基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器設(shè)計(jì)方案

　　0 引言

　　傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。

????? 電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測(cè)物體相連，物體的位移引起電位器移動(dòng)端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

?????? 傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器由于其電刷移動(dòng)時(shí)電阻以匝電阻為階梯變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統(tǒng)中用作位移反饋元件的時(shí)，則過大的階躍電壓會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。因此在電位器的制作中應(yīng)盡量減小每匝的電阻值。同時(shí)，電位器式傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差，從而導(dǎo)致測(cè)量精度的下降。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)大，使用方便，價(jià)格低廉。

　　基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器以磁場(chǎng)為傳輸載體，將位移變換轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)角度位移，同時(shí)，通過通信接口將位移信號(hào)返回給應(yīng)用系統(tǒng)。

　　1 總體設(shè)計(jì)方案

　　基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器的功能是將拉線的機(jī)械位移換成可以計(jì)量、記錄或傳送的電信號(hào)，主要由自動(dòng)回復(fù)彈簧、輪轂、磁鐵以及數(shù)據(jù)處理單元等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　由圖1可以看出，該基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器主要由6部分組成，改變傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器接觸式、易磨損、高頻特性差等缺點(diǎn)，基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器以磁場(chǎng)為媒介，將機(jī)械位移變化轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)角度變化，一方面解決傳統(tǒng)拉線位移傳感器的接觸方式，另一方面減少了磨損、提高了系統(tǒng)高頻特性，從而確保位移檢測(cè)精度。數(shù)據(jù)處理運(yùn)算器，用于對(duì)接收到的磁敏角度信號(hào)通過數(shù)學(xué)模型運(yùn)算為拉線的位移信號(hào)。通信接口，通過通信接口與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行通信，接收來自應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備的命令并將采集到的位移信號(hào)反饋給應(yīng)用系統(tǒng)。從而提高了數(shù)據(jù)采集精度、穩(wěn)定性和可靠性，降低了位移傳感器的應(yīng)用門檻。

　　各個(gè)部件功能描述如下：

　　(1)拉線的鋼繩纏繞在輪轂上，輪轂與一個(gè)磁鐵連接在一起，當(dāng)拉線產(chǎn)生位移的時(shí)候，帶動(dòng)輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)，輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)造成與輪轂的軸連接的磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，從而磁鐵的磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)變化的角度。拉線運(yùn)動(dòng)發(fā)生的時(shí)候，自動(dòng)回復(fù)彈簧確保拉線具備一定的張力，確保拉線的位移與磁敏角度的比例關(guān)系。

　　(2)磁敏角度感應(yīng)器與磁鐵安裝在同一中心軸，用來感應(yīng)磁鐵角度的變化，選用一種微處理器，該處理器讀取磁敏角度信息，并通過建立數(shù)學(xué)模型，將磁敏角度運(yùn)算為拉線的位移。

　　(3)通訊接口，微處理器通過通信接口接收來自應(yīng)用系統(tǒng)的命令并將位移信息通過通信接口返回給應(yīng)用系統(tǒng)。

　　2 硬件接口電路設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)處理單元由磁敏角度感應(yīng)器、微處理器單元、通信接口以及輸出模塊，具體的功能框如圖2所示。

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　　通過分析圖2，磁敏角度感應(yīng)器選用MLX90316，它將拉線位移所導(dǎo)致的磁鐵磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為磁敏角度。微處理器單元選用32位嵌入式ARM用于對(duì)接收到的磁敏角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成磁敏角度數(shù)據(jù)的接收，由于接收到的是磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的角度，所以通過建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合輪轂的直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線的位移。因此，為了能夠快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和模型的建立，此處選用LPC2136作為數(shù)據(jù)處理單元。輸入、輸出控制模塊負(fù)責(zé)各種對(duì)外接口的處理，如通過通信接口接收來自應(yīng)用系統(tǒng)的命令，向應(yīng)用系統(tǒng)返回采集的位移結(jié)果，以便能夠?qū)⑽⑻幚砥鲉卧軌驁?zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)的命令并將采集結(jié)果通過接口安全可靠地發(fā)送到應(yīng)用設(shè)備，主要包含1路的RS 485和4～20 mA的電流輸出。

　　2.1 磁敏角度接收接口

　　MLX90316是一種線性霍爾芯片，采用了平面霍爾傳感技術(shù)的單片集成傳感芯片，該芯片可以用來測(cè)量與芯片表面共面的磁通密度，可以得到從0～360°的旋轉(zhuǎn)位置值，通過多種模式輸出準(zhǔn)確度很高的線性絕對(duì)位置信號(hào)，并且成本低廉、安裝簡(jiǎn)便。

