基于ＳＴＭ３２和ＴＤＣ－ＧＰ２１的多功能磁致伸縮位移測量儀的設計＊

葉秉誠　張鵬宇　趙偉欽　曹一涵　卜雄洙

 

 

 

 

       隨著各行業對機械產品的加工精度要求或對位移測量的各方面要求都越來越高，研究一種測量精度高、量程大、維護簡便、可靠性高、適用性強以及能適應惡劣工作環境的位移傳感器一直是本領域的研究熱點。磁致伸縮位移傳感器利用磁致伸縮材料的磁致伸縮效應及逆效應原理將位移量轉化為時間量來進行非接觸式測量。故在目前常用的位移傳感器中，磁致伸縮液位傳感器以其精度高、量程大、安全性可靠性高、免維護等一系列優點，被廣泛應用于冶金、環保、化工等行業，尤其是易燃易爆、易揮發、有腐蝕的環境中，在位移包括液位測量領域發揮著越來越重要的作用。

但目前常見進口和國產的磁致伸縮位移傳感器的測量精度易受環境溫度、張絲拉力等的影響，在使用過程中大多通過在軟件中增加復雜算法的方式對其進行補償。且常見的磁致伸縮位移傳感器功能單一，信號輸出方式單一，若有特殊要求需聯系廠家對硬件及軟件修改后一對一定制，適用性及兼容性較差。

       本研究采用多磁環的硬件結構配合簡單的測量電路即可實現傳感器的自校準功能，消除溫度對測量結果的影響，并具有豐富的功能。使用ＳＴＭ３２作為測量儀的主控芯片，可為其提供多種輸出方式，如模擬電壓、ＰＷＭ 信號、ＵＳＡＲＴ、ＳＰＩ、ＣＡＮ 通信等。電路簡單，功能較多，最主要的是其多種輸出方式及通信方式使其在工業應用中具有強大的適用性或兼容性。

１　磁致伸縮位移測量原理

       本研究的磁致伸縮位移傳感器工作時，激勵模塊產生足夠強度的脈沖電流信號Ｉ加載到波導絲上，電流Ｉ沿著波導絲傳播時產生環繞波導絲的環向磁場，當該磁場傳播到活動永磁鐵處時，將與活動永磁鐵產生的軸向磁場疊加，形成一個螺旋形的合成磁場。根據威德曼效應，鐵磁性材料同時受到軸向和周向磁場的影響，在這兩種磁場共同作用下，使鐵磁性材料的磁疇排列發生改變，由此產生的磁致伸縮就形成了波導絲宏觀上的扭轉，從而在磁場疊加處產生彈性波，并以超聲波形式向波導絲兩端傳播。為減少彈性波從末端反射對檢測信號帶來干擾，在末端使用吸震效果較好的丁基橡膠作為阻尼器吸收彈性波。

       除檢測磁環外，末端阻尼器前增加了一個校準磁環，在測量儀需要校準時，將其移至校準位置固定用于校準。當測量儀處于正常測量模式時，校準磁環可作為測量磁環在滑桿上移動。

１．１　位移、速度測量原理

       常規的位移檢測是通過檢測彈性波從活動永磁鐵到檢測線圈處的傳播時間Δｔ 來實現的。

１．２　自校準設計原理

        在實際測量中，彈性波在波導絲上的傳播速度Ｖ 易受環境溫度、張絲拉力等使用環境因素影響，進而影響磁致伸縮位移測量儀的測量精度，且若采用溫度測量等通過軟件補償彈性波在波導絲上的傳播速度Ｖ 的方法，由于無法準確得知波導絲的實際表面溫度等，實現起來較為困難。

因此，本研究采用多磁環自校準的方式對測量結果補償。當需要對測量儀進行自校準時，即測量儀處于自校準模式時，需將校準磁環移至校準位置固定。校準磁環也會產生一個返回脈沖。

       改進的測量方法在計算過程中無需得知彈性波的傳播速度，進而完全消除了測量過程中溫度等使用環境因素對于測量結果的影響。

１．３　時刻鑒別原理

        在硬件電路設計中，需對放大濾波后的模擬信號進行時刻鑒別。常用的時刻鑒別的實現方法包括前沿時刻鑒別、恒定比值時刻鑒別和過零時刻鑒別等方法。因在不同距離下接收信號幅值大小不一，故前沿時刻鑒別法由于將模擬信號與一固定的閾值進行比較，存在較大的漂移誤差，不適用于精確測量。恒定比值時刻鑒別原理對輸入信號的處理過程是：將衰減的信號和延遲信號相疊加產生的過零點為定時點；與此同時將信號為與固定閾值進行比較，構成一個前沿時刻鑒別器；最后，當輸入信號幅度大于前沿時刻鑒別的定時點時，過零點定時便可以輸出為終止時刻點。為了屏蔽噪聲并抑制波形畸變對測量結果的影響，通常加入偏置電壓以保證比較器的正確觸發。但也因此，跳變點受到幅值、衰減因數和偏置電壓的影響會產生漂移誤差。仍需采用偏置開關補償技術等對其做進一步補償，電路復雜且效果一般。

