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磁致伸縮位移傳感器利用材料的磁致伸縮效應對位移進行非接觸式絕對測量 ,它具有測量精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點 ,而且永遠不需要定期重標或擔心斷電后歸零的問題。近年來 ,國外磁致伸縮位移傳感器性能有很大的提高 ,德國Balluff的SSI微脈沖傳感器最大非線性為±30μm、美國MTS的R 系列位移傳感器的非線性度小于滿量程的 ±0.01%。國內某些科研單位和企業(yè)對該類傳感器的研制也正在進行積極的探索 ,并取得了一定的進展。但目前國內外磁致伸縮位移傳感器的電路系統(tǒng)比較復雜 ,工藝要求高 ,實現難度較大。為了在保證傳感器性能的前提下顯著降低電路成本 ,本文提出以TI 的超低功耗微處理器MSP430為核心的磁致伸縮位移傳感器電路方案 ,簡潔高效 ,而且傳感器的信號更易控制和處理。

首先傳感器電路對磁致伸縮波導絲施加一瞬時電流激勵脈沖 ,當電流沿波導絲傳播時 ,伴隨產生一個圍繞波導絲的環(huán)形磁場 ,同時傳感器的永久磁鐵組件會產生一個平行于波導絲的磁場 ,根據磁致伸縮效應 ,在兩磁場相遇處會產生機械扭轉波 ,并以固定速度分別向波導絲兩端傳播 。在波導絲的遠端通過阻尼器衰減扭轉波 ,以保證其不會在波導絲上反射；近端利用感應線圈拾取扭轉波信號 ,傳感器電路對其進行處理產生感應脈沖。由于電流在波導絲上近似光速傳播 ,而扭轉波傳播速度一定 ,所以通過測量施加瞬時電流激勵脈沖和接收到感應脈沖之間的時間間隔 ,便可精確地計算出永久磁鐵的位置 ,實現絕對位移的測量。

1、傳感器電路系統(tǒng)設計

提出的磁致伸縮位移傳感器的電路結構MSP430的定時器模塊產生占空比和周期可調的控制脈沖S1 ,經過功率放大后驅動波導絲 ;感應線圈接收到磁致伸縮效應產生的微弱回波信號S2,經過處理后得到感應脈沖S3；時間測量電路中先將控制脈沖S1和感應脈沖S3整合成與扭轉波在波導絲中傳播時間成正比的PWM信號 ,再通過計數法測量出 PWM信號的寬度 ,即可得到相應位移值。所設計的傳感器輸出信號為0～10V模擬電壓。

1.1 脈沖功率放大電路

根據磁致伸縮效應 ,對施加于波導絲的瞬時電流激勵脈沖有嚴格要求。首先，為了形成較強的環(huán)形磁場 ,電流脈沖應具有足夠的強度 ,考慮到波導絲的低阻值負載特性 ,應對控制脈沖進行功率放大 ,提高其驅動能力；其次 ,為了獲得質量較好的感應信號 ,電流脈沖的寬度應維持在微米級；另外 ,電流脈沖的上升時間和下降時間應盡可能短;還應結合傳感器的量程和扭轉機械波的傳播速度 ,選擇合適的電流脈沖周期 ,使其大于扭轉機械波在波導絲中的最長傳播時間 ,考慮到傳感器的刷新率 ,電流脈沖的周期也不宜太長。

利用MSP430定時器的捕獲比較模塊產生一周期為1ms、脈沖寬度為 5μs的控制脈沖，其上升時間和下降時間均為200ns左右，滿足基本要求。由于微控制器輸出信號驅動能力較弱，必須對其進行功率放大?？紤]到激勵脈沖的幅值要求，本文分別選用增強型MOS管FQ PF4N20和推挽式驅動芯片L293進行試驗 ,對控制脈沖進行功率放大 ,均取得了理想效果：得到一幅值為12V的脈沖電壓信號，將其加載到500mm長的波導絲(阻值為5Ω左右)兩端，波導絲中傳播的瞬時脈沖電流強度超過2A ,滿足了上述激勵脈沖的要求。

1.2 信號放大與整形電路

感應線圈檢測到的扭轉波信號是mV級的微弱信號 ,而且還有雜波干擾 ,必須進行濾波、放大等處理。為了后續(xù)電路能夠進一步對其處理 ,還應將放大后的信號通過電平比較后得到感應脈沖。傳感器感應信號S2每周期有兩個信號波形 ,前一個信號是感應到的激勵脈沖 ,另一個信號是感應到的磁致伸縮扭轉波信號。

