基于PIC的磁致伸縮位置傳感器研究

趙靖宇，梅   杰， 謝代梁， 曹松曉， 徐志鵬， 徐   雅， 劉鐵軍

 

 

 

 

 

       磁致伸縮位置傳感器（magnetostrictive position sensor）的飛速發展對其核心結構的性能以及小體積化具有更嚴格的要求[1-2]。國內外科研人員不斷研究提高傳感器精度的因素，包括波導絲材料、檢測線圈匝數以及材料，降低扭轉波的干擾以及傳感器的整體結構。近幾年，國外在該類傳感器方面的研究取得了重大進步，NARAYANAN  M  M等[3]在2020年研發出了頻率高達 250~350 kHz的磁致伸縮傳感器，我國的研究成果對比國外有巨大差距。鐵氧體材料具備高飽和磁感應強度，并且具有高頻特性，使用該材料制作波導絲能實現傳感器短距離測量這一功能，同時選用低功耗 PIC單片機為傳感器系統的核心，設計出量程為 80 mm，結構小巧便

攜的磁致伸縮位置傳感器。

1    磁致伸縮位置傳感器原理

       磁致伸縮位置傳感器是利用材料的磁致伸縮效應進行測量的傳感器。磁性材料遇到外加磁場時會產生磁化，并且材料的長度或體積會發生微小的變化這一現象就是磁致伸縮效應[4-5]。鐵氧體材料制作的波導絲具有非常明顯的磁致伸縮效應。測量的過程為對波導絲發射脈寬極窄的脈沖波及激勵脈沖，該脈沖在波導絲內以光速傳播并產生環形磁場[6-7]。當激勵脈沖傳播到磁環所在位置時，環形磁場和磁環產生的軸向磁場交錯形成螺旋磁場。波導絲因為螺旋磁場的產生會發生變形從而形成扭轉波，扭轉波再以一定的速度從磁環所在位置向波導絲兩端傳播。當纏繞在波導絲上的感應線圈接收到扭轉波后會產生感應電動勢及回波脈沖[8]。根據激勵脈沖發出時間和回波脈沖接收時間之差，再乘上扭轉波在波導絲中的傳播速度，就可以計算出磁環的位置。

       本文采用脈寬調制的方法來檢測磁環的位置，及PIC 單片機會產生脈寬與磁環位置成正比的PWM波[10]。激勵脈沖輸出到波導絲的同時也進行整型輸入 TTL芯片產生高電平脈沖，生成的回波脈沖經過同樣的整型輸入 TTL芯片后使脈沖變成低電平，從而得到與磁環位置成正比的脈寬，需要保證扭轉波的傳播時間小于激勵脈沖的周期才能成功形成PWM波，之后該信號經過積分電路變成模擬信號輸入 PIC芯片進行處理，這種檢測方法精確有效，適用于各種工業測量。

2    磁致伸縮位置傳感器的機械結構

       傳感器結構上主要包括檢測尾部、永磁體以及波導絲[11]。傳感器的尾部是由信號發生器和檢測線圈組成的封閉區域，防止受到干擾。信號發生器負責激勵脈沖的產生和發出，脈沖傳播到波導絲和永磁體交界處生成扭轉波，檢測線圈接收到扭轉波后將其轉化成回波脈沖交由信號處理模塊進行處理，最后輸出相應電壓來反映永磁體的實時位置。阻尼用于吸收在波導絲中傳播的扭轉波，避免產生干擾[12]。波導絲外層由鋁套管保護，長度為 100 mm，直徑為8 mm，磁環的寬度為 20 mm，因此傳感器量程為80 mm。

3    磁致伸縮材料選擇

       波導絲材料的選擇影響著傳感器的精度，磁致伸縮材料的優劣主要根據飽和磁致伸縮系數以及居里溫度來判斷。根據制備材料的元素可以將磁致伸縮材料分為 3類：1）最常見的鐵基合金材料，磁致伸縮系數較低，一般為 20×10–6~80×10–6；2）稀土金屬合金材料也稱超磁致伸縮材料具有較高的磁致伸縮系數（1 600×10–6），但是制作工藝復雜、價格昂貴且所需磁化磁場高，與本設計理念不符；3）鐵氧體材料不僅具有較高的磁致伸縮系數，一般 1 000× 10–6~2 000×10–6，而且價格低廉、電阻率高[13]。由于鐵氧體材料性能很脆，不適合制作較長的波導絲，從而沒有得到廣泛應用。本設計測量長度僅為80 mm，可選用 NiZn鐵氧體材料制作成波導絲，并使用鋁套管對其進行保護。該類波導絲能夠接收并發出高頻信號，產生與其他材料制作的波導絲相比更高的感應電動勢，從而大大提高了傳感器的精度。

