引言

磁致伸縮位移傳感器（MagnetostrictiveDisplacementSensor，MDS）因測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量無(wú)損耗等特性，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。因我國(guó)在磁致伸縮領(lǐng)域研究起步較晚，技術(shù)水平較低，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要以國(guó)外產(chǎn)品為主，價(jià)格昂貴。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品及技術(shù)方法進(jìn)行調(diào)研分析，以STM32單片機(jī)作為傳感器核心處理器，使用具有較大磁致伸縮系數(shù)的鐵鎵合金作為磁致伸縮位移傳感器的波導(dǎo)絲，開(kāi)發(fā)一款量程為1m，分辨力為mm級(jí)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低的磁致伸縮位移傳感器。

1、磁致伸縮位移傳感器原理

磁致伸縮位移傳感器研制是基于磁致伸縮材料在相交磁場(chǎng)的作用下具有磁致伸縮特點(diǎn)，利用材料的磁致伸縮效應(yīng)及逆效應(yīng)、超聲效應(yīng)共同完成位移的測(cè)量。測(cè)量時(shí)，在磁致伸縮材料做成的波導(dǎo)絲一端發(fā)射激勵(lì)脈沖，大電流窄脈沖信號(hào)沿波導(dǎo)絲以光速傳播，在信號(hào)建立的同時(shí)，在波導(dǎo)絲周?chē)?a target="_blank">環(huán)形磁場(chǎng)。根據(jù)威德曼效應(yīng)（Wiede-mann），當(dāng)環(huán)形磁場(chǎng)隨脈沖信號(hào)傳播至游標(biāo)位置時(shí)，環(huán)形磁場(chǎng)與游標(biāo)的軸向磁場(chǎng)疊加形成螺旋形磁場(chǎng)。螺旋磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致磁致伸縮材料發(fā)生瞬間扭曲形變，引發(fā)扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波以恒定速度向波導(dǎo)絲兩端傳播，當(dāng)扭轉(zhuǎn)波傳播至檢測(cè)線圈位置時(shí)，根據(jù)維拉里（Villari）效應(yīng)，檢測(cè)線圈處磁場(chǎng)發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間即扭轉(zhuǎn)波的返回時(shí)間，該時(shí)間乘以扭轉(zhuǎn)波波速即可得到待測(cè)物的距離。磁致伸縮傳感器檢測(cè)原理示意圖如下圖所示。

磁致伸縮位移傳感器檢測(cè)原理

對(duì)于指定波導(dǎo)絲，扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中的傳播速度由材質(zhì)彈性模量和密度決定，在實(shí)際生產(chǎn)中，還應(yīng)考慮材質(zhì)的應(yīng)力以及環(huán)境溫度對(duì)扭轉(zhuǎn)波波速的影響[3]。如果測(cè)定扭轉(zhuǎn)波的傳播時(shí)間，則可計(jì)算出游標(biāo)所在位置。假設(shè)脈沖發(fā)出時(shí)間為t1.激勵(lì)脈沖傳播到游標(biāo)的時(shí)間為t2.檢測(cè)線圈檢測(cè)到扭轉(zhuǎn)波的時(shí)間為t3.則待測(cè)距離L為：

2L=（t2-t1）×3×10^8+（t3-t2）×V

因激勵(lì)脈沖在波導(dǎo)絲內(nèi)以光速傳播，對(duì)于1m長(zhǎng)的波導(dǎo)絲而言，激勵(lì)脈沖的傳播時(shí)間相對(duì)于扭轉(zhuǎn)波的傳播時(shí)間可以忽略不計(jì)，則t2≈t1.故待測(cè)距離為：

L=（t3-t1）×V

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)于鐵鎵合金，在20℃時(shí)，扭轉(zhuǎn)波波速為2855m/s，對(duì)t3的精確測(cè)量直接決定磁致伸縮位移傳感器的精度。

2、磁致伸縮位移傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)

傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由探桿和傳感器頭部組成。選取表面光滑耐磨損的碳纖維管為探桿主要材質(zhì)，由外到內(nèi)依次為電磁屏蔽層和塑料套管。塑料套管內(nèi)部裝有直徑為0.5mm、長(zhǎng)度為1m、電阻為4Ω的Fe83Ga17鐵鎵合金波導(dǎo)絲作為傳感器的磁敏元件波導(dǎo)絲。尾部裝有拉力彈簧，頭部裝有可旋進(jìn)旋出銅制螺母，將波導(dǎo)絲拉緊，尾部楔形吸波橡膠用于吸收多余扭轉(zhuǎn)波。傳感器頭部主要安裝電路和檢測(cè)線圈。根據(jù)波導(dǎo)絲參數(shù)，檢測(cè)線圈最終確定為匝數(shù)800匝，長(zhǎng)度為20mm，線圈內(nèi)徑為0.8mm，繞線采用線徑為0.06mm的漆包線，繞線骨架為耐高溫?zé)o電磁感應(yīng)的內(nèi)徑為0.8mm，外徑為1.1mm石英管。檢測(cè)線圈固定在傳感器頭部，并使波導(dǎo)絲置于檢測(cè)線圈縱向中心位置。探桿上裝有可沿探桿自由滑動(dòng)的游標(biāo)，游標(biāo)內(nèi)部有沿探桿周向的環(huán)形磁場(chǎng)。游標(biāo)距離探桿頭部零點(diǎn)的距離即待測(cè)距離。

3磁致伸縮位移傳感器電路設(shè)計(jì)

傳感器硬件電路結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要由電源電路、脈沖放大電路、濾波放大電路和微控制器電路四部分組成。

磁致伸縮位移傳感器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1微控制器電路

STM32F103VET6是ST（意法半導(dǎo)體）公司開(kāi)發(fā)的32位微控制器，該控制器基于ARMCortexM內(nèi)核，具有高性能、低電壓、低功耗、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理等特點(diǎn)。STM32自帶各種通信接口，如ADC、DAC、GPIO、SPI、USART、I2C、TIM定時(shí)器、IWDG獨(dú)立看門(mén)狗等，用戶可根據(jù)具體需求選用不同外設(shè)，通過(guò)軟件調(diào)用不同外設(shè)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。用戶不必像使用傳統(tǒng)單片機(jī)那樣自己搭建外設(shè)，由此簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。

本文所研發(fā)的傳感器微控制電路以STM32F103VET6單片機(jī)為核心，主要由復(fù)位、晶振、RS232串口、JTAG下載模塊組成，該電路主要用于發(fā)射3.3V激勵(lì)脈沖，采集扭轉(zhuǎn)波電壓信號(hào)。

3.2脈沖放大電路

對(duì)于選定的波導(dǎo)絲而言，激勵(lì)脈沖需達(dá)到一定要求才能激發(fā)出扭轉(zhuǎn)波。根據(jù)波導(dǎo)絲性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，選定激勵(lì)脈沖頻率為800Hz，脈沖寬度為20μs，脈沖幅值為24V。

STM32F103VET6可發(fā)出指定頻率和占空比的3.3V的激勵(lì)脈沖，需對(duì)該激勵(lì)脈沖進(jìn)行放大才能使用，脈沖放大電路由兩部分組成。

首先使用光耦隔離器件HCPL2630將3.3V脈沖幅值提高到5V，再用5V脈沖控制MOS管FQP50N06.從而將脈沖幅值放大到24V，然后加載到波導(dǎo)絲上即可激發(fā)出扭轉(zhuǎn)波。5V激勵(lì)脈沖轉(zhuǎn)24V激勵(lì)脈沖電路如下圖所示。

5V激勵(lì)脈沖轉(zhuǎn)24V激勵(lì)脈沖

3.3濾波放大電路

STM32F103VET6自帶ADC能夠采集的電壓范圍為0~3.3V，而扭轉(zhuǎn)波信號(hào)極其微弱，最大只有50mV，且噪聲較大，為此，需對(duì)扭轉(zhuǎn)波進(jìn)行濾波放大。濾波電路選取SGMICRO公司推出的高精度輸出運(yùn)算放大器SGM8252（雙），采用壓控電壓源同相輸入二階濾波[11]電路，將原始信號(hào)高頻噪聲和低頻噪聲過(guò)濾，留下頻率為10~80kHz的扭轉(zhuǎn)波信號(hào)即可。放大電路同樣采用運(yùn)算放大器SGM8252（雙），采取兩級(jí)放大，將信號(hào)放大64倍，使信號(hào)幅值放大至2~3.3V。原始扭轉(zhuǎn)波濾波電路和原始扭轉(zhuǎn)波放大電路如下圖所示。

原始扭轉(zhuǎn)波濾波和放大電路

3.4電源電路

系統(tǒng)采用24V可調(diào)直流電源供電，使用L7805ABVG負(fù)責(zé)24V轉(zhuǎn)5V，低壓差線性穩(wěn)壓（LDO）/LD11173.3負(fù)責(zé)5V轉(zhuǎn)3.3V。24V供給波導(dǎo)絲用于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，5V供給光耦隔離器件HCPL2630.3.3V供給主芯片及其他芯片。

