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磁致伸縮位移傳感器利用材料的磁致伸縮效應(yīng)對(duì)位移進(jìn)行非接觸式絕對(duì)測(cè)量，它具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而且永遠(yuǎn)不需要定期重標(biāo)或擔(dān)心斷電后歸零的問題。近年來，國(guó)外磁致伸縮位移傳感器性能有很大的提高，德國(guó)Balluff的SSI微脈沖傳感器最大非線性為±30μm、美國(guó)MTS的R系列位移傳感器的非線性度小于滿量程的±0.01%。國(guó)內(nèi)某些科研單位和企業(yè)對(duì)該類傳感器的研制也正在進(jìn)行積極的探索，并取得了一定的進(jìn)展。但目前國(guó)內(nèi)外磁致伸縮位移傳感器的電路系統(tǒng)比較復(fù)雜，工藝要求高，實(shí)現(xiàn)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(jiǎn)潔高效，而且傳感器的信號(hào)更易控制和處理。

首先傳感器電路對(duì)磁致伸縮波導(dǎo)絲施加一瞬時(shí)電流激勵(lì)脈沖，當(dāng)電流沿波導(dǎo)絲傳播時(shí)，伴隨產(chǎn)生一個(gè)圍繞波導(dǎo)絲的環(huán)形磁場(chǎng)，同時(shí)傳感器的永久磁鐵組件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平行于波導(dǎo)絲的磁場(chǎng)，根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，在兩磁場(chǎng)相遇處會(huì)產(chǎn)生機(jī)械扭轉(zhuǎn)波，并以固定速度分別向波導(dǎo)絲兩端傳播。在波導(dǎo)絲的遠(yuǎn)端通過阻尼器衰減扭轉(zhuǎn)波，以保證其不會(huì)在波導(dǎo)絲上反射；近端利用感應(yīng)線圈拾取扭轉(zhuǎn)波信號(hào)，傳感器電路對(duì)其進(jìn)行處理產(chǎn)生感應(yīng)脈沖。由于電流在波導(dǎo)絲上近似光速傳播，而扭轉(zhuǎn)波傳播速度一定，所以通過測(cè)量施加瞬時(shí)電流激勵(lì)脈沖和接收到感應(yīng)脈沖之間的時(shí)間間隔，便可精確地計(jì)算出永久磁鐵的位置，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位移的測(cè)量。

1、傳感器電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磁致伸縮位移傳感器的電路結(jié)構(gòu)，MSP430的定時(shí)器模塊產(chǎn)生占空比和周期可調(diào)的控制脈沖S_1，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動(dòng)波導(dǎo)絲；感應(yīng)線圈接收到磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的微弱回波信號(hào)S₂ ,經(jīng)過處理后得到感應(yīng)脈沖S_3；時(shí)間測(cè)量電路中先將控制脈沖S₁和感應(yīng)脈沖S₃整合成與扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中傳播時(shí)間成正比的PWM信號(hào)，再通過計(jì)數(shù)法測(cè)量出PWM信號(hào)的寬度，即可得到相應(yīng)位移值。所設(shè)計(jì)的傳感器輸出信號(hào)為0～10V模擬電壓。

1.1 脈沖功率放大電路

根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，對(duì)施加于波導(dǎo)絲的瞬時(shí)電流激勵(lì)勵(lì)脈沖的幅值要求。本文選用增強(qiáng)型2MOS管脈沖有嚴(yán)格要求。首先，為了形成較強(qiáng)的環(huán)形磁場(chǎng)，電流脈沖應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，考慮到波導(dǎo)絲的低阻值負(fù)載特性，應(yīng)對(duì)控制脈沖進(jìn)行功率放大，提高其驅(qū)動(dòng)能力；其次，為了獲得質(zhì)量較好的感應(yīng)信號(hào)，電流脈沖的寬度應(yīng)維持在微米級(jí)；另外，電流脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間應(yīng)盡可能短；還應(yīng)結(jié)合傳感器的量程和扭轉(zhuǎn)機(jī)械波的傳播速度，選擇合適的電流脈沖周期，使其大于扭轉(zhuǎn)機(jī)械波在波導(dǎo)絲中的最長(zhǎng)傳播時(shí)間，考慮到傳感器的刷新率，電流脈沖的周期也不宜太長(zhǎng)。

本文利用MSP430定時(shí)器的捕獲比較模塊產(chǎn)生一周期為1ms、脈沖寬度為5μs的控制脈沖 ,其上升時(shí)間和下降時(shí)間均為200ns左右，滿足基本要求。由于微控制器輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力較弱 ,必須對(duì)其進(jìn)行功率放大。考慮到激FQPF4N20和推挽式驅(qū)動(dòng)芯片L293進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)控制脈沖進(jìn)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(hào)，將其加載到500mm長(zhǎng)的波導(dǎo)絲(阻值為5Ω左右)兩端，波導(dǎo)絲中傳播的瞬時(shí)脈沖電流強(qiáng)度超過2A，滿足了上述激勵(lì)脈沖的要求。

1.2 信號(hào)放大與整形電路

感應(yīng)線圈檢測(cè)到的扭轉(zhuǎn)波信號(hào)是 mV級(jí)的微弱信號(hào) , 而且還有雜波干擾 ,必須進(jìn)行濾波、放大等處理。為了后續(xù)電路能夠進(jìn)一步對(duì)其處理 ,還應(yīng)將放大后的信號(hào)通過電平比較后得到感應(yīng)脈沖。圖傳感器感應(yīng)信號(hào)_S 每周期有兩個(gè)信號(hào)波形，前一個(gè)信號(hào)是感應(yīng)到的激勵(lì)脈沖，另一個(gè)信號(hào)是感應(yīng)到的磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波信號(hào)。

