毛 潭，趙康康，鄧士龍，蘇顏欣，張從鵬

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

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基于磁敏測(cè)量技術(shù)的拉線式位移傳感器

毛 潭，趙康康，鄧士龍，蘇顏欣，張從鵬

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

基于磁敏感角度測(cè)量處理器MLX90316開(kāi)發(fā)了一種拉線式位移傳感器。分析了拉線位移傳感器的測(cè)量原理并推導(dǎo)了拉線位移與滾輪角度的解析關(guān)系?；贑ortex ARM處理器，設(shè)計(jì)了位移傳感器的角度信號(hào)采集和信號(hào)輸出電路；完成了傳感器的整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)了位移傳感器的應(yīng)用軟件，具有參數(shù)設(shè)置、傳感器標(biāo)定及符合標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的通訊等功能。試驗(yàn)表明：拉線式位移傳感器測(cè)量精度能達(dá)到0.02 mm，性能穩(wěn)定，可滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)ξ灰茰y(cè)量的需求。

MLX90316；STM32；拉線式；位移傳感器；Modbus

0 引言

位移傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的重要組成部分，其中，拉線式位移傳感器在工業(yè)測(cè)量中具有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器多采用多圈電位器作為位移傳感器轉(zhuǎn)角測(cè)量的核心部件[1]，作為機(jī)械接觸式測(cè)量元件，電位器存在易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差及測(cè)量精度低等缺點(diǎn)，而且由于受電位器圈數(shù)限制，難于滿足大位移、高精度等應(yīng)用領(lǐng)域的測(cè)量[2]，導(dǎo)致拉線式位移傳感器的應(yīng)用范圍受到很大的限制。為此，本文研究基于無(wú)接觸磁敏角度測(cè)量原理的拉線式位移傳感器技術(shù)，并開(kāi)發(fā)滿足工業(yè)測(cè)量應(yīng)用的高性能拉線式位移傳感器，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義與實(shí)用價(jià)值。

1 傳感器工作原理

拉線式位移傳感器的工作原理如圖1所示。通過(guò)設(shè)計(jì)的傳感器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可將位移測(cè)量轉(zhuǎn)化為輪轂旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量?；诖琶艚嵌葴y(cè)量原理設(shè)計(jì)測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)輪轂角位置的測(cè)量，然后角位置信息經(jīng)主控芯片計(jì)算處理后得到拉線的運(yùn)動(dòng)位移，并通過(guò)RS485通訊接口以數(shù)字信號(hào)輸出。由于磁敏感應(yīng)可實(shí)現(xiàn)非接觸角位置測(cè)量，基于此原理設(shè)計(jì)拉線位移傳感器時(shí)，量程可以不受測(cè)量元件的限制。

圖1 位移原理示意圖

根據(jù)上述測(cè)量原理，傳感器的位移如式(1)所示：

(1)

式中：x為拉線拉伸或收縮的位移；l為單圈繞線長(zhǎng)度；Δδ為拉線軸移補(bǔ)償；θ0為初始角度值；θ為旋轉(zhuǎn)之后的角度值。

由圖1可知，由于在繞線過(guò)程中拉線排列產(chǎn)生了軸向的移動(dòng)[3]，所以式(1)中的單圈繞線長(zhǎng)度與半徑R、繞線排列的寬度等參數(shù)均相關(guān)。單圈繞線長(zhǎng)度計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

式中：R為滾輪半徑；d為拉線的直徑。

為消除拉線軸向排列引起的測(cè)量偏差，對(duì)單圈繞線長(zhǎng)度進(jìn)行校正補(bǔ)償，拉線軸移補(bǔ)償如式(3)所示：

(3)

式中：h為滾輪下沿值導(dǎo)向孔的距離；w為繞線排列寬度；Q為繞線匝數(shù)。

綜合式(1)～式(3)就可以確定位移與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。

2 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由拉線、恒力彈簧、轉(zhuǎn)軸、輪轂、軸承、磁鐵和殼體構(gòu)成，如圖2所示。恒力彈簧裝于轉(zhuǎn)軸左端，拉線為直徑0.8 mm的軟性涂塑不銹鋼繩，其纏繞在輪轂上，依靠機(jī)構(gòu)和彈簧力確保拉線單層無(wú)疊壓纏繞，磁鐵固定于轉(zhuǎn)軸右端且與轉(zhuǎn)軸同軸心，磁鐵與磁敏芯片確保3 mm的軸向間隙[4]。

圖2 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

3 傳感器測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MLX90316是一款運(yùn)用三軸霍爾技術(shù)的傳感器芯片，作為角位置信息獲取芯片，具有單圈14 bit的角度分辨率，有一路SPI數(shù)字串行輸出。該芯片角度信號(hào)可以隨磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度等因素的變化進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償，在惡劣環(huán)境下仍有較高的精確度。

傳感器系統(tǒng)的主控芯片為STM32F103CBT6，該處理器為32位RISC內(nèi)核的增強(qiáng)型芯片，具備串行SPI接口和USART接口[5]，STM32F103CBT6通過(guò)SPI串行接口與MLX90316進(jìn)行通信，采集角位置信號(hào)并處理，最后通過(guò)RS485接口進(jìn)行數(shù)字量輸出。

