正端、电解电容C3的负端、电容C4的另一端联接，为磁致伸缩式位移传感器提供-5V电压。二极管D2、二极管D3组成反极性输出保护，电解电容C1、电解电容C3、电容C2、电容C4组成电源滤波电路。

Claims (1)

1、一种磁致伸缩式位移传感器，包括中央控制单元、信号处理电路、RS485接口电路和供电电源电路，其特征在于：还包括信号激励发生电路、高速计时电路和波导丝；

所述中央控制单元，用于输出激励发生信号f₀给信号激励发生电路，输出信号处理控制信号f₆给信号处理电路，输出时间读取请求信息f₇给高速计时电路；中央控制单元控制信号激励发生电路产生激励脉冲信号f₁，并接收信号处理电路的回波到达信号f₈；

所述信号激励发生电路，用于产生激励脉冲信号f₁的同时，向高速计时电路输出启动计时信号f₂；

所述信号处理电路，用于向高速计时电路输出停止计时信号f₅，并输出回波到达信号f₈通知中央控制单元；

所述高速计时电路，用于接收信号激励发生电路输出的启动计时信号f₂，并作计时处理；接收信号处理电路输出的停止计时信号f₅，并作停止计时处理；接收中央控制单元输出的时间读取请求信息f₇，并根据该信息输出时间值信息f₃给中央控制单元；

所述波导丝，用于在受到激励脉冲信号f₁时，会在磁环的位置产生磁致伸缩效应，产生扭转波信号f₄给信号处理电路。

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