       故本研究采用過零時刻鑒別又稱高通容阻時刻鑒別法。將接收信號通過一高通容阻濾波器，使待測信號的極值點轉變為零點，雙極性輸出信號的過零點即為時刻鑒別的起止時刻點，然后通過過零比較電路來判別出返回脈沖信號的起止時刻點，這種方法對輸入信號的幅度變化不敏感，只要求接收通道工作在嚴格的線性方式，信號不失真。

        過零時刻鑒別法不僅可以解決脈沖幅值變化帶來的時間游動誤差，還可有效地克服波形畸變和噪聲帶來的誤差。由于接收回波信號中存在信號波動，若直接將放大后的回波信號通過過零時刻鑒別電路，會引入多個誤鑒別脈沖。故后文電路對其做了適當改進，防止引入誤鑒別脈沖。

２　系統整體設計

        本研究的磁致伸縮測量儀的設計包括傳感器結構、硬件電路設計及軟件系統設計。硬件電路包括激勵信號驅動研制、回波信號處理及ＳＴＭ３２控制測量電路，軟件系統設計包括多功能切換、時間測量、位移計算、多接口設計等。由ＳＴＭ３２實現位移測量儀的控制，包括功能切換、激勵信號的產生、時間、位移的計算、多信號輸出方式和多接口設計等。

        由ＳＴＭ３２控制激勵模塊產生脈沖電流加載到波導絲兩端，用以產生威德曼效應所需的環周向磁場，與永久磁鐵產生的縱向磁場疊加產生磁彈性波并使其向兩端傳播。接受信號調理電路將檢測線圈檢測到的微弱彈性波信號放大、濾波，由于本研究為實現自校準、多點測量而采用多磁環的結構設計，且為提高測量精度，通過改進的時刻鑒別電路得到多磁環對應的時間停止信號，送入 ＴＤＣ－ＧＰ２１進行時間的測量，可以有效消除回波幅度變化所引起的測量誤差。

３　硬件電路設計

       硬件電路設計主要包括激勵信號驅動電路、回波信號調理電路及ＳＴＭ３２控制測量電路三大部分。

３．１　激勵信號驅動電路

       激勵信號驅動電路包括頻率可調、脈寬可調的窄脈沖發生電路及窄脈沖驅動電路。

３．１．１　窄脈沖發生電路

       驅動波導絲的脈沖信號頻率及脈沖寬度對接收信號的信噪比及信號強度影響較大。故需設計一頻率可調、脈寬可調的窄脈沖發生電路。窄脈沖信號發生電路包括由 ＮＥ５５５構成的多諧振蕩器及由７４ＨＣ１２３構成的單穩態觸發電路。通過調節多諧振蕩器與單穩態觸發電路的電阻值可分別實現窄脈沖信號頻率和脈寬的調節。在接收電路調試完成后，需針對接收信號調整驅動信號頻率及脈寬，提高回撥信號幅值并改善回波信號的信噪比。

３．１．２　窄脈沖驅動電路

        驅動波導絲需要為其提供大電流脈沖信號，７４ＨＣ１２３的電流輸出無法滿足驅動波導絲的要求。

       窄脈沖驅動電路由２個三極管和１個 ＭＯＳ管構成。第１級為共射極放大電路，用于將５Ｖ 的窄脈沖信號放大至１５Ｖ；第２級為射極跟隨器，用于在第１級和第３級間進行阻抗匹配，提高帶負載能力以驅動 ＭＯＳ管。

       當 ＭＯＳ 管 導 通 時，Ｐ１ 兩端壓降略小于電源電壓１５Ｖ，波導絲電阻約為５Ω，計算可知波導絲的脈沖驅動電流可達２～３Ａ。

３．２　接收信號調理電路

       脈沖驅動電流作用于磁致伸縮材料波導絲兩端后，在波導絲前端纏繞感應線圈。值得注意的是，感應線圈匝數對回波信號的幅值有較大影響，線圈匝數越多，信號幅值越大；但當匝數增加過多時，雜波信號幅值也會增大，信號信噪比會反而下降。

       由于感應線圈產生的感應電動勢為 ｍＶ 級，回波信號十分微弱。因此，回波信號調理電路主要包括信號放大濾波及時刻鑒別電路，將微弱的感應信號放大、濾波，并處理得到穩定的時間停止信號。

