曹現(xiàn)剛，史春蕾

(西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710054)

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基于PSoC的定頻調(diào)幅式電渦流傳感器的設(shè)計(jì)

曹現(xiàn)剛，史春蕾

(西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710054)

針對(duì)煤礦提升系統(tǒng)閘間隙監(jiān)測(cè)保護(hù)中存在的問(wèn)題，結(jié)合電渦流測(cè)量原理、可編程片上系統(tǒng)(PSoC)和定頻調(diào)幅式電路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于PSoC的調(diào)幅式電渦流傳感器。給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在PSoC芯片上實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生、幅值放大、整流、AD轉(zhuǎn)換以及CAN通訊等功能，詳細(xì)闡述了其軟硬件邏輯設(shè)計(jì)。

電渦流傳感器；調(diào)幅式；可編程片上系統(tǒng)(PSoC)；間隙監(jiān)測(cè)

0 引言

隨著盤式制動(dòng)閘在煤礦提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用，閘瓦與制動(dòng)盤之間間隙監(jiān)測(cè)成為保障其安全運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。電渦流傳感器作為一種非接觸測(cè)量工具，憑借其可靠性好、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)及不受油污等介質(zhì)影響的優(yōu)點(diǎn)，在煤礦提升機(jī)閘間隙監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

結(jié)合定頻調(diào)幅式測(cè)量原理及其穩(wěn)定性高的特點(diǎn)[2-3]，文中設(shè)計(jì)了一種基于可配置嵌入式單片機(jī)PSoC的定頻調(diào)幅式電渦流傳感器。該設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢(shì)在于充分利用PSoC芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字模塊資源[4]，具有設(shè)計(jì)靈活、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，減小了外圍電路，提高了抗干擾能力和集成度。

1 基本測(cè)量原理及方案設(shè)計(jì)

1.1 電渦流測(cè)量原理

圖1為電渦流形成的基本原理圖，激勵(lì)線圈通以高頻電流i1時(shí)，其周圍產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)H1，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體進(jìn)入交變磁場(chǎng)靠近線圈時(shí)，導(dǎo)體表面發(fā)生肌膚效應(yīng)并產(chǎn)生電渦流i2。根據(jù)互感原理，該電渦流會(huì)對(duì)原磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致測(cè)量線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化。其中，線圈阻抗Z是關(guān)于金屬導(dǎo)體電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、縱向距離x、橫向位置y、線圈尺寸γ、激勵(lì)電流強(qiáng)度I、角頻率ω的函數(shù)。

Z=F(ρ、μ、x、y、γ、I、ω)

當(dāng)其它參數(shù)固定，只變化x時(shí)，測(cè)量線圈的等效阻抗只與線圈到被測(cè)物之間的距離有關(guān)，經(jīng)過(guò)線性化處理后，等效阻抗Z的變化就能很好的反映出測(cè)量距離x的變化，達(dá)到電渦流傳感器測(cè)量位移的目的。

圖1 電渦流測(cè)量原理

1.2 方案設(shè)計(jì)

盤式制動(dòng)閘主要由制動(dòng)閘座、制動(dòng)閘盤和制動(dòng)閘瓦組成，工作時(shí)，油壓推動(dòng)制動(dòng)閘瓦加緊制動(dòng)閘盤，達(dá)到提升機(jī)制動(dòng)的目的。實(shí)際應(yīng)用中，提升機(jī)閘盤被盤形制動(dòng)閥反復(fù)制動(dòng)，表面容易產(chǎn)生凸起和裂紋，造成不安全事故發(fā)生，《煤礦安全規(guī)程》第431條規(guī)定：盤式制動(dòng)閘的閘瓦與制動(dòng)盤之間的間隙不得大于2 mm[1]。為此，設(shè)計(jì)的基于PSoC的定頻調(diào)幅式電渦流傳感器結(jié)構(gòu)如圖2虛線所示，由感應(yīng)線圈、振蕩電路、轉(zhuǎn)換電路、PSoC數(shù)字化設(shè)計(jì)模塊和CAN總線收發(fā)電路組成。利用PSoC提供的豐富的內(nèi)部集成數(shù)字模擬模塊，包括脈沖寬度調(diào)制PWM模塊、CAN模塊、運(yùn)算放大器Opamp模塊、ADC_DelSig模塊、比較器Comp模塊、混頻器Mixer模塊、可編程增益放大器PGA模塊，實(shí)現(xiàn)電渦流傳感器的功能設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。外加存儲(chǔ)器EEPROM為后面進(jìn)行電渦流傳感器線性化、軟件濾波算法等內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)提供存儲(chǔ)空間。并將渦流傳感器采集的信息以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的CAN通訊形式上傳給主控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與監(jiān)測(cè)。

