磁致伸缩位移传感器信号处理电路的研究与实现_李怀洲

电磁

第25卷第4期增刊

仪　器　仪　表　学　报

2004年8月

磁致伸缩位移传感器信号处理电路的研究与实现

Ξ

(200093)

摘要　介绍磁致伸缩传感器的工作原理及实现机制:,,产生脉冲磁场,、滤波、信号放大、电压比较、检波等信号处理电路。,以及电子测量电路对于精确测时功能的实现,使得该传感器同,适用范围广等优点。关键词　ResearchonSignalProcessingCircuitforMagnetostrictiveDisplacementSensor

LiHuaizhou　LiQingshan　SunZhenwei　YangYongcai

(CollegeofOpticalandElectronicsInformationEngineering,

UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Abstract　Theprincipleandthemechanismofthemagnetostrictivedisplacementsensorareintroduced.Thiskindofsensordependsonthemagnetostrictiveprinciple,anditdependsontheinterrogationpulses,whichlieonthetransmittingsidetoproducethemagneticpulses.Itcanaccuratelymeasurethepositionbythetimeintervalbetweentheinterrogationpulseandtheechopulse.Theinterrogationpulse,filter,signalamplifier,voltagecomparatorandthesignalprocessingcircuitsaredesignedandrealized.Magnetostrictivedisplacementsensorde2velopedwiththistechniquehasamuchbetterprecision,longdisplacement,longerlife2span,anditismorecon2venienttoinstall.

Keywords　Magnetostrictive　Torsionalwave　Signalprocessing

之一——信号处理电路部分。

1　引　　言

磁致伸缩位移传感(MagnetostrictivePosition

Sensor)利用磁致扭转波作为传播媒质的磁致伸缩式

磁致伸缩位移传感器主要由波导钢丝、位置磁铁、波检测器和电子系统组成,如图1所示。

除位置磁铁外,所有其它元器件都安装在传感器壳体内,组成传感器的主体。位置磁铁通常装在一个运动部件A上,而传感器主体则装在一个固定的部件B上。传感器工作时,电子信号和处理系统发给磁致波导钢丝间隔为T的激励脉冲电流ie。

该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝的旋转磁场。位置磁铁也产生一个固定的磁场。在这两个磁场的共同作用下,使波导钢丝产生磁致弹性伸缩,即形成一个磁致旋转波。该旋转波沿着波导钢丝以大约

传感器。该传感器具有其它位移传感器所不能达到的测量大位移、高精度的特点,已应用于美国、欧洲的石油、化工等部门。美国MTS公司生产的Temposonics型磁致伸缩线性位移传感器的重复精度及分辨率均达到01002mm,而国内还处于对此类产品的研究阶段。我们参考国外的的先进经验设计研制一套达到一定精度要求的位移传感测量装置,重点介绍它的核心部分

Ξ上海理工大学学生创新基金资助项目。

电磁

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2800m s的速度向两边传播。当它传到波导钢丝一端(3)对放大后的位置脉冲信号进行零位或峰值检

的波检测器时被转换成电信号ua。通过测量磁致旋转波从位置磁铁传到波检测器的时间tL就能确定位置

磁铁和波检测器之间的距离。

波,以便确定位置脉冲信号从位置磁铁传到检测线圈的时间。

(4)时间测量和信号处理(数字或模拟信号处理)。(5)位置信号输出(数字电流和电压,模拟电流和

电压)。

21110):

变化范围

脉冲周期T

1—10ms

脉冲宽度

2—6Λm

脉冲电流

015—3A

　　按照此要求,也就是脉冲激发电路的控制信号为

1;—磁致旋转波;3—波检测器;4—位置磁铁;5—电子信号和处理系统;6—波反射器;

7—减波元件;8—回线;9—传感器壳体

占空比可调的脉冲方波信号,振荡周期为1～20ms,脉冲宽度为2～6Λm,使用555定时器接成占空比可调的多谐振荡器。通过调节R1可以改变振荡周期,调节R2可以改变脉冲宽度。而且555芯片价格便宜,可供选择的型号较多。

经过了实际电路调试如图3,基本达到输出方波要求。

图1　磁致旋转波位移传感器的测量原理

2　磁致伸缩传感器的电子信号处理系统

实现

　　电子信号处理系统的框图如图2所示。在微处理器系统的控制下,周期脉冲电流发生器向波导钢丝发送激励脉冲。由检测线圈输出的位置脉冲信号进行虑波和放大后,将进行零位或峰值检波,以便进一步确定位置脉冲信号从位置磁铁传到检测线圈的时间。经过进一步的信号处理,便可确定位置磁铁和检波器之间的距离,以达到位移测量的目的。该处理系统具有如下功能

:

图3　脉冲方波信号控制电路

为更好地研究周期脉冲电流的产生,考虑到要在传感器输入两端加上2～6Λs的占控比可调的大电流脉冲(几个A),我们又设计了另外的脉冲触发电路方案,综合考虑了电路的实现过程中可能存在的诸多干扰,以及所选用器件需要承受大电流,将关键器件场效应管选为IRF840型,可以承受8A电流。整个电路在

ORCAD软件上模拟调试,所选用参数达到设计要求,

图2　电子信号和处理系统框图

运行结果较理想,激励脉冲可在传感器两端激发3A电流。电路如图4所示。

212　传感器输出信号电路的处理

(1)产生一个周期激励脉冲电流,该脉冲输入波导

钢丝,以便围绕波导钢丝形成一个周期脉冲磁场。该脉冲的周期和宽度应通过微处理器编程来调节。为了获得较强的脉冲磁场,激励脉冲应具有足够的能量,即足够的电流。

(2)模拟信号处理,对从波检测器(检测线圈)输出

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