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STM32的磁致伸縮智能位移傳感器研究

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-05-16 16:07

  

       磁致伸縮位移傳感器(Magnetostrictive Displacement Sensor,MDS)因測量精度高、穩定性好、測量無損耗等特性,在工業生產中得到了越來越多的應用。因我國在磁致伸縮領域研究起步較晚,技術水平較低,目前國內市場主要以國外產品為主,價格昂貴。本文通過對現有產品及技術方法進行調研分析,以STM32單片機作為傳感器核心處理器,使用具有較大磁致伸縮系數的鐵鎵合金作為磁致伸縮位移傳感器的波導絲,開發一款量程為1m,分辨率為mm級,且結構簡單、生產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的作用下具有磁致伸縮特點,利用材料的磁致伸縮效應及逆效應,超聲效應共同完成位移的測量。測量時,在磁致伸縮材料做成的波導絲一端發射激勵脈沖,大電流窄脈沖信號沿波導絲以光速傳播, 在波導 絲 周 圍 建 立 環 形 磁 場。根 據 威 德 曼 效 應Wiede-mann,當環形磁場隨脈沖信號傳播至游標位置時,環形磁場與游標的軸向磁場疊加形成螺旋形磁場。螺旋磁場會導致磁致伸縮材料發生瞬間扭曲形變,引發扭轉波,扭轉波以恒定速度向波導絲兩端傳播,當扭轉波傳播至檢測線圈位置時,根據維拉里(Villari)效應,檢測線圈處磁場發生變化,產生感應電動勢,電信號的產生時間即扭轉波的返回時間,該時間乘以扭轉波波速即可得到待測物的距離。
       對于制定波導絲,扭轉波在波導絲中傳播速度由材質彈性模量和密度決定,在實際生產中,還應考慮材質的應力以及環境溫度對扭轉波波速的影響。在實驗室條件下,對于鐵鉀合金,在20℃時,扭轉波波速為2855m/s,對t3的精確測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械結構
       傳感器機械結構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,由外到內依次為電磁屏蔽層和塑料套管,塑料套管內部裝有直徑為0.5 mm、長度為1 m、電阻為4 Ω的 [Fe]83Ga17鐵鎵合金波導絲作為傳感器的磁敏元件波導絲 4-5 。尾部裝有拉力彈 簧,頭 部 裝 有 可 旋 進 旋 出 銅 制 螺 母 將 波 導 絲 拉緊,尾部楔形吸波橡膠用于吸收多余扭轉波。傳感器頭部主要安裝電路和檢測線圈。根據波 導絲參數 檢測線圈最 終確定為匝數800匝,長 度為20mm,線圈內徑為0.8mm,繞線采用線徑為0.06mm 的漆包線,繞 線骨架為耐高溫無電磁感應的內徑為0.8mm,外徑為1.1mm石英管。檢測線圈固定在傳感器頭部,使波導絲置于檢測線圈縱向中心位置。探桿上裝有可沿探桿自由滑動的游標,游標內部有沿探桿周向的環形磁場。游標距離探桿頭部零點的距離即待測距離。
3 磁致伸縮位移傳感器電路設計
       傳感器硬件電路結構主要由電源電路、脈沖放大電路、濾波放大電路和微控制器電路四部分組成。