拉線位移傳感器總體系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 傳感器總體系統(tǒng)框圖

3.1 角度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

圖4 角度信號(hào)采集電路

主控芯片的SPI時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 STM32的SPI時(shí)序圖

3.2 輸出信號(hào)接口電路設(shè)計(jì)

STM32F103具有3路USART串行接口，并可利用DMA進(jìn)行操作，通過(guò)MAX485芯片實(shí)現(xiàn)RS485數(shù)字通信功能。RS485通信傳輸數(shù)據(jù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)。RS485輸出接口電路如圖6所示，傳感器電路板實(shí)物如圖7所示。

圖6 RS485輸出接口電路設(shè)計(jì)圖

(a)

(b)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳感器工作的主程序流程如圖8所示。傳感器系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)位移信息采集基本功能的同時(shí)，開(kāi)發(fā)了一系列能夠拓展傳感器應(yīng)用領(lǐng)域以及使用戶人性化操作的功能。使用時(shí)可根據(jù)需求自行參數(shù)設(shè)置、傳感器標(biāo)定，并具有掉電位置記憶及符合標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的通訊等功能。軟件主程序主要有以下幾個(gè)模塊組成，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和參數(shù)設(shè)置模塊。軟件中斷子程序主要有芯片電壓檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。子程序?qū)崟r(shí)檢測(cè)并判斷芯片是否掉電，在掉電瞬間保存數(shù)據(jù)信息。

圖8 主程序流程圖

5 試驗(yàn)測(cè)試與分析

拉線位移傳感器性能測(cè)試試驗(yàn)如圖9所示。試驗(yàn)過(guò)程為：將0.5 m量程的移傳感器外殼固定于數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)上，傳感器拉線的拉頭與機(jī)床主軸端部固連，機(jī)床工作臺(tái)帶動(dòng)傳感器往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位移傳感器拉線的拉伸或收縮。試驗(yàn)系統(tǒng)安裝完成后，對(duì)機(jī)床和傳感器分別回零，然后操作機(jī)床運(yùn)動(dòng)，記錄機(jī)床和傳感器拉線的運(yùn)動(dòng)位移，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

圖9 拉線式位移傳感器測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，傳感器測(cè)量精度可達(dá)0.02 mm，根據(jù)線性度計(jì)算公式[8]：δ=(ΔYmax/Yout)×100%，通過(guò)計(jì)算可得傳感器的線性度達(dá)0.05%FS。

6 結(jié)論

基于STM32處理器和磁敏感角度測(cè)量芯片MLX90316，設(shè)計(jì)了一種符合標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議的拉線式位移傳感器，完成了傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路及應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)與調(diào)試。傳感器性能測(cè)試試驗(yàn)表明，拉線式位移傳感器測(cè)量精度能達(dá)到0.02 mm，線性精度達(dá)到0.05%FS，使用簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可滿足多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域?qū)ξ灰茰y(cè)量的要求。

表1 位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

[1] 王興，戚景觀.一種新的拉線式位移傳感器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.機(jī)械工程與自動(dòng)化,2012(8)：171-173．

[2] 張從鵬,徐兵,徐宏海.一種基于STM32的高精度多圈絕對(duì)角度傳感器.儀表技術(shù)與傳感器,2014(12)：13-14.

[3] 但斌斌,周鼎,王光清,等.鋼絲繩纏繞卷筒的計(jì)算原理及其應(yīng)用. 湖北工學(xué)院學(xué)報(bào),2003(4)：75-76.

[4] 劉昊，彭光正，郭海榮. 靈巧手中霍爾傳感器測(cè)角精度的仿真研究. 儀器儀表學(xué)報(bào),2010(10)：2254-2259

[5] 劉波文. ARM Cortex-M3應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)例詳解.北京:電子工業(yè)出版社,2011：144-171.

[6] WILMSHURST T. PIC嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā). 陳小文，閆志強(qiáng)，譯. 北京：人民郵電出版社,2008：259-260.

[7] 馬明建. 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù). 西安:西安交通大學(xué)出版社，2005：19-20.

[8] 馬軍山,王向朝,方祖捷,等.精密角度傳感器及其標(biāo)定技術(shù)的研究. 光學(xué)學(xué)報(bào),2001(2)：222-235.

Design of Cable-displacement Sensor Based on Magnetic Sensitive Technology

MAO Tan，ZHAO Kang-kang，DENG Shi-long，SU Yan-xin，ZHANG Cong-peng

(College of Mechanical and Electrical Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China)

A cable-displacement sensor based on magnetic sensitive technology was presented. The measuring principle of the sensor was analyzed and the analytical relationship between the displacement and angle of the cable roller was proposed. The angle signal acquisition circuit and the output interface circuit based on Cortex ARM were developed. The design of mechanical structure was accomplished. The intelligent software which can set the relevant parameters,calibrated sensor and implemented the Modbus protocol was developed. The experiment demonstrates that the measurement accuracy of sensor is 0.02 mm,and the sensor has stable performance,which can meet the needs of displacement measurement of industrial applications.

MLX90316;STM32;Cable;Displacement Sensor;Modbus

2014-10-12

TP23

A

1002-1841(2015)02-0108-03

毛潭(1982—)，碩士，講師，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)與裝備。E-mail：t.mao@163.com 趙康康(1988—)，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開(kāi)發(fā)。E-mail：junfeng_1025@126.com