4、磁致伸縮位移傳感器軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，編寫(xiě)程序采用通用定時(shí)器發(fā)送激勵(lì)脈沖，高級(jí)定時(shí)器TIM1的第1通道記錄激勵(lì)脈沖發(fā)射時(shí)間并開(kāi)始計(jì)時(shí)。采用STM32F103VET6自帶模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC2進(jìn)行扭轉(zhuǎn)波電壓采集，當(dāng)采集到的電壓值高于設(shè)定閾值時(shí)，指定I/O口GPIOC6輸出高電平，否則該I/O輸出低電平。用高級(jí)定時(shí)器TIM1的第4通道和第3通道分別接收GPIOC6的上升沿和下降沿。當(dāng)接收到的脈沖幅值和脈沖寬度都大于設(shè)定閾值時(shí)，認(rèn)為此脈沖為扭轉(zhuǎn)波信號(hào)，即判定該返回電壓值是扭轉(zhuǎn)波返回信號(hào)，讀取TIM1第4通道的時(shí)間，乘以波速即可得到待測(cè)距離。STM32F103VET6的I/O輸出速度最高可配置為50MHz。扭轉(zhuǎn)波的傳播速度是2855m/s，則測(cè)量分辨力可達(dá)到（2855m/s）/50MHz=0.057mm，即十分之一毫米級(jí)分辨力，完全滿足設(shè)計(jì)要求。本文通過(guò)單片機(jī)I/O口GPIOC6發(fā)出的高低電平信號(hào)代替扭轉(zhuǎn)波信號(hào)，避免了繁瑣的信號(hào)整形電路，同時(shí)不影響測(cè)量精度。

5測(cè)試與分析

5.1誤差分析

使用傳感器對(duì)正反兩個(gè)方向90cm進(jìn)行測(cè)量，以米尺為標(biāo)準(zhǔn)，將測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，計(jì)算出絕對(duì)誤差，測(cè)量結(jié)果如表1所列。由表1可見(jiàn)，絕對(duì)誤差最大為0.36cm。

在完成絕對(duì)誤差計(jì)算后，計(jì)算相對(duì)誤差，最大相對(duì)誤差為-2.9%。

5.2非線性誤差

非線性誤差（又稱(chēng)線性度）=最大誤差/量程，由表1可知，在進(jìn)行正向測(cè)量85.00cm時(shí)，絕對(duì)誤差最大為0.36cm，故非線性誤差=0.36/90.00=0.4%。

以標(biāo)準(zhǔn)值作為橫坐標(biāo)，實(shí)際測(cè)量值為縱坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合。正向行程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)線性擬合直線關(guān)系式為：

y=1.0045x-0.1478（1）

R2=1（2）

反向行程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)線性擬合直線關(guān)系式為：

y=1.0034x-0.143（3）

R2=1（4）

由式（2）和式（4）可知，正反行程擬合直線相關(guān)系數(shù)的平方均為1.表明實(shí)際測(cè)量各個(gè)點(diǎn)聚集在一條直線附近，線性關(guān)系良好。

表1磁致伸縮位移傳感器正向與反向測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較

5.3分辨力

本文采用米尺作為標(biāo)準(zhǔn)，人工采集數(shù)據(jù)，肉眼觀測(cè)，測(cè)試傳感器最大分辨力。測(cè)試方法見(jiàn)表2.選取1~10mm十個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，觀察測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的差異，從而判斷傳感器的分辨力。

表2傳感器最大分辨力測(cè)試

由表2可知，在標(biāo)準(zhǔn)值大于4mm時(shí)，相對(duì)誤差已經(jīng)低于3%，而在小于4mm時(shí)，傳感器測(cè)量值波動(dòng)較大，故認(rèn)定該型傳感器分辨力為4mm。

結(jié)語(yǔ)

利用外設(shè)豐富的STM32為傳感器核心，選取磁致伸縮系數(shù)大的鐵鎵合金制作成波導(dǎo)絲，根據(jù)波導(dǎo)絲特性確定激勵(lì)脈沖參數(shù)設(shè)計(jì)合理的脈沖放大電路，可獲得扭轉(zhuǎn)波信號(hào)。利用STM32自帶ADC采集濾波放大后的電壓信號(hào)，通過(guò)軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)了分辨力在毫米級(jí)非線性誤差在0.4%的磁致伸縮位移傳感器的研制，該型傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為該型傳感器的商品化生產(chǎn)提供了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。

審核編輯 黃宇