圖2 電渦流傳感器結(jié)構(gòu)框圖

2 電渦流傳感器硬件設(shè)計(jì)

2.1 定頻調(diào)幅式測(cè)量原理

本文設(shè)計(jì)的電渦流位移傳感器采用定頻調(diào)幅式電路測(cè)量原理，其特點(diǎn)是輸出可被調(diào)理為直流電壓，可通過(guò)反函數(shù)法對(duì)傳感器進(jìn)行線性化補(bǔ)償，擴(kuò)大傳感器的測(cè)量范圍。定頻調(diào)幅式測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 定頻調(diào)幅式測(cè)量原理

振蕩器作為激勵(lì)源，給傳感器線圈L與并聯(lián)電容C組成的并聯(lián)回路提供一個(gè)頻率穩(wěn)定的高頻激勵(lì)信號(hào)，當(dāng)回路的固有頻率f0與振蕩器高頻信號(hào)頻率f1相等時(shí)，輸出的電壓u最大。實(shí)際測(cè)量時(shí)，被檢測(cè)金屬導(dǎo)體相對(duì)于傳感器線圈移動(dòng)，傳感器的等效阻抗發(fā)生變化，使測(cè)量回路失調(diào)，輸出電壓隨之變化[5]。

2.2 基于PSoC的電渦流傳感器測(cè)量電路設(shè)計(jì)

采用圖形化開(kāi)發(fā)工具PSoC Creator作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)可以根據(jù)構(gòu)造的硬件電路自動(dòng)生成高質(zhì)量的可供調(diào)用的API函數(shù)，使開(kāi)發(fā)者將精力更多地放在應(yīng)用程序編程上，成熟而又豐富的用戶模塊，提高了開(kāi)發(fā)效率、靈活性以及可靠性。

利用PSoC實(shí)現(xiàn)電渦流傳感器原理圖如圖4所示。PSoC片內(nèi)時(shí)鐘頻率設(shè)置為24 MHz，采用PWM模塊產(chǎn)生1MHz頻率的高頻方波信號(hào)；結(jié)合外部的巴特沃斯低通濾波器將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為正弦信號(hào)，激勵(lì)由感應(yīng)線圈L和電容C組成的并聯(lián)諧振回路；當(dāng)閘瓦與制動(dòng)盤之間的間隙位移變化時(shí)引起LC回路輸出電壓發(fā)生變化，由于諧振電路輸出的電壓信號(hào)是毫伏級(jí)的微弱電壓信號(hào)，采用PSoC內(nèi)部集成的具有寬帶寬、高輸入阻抗的PGA模塊對(duì)電壓幅值進(jìn)行放大；通過(guò)使用混頻器Mixer、比較器Comp以及放大器Opamp模塊構(gòu)建的精密整流電路結(jié)合外部的濾波電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為平滑的直流電壓；采用高精度的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；最終，通過(guò)CAN模塊實(shí)現(xiàn)與CAN通訊收發(fā)器之間的讀寫(xiě)，通過(guò)使用傳輸速度快、準(zhǔn)確性高的CAN總線方式將位移量直接以數(shù)字信號(hào)的形式發(fā)送，提高了傳感器輸出的抗干擾性。