　　MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術(shù)的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號(hào)經(jīng)過放大處理后，經(jīng)過14位微分型A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過16位DSP處理之后的數(shù)字信號(hào)分3路輸出。MLX90316輸出具有12位角度分辨率，10位角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對(duì)輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12位D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出;頻率為100～1 000 Hz的PWM輸出;數(shù)字模式下利用串行通信協(xié)議輸出(SPI)。

　　由于串行通信的輸出信號(hào)直接來自于MLX90316的內(nèi)部DSP輸出，SPI輸出模式更穩(wěn)定，誤差更小，并且具有更高的抗干擾能力。在本設(shè)計(jì)中，選用SPI接口，具體的硬件接口連接電路如圖3所示。在圖3中，MLX90316的SPI三根線與ARM LPC2136的SPl0口連接。SPI(SerialProtocol InterIace)總線接口是一種同步串行外設(shè)接口。這是一個(gè)4根信號(hào)線的串行接口協(xié)議，包括主、從兩種模式。這4根信號(hào)線分別是：時(shí)鐘線(SCK)、數(shù)據(jù)輸入線(MISO)、數(shù)據(jù)輸出線(MOSI)和從設(shè)備使能線(SS)。

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　　2.2 RS 485通信接口電路設(shè)計(jì)

　　RS 485總線以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。它采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信，發(fā)送端將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高。

　　在基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器中我們?cè)O(shè)計(jì)了一路RS 485信號(hào)輸出，RS 485接口芯片采用MAX3485，用于與應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行位移數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)交換。為了確保數(shù)據(jù)通信的可靠性，通信接口采用了光電隔離芯片6N137。

　　2.3 可控電流輸出接口

　　數(shù)據(jù)處理單元具備一路可控4～20 mA的電流輸出，用于現(xiàn)場(chǎng)指示儀表的驅(qū)動(dòng)。具體的連接電路如圖4所示。其中PWM2連接ARM的PWM2引腳，PWM信號(hào)用于控制光耦的導(dǎo)通與截止，反相器主要用于波形的整定，根據(jù)磁敏角度和位移關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出PWM的占空比，從而達(dá)到電流大小調(diào)節(jié)的目的。

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　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　在LPC2136中嵌入了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。

　　μC/OS-Ⅱ是一種基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號(hào)量，郵箱，消息隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無誤執(zhí)行，使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化。

　　軟件編程主要包含3個(gè)模塊：PWM控制電流輸出模塊、RS 485通信模塊、MLX90316的SPI通信模塊，編程流程如圖5所示。PWM控制電流輸出模塊主要通過改變PWM的占空比來調(diào)節(jié)電流的大小。RS 485通信模塊主要用來接收上層系統(tǒng)的指令并根據(jù)指令將數(shù)據(jù)回傳。MLX90316的SPI通信模塊主要用于磁敏角度的讀取，SPI的通訊過程為：主控端先輸出1個(gè)0xAA以及1個(gè)0xFF作為通信起始信號(hào)，然后接著輸出8個(gè)0xFF，而從端會(huì)同時(shí)輸出2個(gè)0xFF、4個(gè)字節(jié)的角度信號(hào)以及4個(gè)0xFF，從而完成一次數(shù)據(jù)通訊。

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　　4 結(jié)語(yǔ)

　　利用MLX90316構(gòu)建位置傳感器需要使用磁鐵，在傳感位置安裝活動(dòng)的機(jī)械部件(通常連接在軸的末端)。只要水平磁通量均勻的磁鐵都可以使用。磁鐵的大小和材料并不重要;在機(jī)械、磁場(chǎng)和熱容限之內(nèi)，水平磁通量必須在20～70 mT(例如，(45±25)mT)范圍以內(nèi)。

　　在氣隙問題上，如果距離IC表面的實(shí)際氣隙大于7.5 mm，環(huán)形磁鐵要優(yōu)于盤形磁鐵。磁鐵可以放在軸的末端，使用環(huán)形磁鐵時(shí)可以繞在軸上。也可以使用特，殊的磁鐵設(shè)計(jì)，獲得旋轉(zhuǎn)位置傳感器正常的傳輸特性。

　　在“基于FPGA技術(shù)的堤壩位移智能檢測(cè)系統(tǒng)”中，將基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器用于堤壩根石位移采集裝置。監(jiān)測(cè)的堤壩一共為7條，每條大壩有5個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此，利用RS 485總線將這35個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該傳感器克服傳統(tǒng)拉線式位移傳感器的易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差等缺點(diǎn)，提高了測(cè)量精度。

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