３．２．１　回波信號放大濾波電路

       本文設計的回波信號放大濾波電路共４級。均為有源反向放大濾波電路，每一級將信號放大１０倍，與此同時，電容Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１０與Ｃ１１對信號起到了低通濾波的作用。檢測線圈的感應電動勢為 ｍＶ 級，至少需放大１　０００倍。與此同時，為防止過零時刻鑒別法在時刻鑒別時產生誤鑒別脈沖，與前兩級有源放大濾波電路有所不同的是，第三級為反向放大減法電路，第四級為同相放大電路。

      第三級反向放大減法電路，在將回波信號放大的同時，通過減法將信號基線從０Ｖ減至負供電電源。在此基礎上，繼續增加減法電壓值，由于信號飽和，可將原０Ｖ 以上的非有用小波信號完全消除。第三級與第四級間采用電容耦合的方式連接，將信號基線重新調整回０Ｖ。第四級同相放大電路對完全消除雜波的回波信號進一步放大，便于后續進行時刻鑒別。

３．２．２　時刻鑒別電路

       本文采用過零時刻鑒別法對回波信號進行時刻鑒別，將脈沖信號的峰值點作為時間測量的停止時刻。解決脈沖幅值變化帶來的時間游動誤差，還可有效地克服波形畸變和噪聲帶來的誤差。過零時刻鑒別電路如圖１０所示，由Ｃ２５及Ｒ２１構成了高通容阻濾波器即微分電路，將信號峰值點轉換成下降沿零點。再通過由一個高速比較器構成的過零比較器實現零點檢測。在實際調試過程中，過零比較電路的信號輸出穩定性較差。因此適當提高比較器的比較電平，可提高系統穩定性。鑒于過零時刻鑒別原理的限制，比較電平應當盡可能接近０Ｖ。

３．３　ＳＴＭ３２控制測量電路

       本研究的ＳＴＭ３２控制測量電路除最簡單的ＳＴＭ３２最小系統外，使用專用的時間測量芯片 ＴＤＣ－ＧＰ２１測量脈沖間時間間隔，使用的測量范圍２精度高達２２ｐｓ。另外，ＴＤＣ－ＧＰ２１在測量范圍２下一次最多可接受３個停止脈沖信號。基于此，可實現單次多磁環的高精度測量，磁環數最多３個。

４　軟件設計

       本研究設計的磁致伸縮位移測量儀采用ＳＴＭ３２作為主控芯 片。最 基 本 的，ＳＴＭ３２ 與時間測量芯片 ＴＤＣ－ＧＰ２１間通過ＳＰＩ通信實現脈沖時間間隔的精確測量。此外，ＳＴＭ３２提供多種通信方式與上位機等通信，通過向其發送指令可實現測量儀的功 能切換、信號 輸出方 式 切換等。正常測量模式下的ＳＴＭ３２軟件流程。上位機程序在ＬａｂＶＩＥＷ 平臺進行開發，大部分通信方式可通過轉串口模塊與上位機連接，也可通過軟件模擬的方式輕松實現。上位機程序前面板如下圖所示，可實現友好的人機交互。

５　實驗系統搭建與測試

５．１　實驗系統搭建與硬件調試結果

       針對上述本研究設計的磁致伸縮位移測量儀，搭建實驗系統，除測量磁環外，末端固定有校準磁環。線圈感應信號放大濾波后模擬波形及過零時刻鑒別信號由ＴＤＣ－ＧＰ２１可實現對圖１５中多個脈沖間的時間差測量，通過實驗標定后，ＳＴＭ３２可將時間差比值計算為位移等。

５．２　實驗系統標定及誤差分析

       對搭建的磁致伸縮位移測量儀實驗樣機進行實驗標定，測量儀有效量程為９０ｃｍ，３組正反行程標定實驗的Δｔ１ 平均值與位移數據。校準磁環只在校準模Δｔ２式下固定于指定位置即可，正常測量模式下可拆下亦可用于多點位移測量，故出現 Δｔ１ ＞ Δｔ２ 的情況。

６　結　論

       本研究針對目前磁致伸縮位移測量儀的測量精度易受環境溫度、張絲拉力等因素影響，并具有單次測量位置單一、信號輸出方式單一、功能單一、接口單一等問題，設計了基于ＳＴＭ３２和 ＴＤＣ－ＧＰ２１的多功能磁致伸縮位移測量儀，測量電路簡單，受使用環境影響較小，線性精度較高。相比較目前的磁致伸縮位移測量儀，無需修改硬件電路即可實現多種通信方式，測量結果的多種輸出方式使其在工業測量系統中兼容性較好，適用性較強。

 

 

 

 

 

 

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