圖4 基于PSoC的電渦流傳感器測(cè)量電路原理圖

2.3 關(guān)鍵模塊參數(shù)配制

基于PSoC內(nèi)部模塊可配置化的特點(diǎn)[6]，可以在不同時(shí)刻，動(dòng)態(tài)改變存儲(chǔ)在片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器中設(shè)定的參數(shù)，動(dòng)態(tài)地完成芯片上資源的重新分配，重新定義系統(tǒng)所需要功能模塊的種類和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)新的外圍元器件的功能，完成電渦流傳感器測(cè)量電路參數(shù)的調(diào)整和電路升級(jí)。設(shè)計(jì)的基于PSoC的電渦流位移傳感器關(guān)鍵模塊(PWM模塊、Mixer模塊、ADC模塊和CAN模塊)參數(shù)配置如表1所示。

表1 關(guān)鍵模塊參數(shù)

3 電渦流傳感器軟件邏輯設(shè)計(jì)

利用PSoC Creator為每個(gè)應(yīng)用模塊提供的API函數(shù)進(jìn)行電渦流傳感器軟件程序的設(shè)計(jì)，提高了編程效率，整體程序流程如圖5(a)所示。系統(tǒng)上電或者復(fù)位以后，初始化各個(gè)模塊API階段主要是對(duì)設(shè)計(jì)的模擬電路進(jìn)行配置以及設(shè)置相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，開(kāi)啟定時(shí)器中斷。為了保障提升系統(tǒng)閘間隙監(jiān)測(cè)的安全性，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，每隔1 s進(jìn)行1次通訊暢通的檢測(cè)，并以指示燈的形式在控制器中反映。如果CAN通訊暢通，按照設(shè)置的采樣率進(jìn)行AD采集，每次采集1 000個(gè)數(shù)，直至采集完成進(jìn)入中斷，加載EEPROM進(jìn)行線性化處理和軟件濾波，使實(shí)際輸出位移量保持在允許誤差范圍，并將CAN通訊標(biāo)志Re_Flag置1。如果CAN通訊標(biāo)志Re_Flag等于1，如圖5(b)CAN通訊流程所示，按照約定的CAN通訊協(xié)議進(jìn)行CAN報(bào)文的發(fā)送和接受，實(shí)現(xiàn)電渦流傳感器與控制器之間的實(shí)時(shí)通信，監(jiān)測(cè)煤礦提升系統(tǒng)閘間隙。

(a)整體程序流程圖

(b)CAN通訊流程圖圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種以PSoC芯片為核心、CAN為通訊方式，用于煤礦提升機(jī)閘瓦間隙監(jiān)測(cè)的定頻調(diào)幅式電渦流傳感器，給出了該電渦流傳感器結(jié)構(gòu)框圖，并在PSoC上實(shí)現(xiàn)了軟硬件設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了具體設(shè)計(jì)過(guò)程及參數(shù)配置，未來(lái)將進(jìn)一步探索智能算法在電渦流傳感器線性化處理中的應(yīng)用，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)的電渦流傳感器測(cè)量精度及智能化程度。

[1] 吳巖,孟憲清.新型煤礦盤形閘檢測(cè)儀的研制.工礦自動(dòng)化,2012(1):79-81.

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Fixed-frequency Modulation of Eddy Current Displacement Sensor Based on PSoC

CAO Xian-gang ,SHI Chun-lei

(College of Mechanical Engineering of Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

Aiming at some existing problems in brake clearance monitoring and protection in coal mine hoisting system,combined with the eddy current measuring principle,characteristics of Programmable System on Chip (PSoC) and fixed-frequency modulation circuit,a kind of amplitude modulated eddy current sensor based on PSoC was designed.The design of the system was given,and functions were fulfilled on one single PSoC,including signal generator,amplitude amplification,rectification,AD conversion and CAN communication,and the logic design of hardware and software was described in detail.

eddy current sensor;amplitude modulated;PSoC;brake clearance

2015-05-29

TM936.1

A

1002-1841(2015)09-0014-03

曹現(xiàn)剛(1970— )，教授，博士，主要研究方向?yàn)橹悄苡?jì)量技術(shù)與儀器，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)等。 E-mail：172833610@qq.com. 史春蕾(1989—)，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械電子工程。E-mail：402557328@qq.com