考慮到需要對微弱信號進行高倍的放大且噪聲為共模信號 ,選用低噪聲的差動放大器對信號進行處理 ,它不僅能提供足夠的放大倍數、高共模抑制比 ,而且可以有效抑制零點漂移。再通過二階帶阻有源濾波器對信號進行濾波 ,得到S2所示幅值較大的感應信號。將該信號通過電平比較器得到S3所示的感應脈沖信號 ,這樣不僅消除了模擬信號上小幅值雜波的影響 ,而且方便后續(xù)數字電路對信號進一步處理。

1.3 高精度時間測量電路

由于傳感器通過檢測控制脈沖的產生和接收到感應脈沖的時間間隔來確定位移 ,所以高精度的時間測量是傳感器高準確度的重要保證 。通過觀察磁致伸縮位移傳感器高精度時間測量電路的結構圖與信號時序圖可以發(fā)現 ,線圈感應到的控制脈沖S3相對于控制脈沖S1已經有了一定延時。為了消除其對時間測量的影響，將S1先通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使邏輯低電平適當的延時，得到S4所示延時脈沖。再S4和感應脈沖S3通過RS觸發(fā)器，得到一PWM信號S5,其寬度即為控制脈沖S1和感應脈沖S3的時間間隔，且隨傳感器磁鐵組件位置變化而變化。將PWM信號S5作為閘門信號控制對高頻脈沖進行計數，即可精確測量出時間間隔 。

由于MSP430工作頻率僅有12MHz，無法滿足高精度時間測量的需要，設計了兩級計數器時間測量電路。先用十六進制高速計數器74F161 (低位計數器) 對高頻脈沖計數，再利用單片機內部計數器TB1(高位計數器) 對低位計數器的進位信號計數，即可實現對最高達130M Hz(受74F161最高計數頻率限制) 的基準脈沖進行計數。

假設基準脈沖頻率為f，低位計數器和高位計數器對某PWM信號的計數值分別為N1和N2，若扭轉機械波的傳播速度為V，則該時間間隔對應的絕對位移為S=V(N1+16×N2)×1/f設計中高頻基準脈沖頻率為100MHz，傳感器理論分辨率為Δ=V/f=28μm 。

1.4模擬信號輸出電路

為方便地用于工業(yè)場合 ,傳感器應具有標準的信號接口。選擇0～10V模擬電壓作為輸出信號。為此 ,可將MSP430中表示時間間隔的計數值轉換成模擬信號。考慮到傳感器的分辨率 ,選用16位DAC配合精密放大器 ,將數字信號轉換成0～10V的模擬電壓信號。

2、電路測試與分析

為驗證傳感器的性能，對所設計的電路進行測試。傳感器使用的波導絲長度500mm (由于實驗裝置限制及傳感器固有死區(qū)，傳感器的量程標定為330mm) 。

2.1 電路信號測試

MSP430微處理器產生的控制脈沖脈寬5μs ,周期為1ms ,經過功率放大后可以滿足激勵脈沖的要求，使磁致伸縮效應得以產生。傳感器感應信號波形 ,它是對感應信號進行放大和濾波所得，感應到的激勵信號和扭轉波信號 ,具有較大幅值和質量較好的波形。第三個信號是扭轉波信號經過傳感器末端反射而形成的，說明傳感器組件的阻尼器效果不理想 ,沒有將扭轉波信號完全吸收，但由于其幅值較小 ,不影響信號的后續(xù)處理。用于高精度時間測量的PWM信號，該脈沖的寬度隨傳感器永久磁鐵組件位置的變化而改變。

2.2 傳感器精度測試

采用球柵尺對傳感器進行標定，球柵分辨率為0.005mm。在傳感器量程范圍內，移動磁鐵組件，每隔5cm記錄一組數據。在量程范圍內傳感器的輸出模擬電壓信號的誤差曲線，可見，輸出最大非線性誤差約為0.0045V，相對誤差為±0.045%。在同一工作條件下 ,將傳感器磁鐵組件按同一方向在全量程范圍內連續(xù)移動多次，記錄磁鐵位置及相應輸出電壓值。傳感器的重復性良好，此外，還對傳感器的非線性、遲滯、電磁干擾等進行了測試，基本滿足設計要求。

3、結 論

提出的以MSP430微控制器為核心的磁致伸縮位移傳感器電路方案，主要模塊包括脈沖功率放大電路、信號放大與整形電路、高精度時間測量電路、模擬信號輸出電路等，結構簡明，設計成本較低。經實際電路調試 ,作用于磁致伸縮波導絲的激勵脈沖效果理想，線圈感應到的回波信號經過差動放大和濾波處理后信噪比較高，波形良好，時間測量電路的精度較高，輸出信號表明傳感器整體性能良好 ,基本能夠滿足設計要求。使得基于磁致伸縮原理的位移傳感器的產品化成為可能。