【摘要】為了更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)油管轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的隔離檢測(cè),采用巨磁電阻傳感器,MSP430系列單片機(jī)以及低功耗信號(hào)處理器件組件檢測(cè)系統(tǒng),同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采用4個(gè)巨磁電阻傳感器芯片均勻分布與內(nèi)管的方式提高系統(tǒng)的可靠性,實(shí)際使用情況表明該系統(tǒng)具有體積小,構(gòu)建簡(jiǎn)單和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】巨磁電阻傳感器;隔離檢測(cè);轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù);低功耗
1.概述
油管的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,需要獲知其轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù),傳統(tǒng)的方法是采用機(jī)械觸點(diǎn)的方式進(jìn)行檢測(cè),然后累加觸點(diǎn)被觸發(fā)的次數(shù)最終獲知油管轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù),但是這種方法的弊端是觸點(diǎn)經(jīng)過一定時(shí)間的使用后會(huì)產(chǎn)生接觸不良的現(xiàn)象,而且體積較大,不易密封。因此,常采用磁敏檢測(cè)德方式進(jìn)行非接觸隔離檢測(cè)。
巨磁電阻(GMR)效應(yīng)是某些合金材料的電阻比在磁場(chǎng)作用下急劇增大的一種特性。巨磁電阻傳感器是基于巨磁電阻效應(yīng)研制而成,具有靈敏度高和良好的溫度適應(yīng)性,在磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域具有廣泛的用途。相對(duì)于其他常用的磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器而言,GMR傳感器能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的磁開關(guān)量檢測(cè),因此,在開關(guān)量磁場(chǎng)檢測(cè)方面,GMR傳感器具有十分明顯的優(yōu)勢(shì),本文將以東方微磁公司生產(chǎn)的VA系列巨磁電阻磁傳感器為例,介紹其特性、測(cè)試及相關(guān)應(yīng)用。
2.系統(tǒng)介紹
油管內(nèi)管在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中需要檢測(cè)油管的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù),控制系統(tǒng)根據(jù)所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)對(duì)負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行控制。油管由內(nèi)外管組成,如圖1所示,為提高檢測(cè)的可靠性,檢測(cè)用的磁鋼嵌入外管內(nèi),4個(gè)GMR傳感器芯片嵌入內(nèi)管內(nèi),并做好密封,使用過程中轉(zhuǎn)動(dòng)外圈,磁鋼依次轉(zhuǎn)過1號(hào),2號(hào),3號(hào)和4號(hào)GMR傳感器,當(dāng)磁鋼第二次轉(zhuǎn)過1號(hào)GMR傳感器后,圈數(shù)記為1,依次轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)圈數(shù)為2時(shí),控制系統(tǒng)給出控制信號(hào),同時(shí)驅(qū)動(dòng)顯示模塊進(jìn)行狀態(tài)顯示。
4個(gè)GMR傳感器應(yīng)均布在內(nèi)圈上,磁鋼應(yīng)固定不動(dòng),控制板和供電系統(tǒng)在內(nèi)圈上,避免內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)造成絞線,內(nèi)圈和外圈之間距離在較大,因此,磁鋼和傳感器探頭之間的距離應(yīng)盡量近,增大傳感器的感應(yīng)信號(hào)幅度。同時(shí),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮兩個(gè)可能出現(xiàn)的問題。一是在轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)管過程中,有可能出現(xiàn)抖動(dòng),造成傳感器計(jì)數(shù)出現(xiàn)失誤;二是在轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)管過程中,操作人員在換手時(shí),可能出現(xiàn)內(nèi)管往回轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。
3.硬件系統(tǒng)
3.1 GMR傳感器的結(jié)構(gòu)
VA系列巨磁電阻磁傳感器采用惠斯通橋式結(jié)構(gòu),如圖2所示的。圖2中,R1和R3是兩個(gè)阻值一樣的電阻,可隨外界磁場(chǎng)的變化輸出一個(gè)差分電壓信號(hào),R2和R4由于屏蔽層的作用不感應(yīng)外界磁場(chǎng)的變化。
3.2 屏蔽層的作用
圖2中的R2和R4上的陰影部分是傳感器的合金屏蔽層,它有兩個(gè)作用,一是屏蔽外磁場(chǎng)對(duì)電阻R2和R4的影響,使其不能感應(yīng)待測(cè)場(chǎng)的變化;二是作為一個(gè)磁通聚集器,將待測(cè)場(chǎng)聚集在R1和R3周圍,使傳感器輸出幅值增大,提高傳感器的靈敏度。
3.3 控制模塊
系統(tǒng)采用TI公司的430系列低功耗單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集處理的主處理芯片,該單片機(jī)自帶A/D采樣,休眠時(shí)功耗只有數(shù)十個(gè)uA;磁傳感器采用東方微磁公司的高靈敏度GMR傳感器,信號(hào)處理單元采用低功耗器件。原理框圖如圖3所示。
電源模塊包括DC/DC轉(zhuǎn)換單元和上電控制單元,其中DC/DC轉(zhuǎn)換單位為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3V供電,上電控制單元主要為GMR傳感器提供間歇式供電,以降低系統(tǒng)的功耗。狀態(tài)指示模塊主要為用戶提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)的狀態(tài)提示,便于操作者對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控。驅(qū)動(dòng)模塊主要主要根據(jù)系統(tǒng)的控制要求,為外部負(fù)責(zé)提供相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)。
4.軟件
系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)是TI公司的IAR EW430,為提高軟件的可靠度,便于后續(xù)的維護(hù),采用模塊化方式將軟件設(shè)計(jì)分為若干個(gè)模塊分別編程和調(diào)試。軟件主要由主程序,定時(shí)器中斷程序和外部觸發(fā)中斷程序組成。針對(duì)可能出現(xiàn)的抖動(dòng)和反轉(zhuǎn),主程序在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)每個(gè)傳感器只采樣一次信號(hào),1號(hào)GMR傳感器采樣完成后等待2號(hào)GMR傳感器,同樣只采樣一次,以此類推,四個(gè)傳感器檢測(cè)四次信號(hào)為一圈,八次信號(hào)為兩圈,同時(shí)設(shè)定一個(gè)時(shí)間超時(shí)門限值T,兩圈的轉(zhuǎn)動(dòng)沒超過時(shí)間T,繼續(xù)下一個(gè)步驟,超過了,計(jì)數(shù)清零,重新開始??刂葡到y(tǒng)主程序流程圖如圖4所示,中斷程序省略。
5.結(jié)論
為實(shí)現(xiàn)油管轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)隔離式檢測(cè)系統(tǒng),本文利用GMR傳感器,MSP430單片機(jī)以及低功耗的信號(hào)處理芯片,搭建了相應(yīng)的控制電路,實(shí)現(xiàn)了對(duì)油管轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的檢測(cè),相對(duì)于傳統(tǒng)的接觸式檢測(cè)系統(tǒng)而言,該系統(tǒng)具有構(gòu)建簡(jiǎn)單,可靠性高,體積小,使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中具有良好的性能。
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