4    磁致伸縮位置傳感器電路設計

       傳感器的硬件電路設計結構圖主要包括以 PIC16f18313為核心的激勵脈沖發生電路和過零檢測電路以及時間檢測電路。

       PIC16f18313單片機具有豐富的外設，超低功耗等優點，可以通過應用各種不同外設進行設計并且簡潔實用。該單片機的工作電壓為3.3 V，主要功能為產生激勵脈沖以及接收并處理 PWM波的電壓信號。

4.1    激勵脈沖發生電路

       因為激勵脈沖對扭轉波的產生至關重要，脈寬以及周期的不同都影響著輸出電壓的大小和穩定性，所以需要通過實驗決定合適的激勵脈沖[14]。本設計采用方波窄脈沖作為激勵脈沖，幅值為 5 V時接收到的回波脈沖幅值是最大的，根據 PIC 單片機的特性選用 12 ns的脈寬。由于扭轉波從產生到傳播到感應線圈需要一段時間，在下一個激勵脈沖產生之前扭轉波需要被接收，因此激勵脈沖的周期需要大于扭轉波最大被接收時間。通過實驗決定激勵脈沖的周期為1 600 ns。

       PIC16f18313單片機具有兩個PWM模塊，可用于產生指定周期和占空比的激勵脈沖。由于該單片機只有 8個引腳，因此部分模塊需通過分配給指定引腳來實現功能。芯片的工作電壓為 3.3 V，本設計設定的脈沖幅值為 5 V，因此需要對脈沖信號進行放大處理。本文使用的 74HC02芯片就可實現這一功能，該芯片是一種施密特反轉芯片，可對兩路信號進行整型放大，它具有較小的延遲，也能去除單片機產生脈沖信號的毛刺。該芯片的工作電壓為

5 V，脈沖信號可通過反轉變形從而使幅值變成5 V。
4.2    過零檢測電路

       為了得到精確的時間間隔，同時回波脈沖具有一個明顯的零點作為參照物，從而選用過零檢測電路來判斷出扭轉波在波導絲中的傳播時間。回波脈沖在電路中具有傳播時間，所以本設計中用激勵脈沖經過同樣的整型濾波電路的方法來消除這一時間誤差。過零檢測電路的原理圖如圖 4所示。激勵脈沖的脈寬很窄，需要經過整型才能得到符合檢測電路的理想波形。電路中裝配的 BFS17P芯片為 NPN型三極管，主要是起到開關的作用。當三極管的基極和發射極之間的電壓小于 0.7 V時，可以視為開關斷開，相反兩極之間的電壓大于 0.7 V時視為開關閉合。為了使激勵脈沖的電壓能短時間內高于0.7 V，需要經過微分電路來進行波形變化，使能三極管，從而得到一個寬脈寬的脈沖波，便于之后電路的波形變化。

       回波脈沖的過零檢測電路設計和激勵脈沖的電路相同，首先微弱的電壓信號通過微分電路整形，再經過上拉電阻使信號的電壓在較窄寬度內高于0.7 V，最后在三極管的作用下得到和激勵脈沖整形后輸出信號相同的波形，為后續波形比較做準備。
4.3    時間檢測電路

        由于本傳感器所測量的長度只有 80 mm，扭轉波在波導絲中的傳播速度可達 3 300 m/s。想要精確測得時間比較困難，通過過零檢測電路延長回波脈沖的傳播時間可以減小測量誤差，另一路過零檢測電路作為補償電路又抵消了這一段增加的時間，從而會產生兩個脈沖波。本設計使用74HC02芯片對這兩個檢測脈沖進行比較，將扭轉波傳播時間轉化為 PWM波的脈寬。