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

1.3 高精度時(shí)間測(cè)量電路

由于傳感器通過檢測(cè)控制脈沖的產(chǎn)生和接收到感應(yīng)脈沖的時(shí)間間隔來確定位移，所以高精度的時(shí)間測(cè)量是傳感器高準(zhǔn)確度的重要保證。可以發(fā)現(xiàn) ,線圈感應(yīng)到的控制脈沖S₃相對(duì)于控制脈沖S₁已經(jīng)有了一定延時(shí)。為了消除其對(duì)時(shí)間測(cè)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(dāng)?shù)难訒r(shí) ,S₄所示延時(shí)脈沖,再S₄和感應(yīng)脈沖S₃通過RS觸發(fā)器 ,得到PWM信號(hào)S₅ ,其寬度即為控制脈沖S₁和感應(yīng)脈沖S₃的時(shí)間間隔 ,且隨傳感器磁鐵組件位置變化而變化。將PWM信號(hào)S₅作為閘門信號(hào)控制對(duì)高頻脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) ,即可精確測(cè)量出時(shí)間間隔。由于MSP430工作頻率僅有12MHz ,無法滿足高精度時(shí)間測(cè)量的需要，兩級(jí)計(jì)數(shù)器時(shí)間測(cè)量電路。先用十六進(jìn)制高速計(jì)數(shù)器74F161(低位計(jì)數(shù)器) 對(duì)高頻脈沖計(jì)數(shù) ,再利用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器TB1(高位計(jì)數(shù)器)對(duì)低位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)計(jì)數(shù) ,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)最高達(dá)130MHz(受74F161最高計(jì)數(shù)頻率限制) 的基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

1.4 模擬信號(hào)輸出電路

為方便地用于工業(yè)場(chǎng)合，傳感器應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)接口。本文選擇 0～10V模擬電壓作為輸出信號(hào)?？蓪SP430中表示時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)?？紤]到傳感器的分辨率，選用16位DAC配合精密放大器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～10V的模擬電壓信號(hào)。

2、電路測(cè)試與分析

為驗(yàn)證傳感器的性能，對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測(cè)試。傳感器使用的波導(dǎo)絲長(zhǎng)度500mm(由于實(shí)驗(yàn)裝置限制及傳感器固有死區(qū)，傳感器的量程標(biāo)定為330mm)。

2.1 電路信號(hào)測(cè)試

MSP430微處理器產(chǎn)生的控制脈沖，脈寬5μs，周期為1ms，經(jīng)過功率放大后可以滿足激勵(lì)脈沖的要求，使磁致伸縮效應(yīng)得以產(chǎn)生。傳感器感應(yīng)信號(hào)波形，它是對(duì)感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波所得，前兩個(gè)信號(hào)分別為感應(yīng)到的激勵(lì)信號(hào)和扭轉(zhuǎn)波信號(hào)，具有較大幅值和質(zhì)量較好的波形。第三個(gè)信號(hào)是扭轉(zhuǎn)波信號(hào)經(jīng)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(zhuǎn)波信號(hào)完全吸收，但由于其幅值較小，不影響信號(hào)的后續(xù)處理。高精度時(shí)間測(cè)量的PWM信號(hào)，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(cè)試

采用球柵尺對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，球柵分辨率為0.005mm。在傳感器量程范圍內(nèi)，移動(dòng)磁鐵組件，每隔5cm記錄一組數(shù)據(jù)。在量程范圍內(nèi)傳感器的輸出模擬電壓信號(hào)的誤差曲線?？梢姡敵鲎畲蠓蔷€性誤差約為0.0045V，相對(duì)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(nèi)連續(xù)移動(dòng)多次，記錄磁鐵位置及相應(yīng)輸出電壓值。重復(fù)性誤差公式為aσmax e_R= ±3×100 %；yFS式中：_a為置信系數(shù) ,a=2時(shí)，置信概率為95.4%，a=3時(shí)，置信概率為99.73 %_；σ _max 為各校準(zhǔn)點(diǎn)正行程與反行程輸出值的標(biāo)準(zhǔn)偏差中的最大值；y_FS為滿量程值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得σ _max = 0.00399 ,置信系數(shù)_a取3，則e_R= ±3 ^{×0. 0039}×100 % = ±0. 12%，傳感器的重復(fù)性良好。此外，還對(duì)傳感器的非線性、遲滯、電磁干擾等進(jìn)行了測(cè)試，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3、結(jié) 論

在電磁波大角度入射的條件下，柵瓣現(xiàn)象對(duì)FSS性能的影響更加明顯 ,此時(shí)可根據(jù)Floquet定理與CST仿真軟件評(píng)估柵瓣現(xiàn)象的影響。在CST的仿真中，需要選擇足夠的Floquet模式才能正確評(píng)估柵瓣效應(yīng),并且可通過增加端口與FSS結(jié)構(gòu)之間的距離來消除高階Floquet衰減模的影響。對(duì)于60°TE入射條件下的圓波導(dǎo)型FSS，三角排布與正排布時(shí)相比，柵瓣的出現(xiàn)與破壞效果出現(xiàn)在更高頻，影響更小，并且在通孔內(nèi)填充電介質(zhì)可以使工作頻段向低頻移動(dòng)，以避開柵瓣的影響。