3.1 微控制器電路
       STM32F103VET6是 ST(意法 半導體)公司開發的32位微控制器,該控制器基于 ARMCortex M內核,具有高性能、低電壓、低功耗、實時性、數字信號處理等特點。STM32自 帶 各 種 通 信 接 口,如 ADC、DAC、GPIO、SPI、 USART、I2C、TIM定時器、IWDG獨立看門狗等,用戶可根據具體需求選用不同外設,通過軟件調用不同外設實現相應功能。用戶不必像使用傳統單片機那樣自己搭建外設,由此簡化了設計流程,增強了系統可靠性。
       本文所研發的傳感器微控制電路以TM32F103VET6單片機為核心,主要由復位、晶振、RS232串口、JTAG下載模塊組成,該電路主要用于發射3.3V激勵脈沖,采集扭轉波電壓信號。
3.2 脈沖放大電路
       對于選定的波導絲而言,激勵脈沖需達到一定要求才能激發出扭轉波。根據波導絲性能,通過實驗測試,選定激勵脈沖頻率為800Hz,脈沖寬度為20μs,脈沖幅值為24 V。STM32F103VET6可 發 出 指 定 頻 率 和 占 空 比 的3.3 V的激勵脈沖,需對該激勵脈沖進行放大才能使用,脈沖放大電路由兩部分組成。首先使用光耦隔離器件HCPL2630將3.3 V脈沖幅值提高到5 V,再用5 V 脈沖控制 MOS管 FQP50N06,從而將脈沖幅值放大到4V,鐒然后加載到波導絲上即可激發出扭轉波。
3.3 濾波放大電路
       ST M32F103VET6自帶 ADC能夠采集的電壓 范圍為0~3.3V,而扭轉波信號極其微弱,最大只有50mV,且噪聲較大,為此,需對扭轉波進行濾波放大。濾波電路選取SGMICRO公司推出的高精度輸出運算放大器SGM8252(雙),采用壓控電壓源同相輸入二階濾波電路,將原始信號高頻噪聲和低頻噪聲過濾,留下頻率為10-80kHz的扭轉波信號即可。放大電路同樣采用運算放大器 SGM8252(雙),采取 兩級放大,將信號放大64倍,使信號幅值放大至2~3.3V。
3.4 電源電路
       系統采用24V可調直流電源供電,使用L7805ABVG,負責24V轉5V,低壓差線性穩壓(LDO)/LD11173.3負責5V轉3.3V。24V供給波導絲用于產生扭轉波,5V供給光耦隔離器件HCPL2630,3.3V供給主芯片及其它芯片。
4 磁致伸縮位移傳感器軟件設計
       根據設計要求,編寫程序采用通用定時器發送激勵脈沖,高級定時器TIM1的第1通道記錄激勵脈沖發射時間并開始計時。采用STM32F103VET6自帶模/數轉換器ADC2進行扭轉波電壓采集,當采集到的電壓值高于設定閾值時,指定I/O口GPIOC6輸出高電平,否則該I/O輸出低電平。用高級定時器TIM1的第4通道和第3通道分別接收GPIOC6的上升沿和下降沿。當接收到的脈沖幅值和脈沖寬度都大于設定閾值時,認為此脈沖為扭轉波信號,寄判定該返回電壓值是扭轉波返回信號,讀取TIM1第 4通 道 的 時 間,乘 以 波 速 即 可 得 到 待 測 距 離。 ST M32F103VET6的 I/O 輸 出 速 度 最 高 可 配 置 為50MHz。 扭 轉波的傳 播速度是2855 m/s,則測量分辨力可達到(2855m/s)/50MHz=0.057mm,即十分之一毫米級分辨力,完全慢去設計要求。本問通過單片機I/O口GPIOC6發出的高低電平信號代替扭轉波信號,避免了繁瑣的信號整形電路,同時不影響測量精度。
5 測試與分析
5.1 誤差分析
       使用傳感器對正反兩個方向90cm進行測量,以米尺為標準,將測量值與標準值進行比較,計算出絕對誤差。絕對誤差最大為0.36cm。在完成絕對誤差計算后,計算相對誤差,最大相對誤差-2.9%。
5.2非線性誤差
       非線性誤差(又稱線性度)=最大誤差/量程,在進行正向測量85.00cm時,絕對誤差最大為0.36cm,故非線性誤差=0.36/90.00=0.4%。以標準值作為橫坐標,實際測量值為縱坐標,建立直角坐標系,對測量數據進行直線擬合。
5.3分辨力
       本文采用米尺作為標準,人工采集數據,肉眼觀測,測試傳感器最大分辨力,選取1-10mm十個數據點進行多次測量,觀察測量值與標準值的差異,從而判斷傳感器的分辨力。在標準值大于4mm時,相對誤差已經低于3%,而在小于4mm時,傳感器測量值波動較大,故認定該型傳感器分辨力為4mm。
6.結語
        利用外設豐富的STM32為傳感器核心,選取磁致伸縮系數大的鐵鎵合金制作成波導絲,根據波導絲特性確定激勵脈沖參數設計合理的脈沖放大電路,可獲得扭轉波信號。利用STM32自帶ADC采集濾波放大后的電壓信號,通過軟件計算實現了分辨力在毫米級非線性誤差在0.4%的磁致伸縮位移傳感器的研制 ,該型傳感器結構簡單,為該型傳感器的商品化生產提供了切實可行的設計方案。
 


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