        74HC02芯片具有四路與非門，本設計使用其中兩路將激勵脈沖在電路中的傳播時間轉變成PWM1波的脈寬，其他兩路將回波脈沖的傳播時間轉變成 PWM2波的脈寬。當最初的激勵脈沖輸入時芯片輸出高電平，過零檢測脈沖或者激勵檢測脈沖輸入時芯片輸出低電平，從而得到脈寬隨時間變化的 PWM波。這兩路波形再通過積分電路轉化成模擬電壓輸入 PIC16f18313單片機，單片機使用模/數轉換模塊以及捕獲模塊輸出抵消電路傳播時間并且脈寬與扭轉波傳播時間成正比的PWM波。

5    磁致伸縮位置傳感器軟件設計

        磁 致 伸 縮 位 置 傳 感 器 的 軟 件 設 計 是 以PIC16f18313單 片 機 為 系 統 核 心 ， 并 且 程 序 在Mplab X IDE 開發環境下進行編寫。根據傳感器需要實現的功能進行程序的模塊化編寫，避免各功能之間的干擾。主要可分為初始化模塊、激勵脈沖發生模塊、PWM波形捕獲模塊以及波形比較輸出模塊。首先，對單片機的各個模塊進行初始化以及設置振蕩器，PIC16f18313單片機具有內部振蕩器也可外設振蕩器，本設計為了滿足小巧便攜的特性于是選用內部振蕩器，內部振蕩器包含高頻和低頻兩類，由于需產生相對較窄脈寬的脈沖，因此設置32 MHz的內部時鐘源。PIC16f18313通過 PWM模塊和定時器模塊來產生激勵脈沖，設置 PR2寄存器決定脈沖周期，TMR2寄存器的值決定脈沖脈寬，最終輸出周期為 1.6 µs和脈寬為 12 ns，從而可以計算出占空比。單片機輸出該脈沖需配置 PPS寄存器將信號輸送到指定引腳。當兩路脈沖經過變形傳輸回 PIC16f18313時，芯片自帶的模數轉換器模塊選取外部輸入通道和內部輸入通道將模擬電壓轉變成數字信號。最后運用 CCP模塊的比較模塊將在模數轉換器中得到的數字信號作為比較參考值，當定時器的值與參考值相等時輸出對應波形，該輸出波形為消除電路傳播時間的 PWM脈沖，此脈沖和扭轉波在波導絲的傳播時間成正比。

6    實驗數據分析

       本設計通過計算該傳感器的相對誤差、線性度以及遲滯性來判斷其測量精度。將傳感器的量程范圍 80 mm 平均分成 16段，每段間隔 5 mm。以準度為 1 mm的直尺作為標準，正反向移動磁環通過萬用表讀出電壓值并記錄數據，即為表 1所得實驗數據。由表可知，最大絕對誤差為 0.4 mm，最大相對誤差為 8.0%，此相對誤差出現在標準值為 5 mm時，但其他位置相對誤差均較小，造成此現象的原因為磁環靠近零點位置時輸出電壓變化緩慢。

6.1    線性度

       線性度表示傳感器實際輸出曲線和理論輸出曲線之間的偏離程度。線性度=最大誤差/滿量程電壓，選擇實驗的正向和反向測量進行最小二乘法擬合。通過和實際輸出電壓比較得到最大誤差為0.024 3 V，從而可以計算出線性度為 1.2%。

6.2    遲滯

        根據傳感器一次正反測量的數據，相同位置輸出電壓不一致程度被稱為遲滯。遲滯反映了傳感器材料本身響應及傳感器機械結構和制造工藝上的缺陷程度，遲滯越小，說明傳感器機械結構缺陷越小。

7    結束語

        本設計選用 PIC16f18313單片機作為傳感器系統的核心，并且采用脆性高的鐵氧體材料制作長度為 80 mm的波導絲，通過實驗確定激勵脈沖的各種參數從而獲得幅值最大的扭轉波。運用 PIC單片機自帶的 PWM模塊、CCP模塊、模數轉換器以及定時器模塊實現相應功能最后輸出與扭轉波傳播時間成正比的 PWM波。通過 Matlab將實驗數據擬合并計算出傳感器的最大相對誤差為 8.0%，線性度為 1.2%，遲滯性為 0.167%，均符合基本設計要求。

        該傳感器成本低，體積小而且結構簡單，適用于測量狹小環境中的位置變化或者工業中微小位置的測量，該設計為此類型的傳感器智能化提供一定的技術基礎。

 

 

 

 

 

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