李學(xué)勝，魏韶輝，孫穎奇，盧欣春

[南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 210003]

0 引言

位移測(cè)量是目前最基本的監(jiān)測(cè)量，已經(jīng)滲入到各行各業(yè)。通過位移監(jiān)測(cè)可以為工程安全預(yù)警、水庫水壩液位預(yù)警、污水處理等提供可靠的依據(jù)，進(jìn)而減少經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和不必要的資源浪費(fèi)。隨著我國位移監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)位移傳感器的測(cè)量要求越來越高，不僅要求其測(cè)量精度高、使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好，而且要求其測(cè)量范圍大，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。目前，常用的位移傳感器有電阻式、電容式、電感式、光柵式、超聲波、雷達(dá)式等[1]。

本文設(shè)計(jì)的位移傳感器是基于磁致伸縮效應(yīng)的磁致伸縮位移傳感器，可以實(shí)現(xiàn)非接觸、絕對(duì)式測(cè)量，具有測(cè)量精度高、量程大等特點(diǎn)，由于磁鐵和傳感器可以實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量，因此傳感器可應(yīng)用于易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕等惡劣的環(huán)境下，此外，傳感器能承受高溫高壓和高振蕩的環(huán)境。因此，目前已被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、環(huán)保、制藥等民用領(lǐng)域以及艦船、飛機(jī)、導(dǎo)彈等軍事領(lǐng)域[2-3]。

1 傳感器的工作原理

磁致伸縮位移傳感器是在法拉第電磁感應(yīng)定律、鐵磁體磁致伸縮效應(yīng)、超聲波傳輸原理等基礎(chǔ)上，配合現(xiàn)代電子技術(shù)和半導(dǎo)體工藝研制的高精度位移測(cè)量裝置，其工作原理如圖1所示。當(dāng)傳感器工作時(shí)，脈沖發(fā)生器將一個(gè)問詢脈沖加載到波導(dǎo)絲上，該脈沖會(huì)以電磁波速沿波導(dǎo)絲向前傳播，由電磁場(chǎng)理論可得，在問詢脈沖的影響下，波導(dǎo)絲周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于波導(dǎo)絲的環(huán)向磁場(chǎng)。當(dāng)環(huán)向磁場(chǎng)與活動(dòng)磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)相遇時(shí)，就會(huì)互相疊加產(chǎn)生螺旋形磁場(chǎng)，由磁致伸縮效應(yīng)可得，該螺旋形磁場(chǎng)使波導(dǎo)絲在活動(dòng)磁鐵當(dāng)前位置處產(chǎn)生瞬時(shí)扭轉(zhuǎn)形變，形成扭轉(zhuǎn)應(yīng)變脈沖，應(yīng)變脈沖是一種機(jī)械波，沿著波導(dǎo)絲向兩端傳播，當(dāng)扭轉(zhuǎn)波傳播到波導(dǎo)絲末端時(shí)，被阻尼器吸收，防止波的反射干擾信號(hào)檢測(cè)。當(dāng)扭轉(zhuǎn)波傳播到波導(dǎo)絲頂端時(shí)，檢測(cè)線圈能感應(yīng)到由扭轉(zhuǎn)波所引起的波導(dǎo)絲磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，于是在線圈兩端就有感應(yīng)電壓輸出。根據(jù)脈沖發(fā)射與電壓信號(hào)輸出的時(shí)間差計(jì)算活動(dòng)磁鐵的位置，從而得到待測(cè)物體的位移量。

圖1 傳感器工作原理圖Fig.1 Sensor working principle diagram

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括密封堵頭、擋圈、位置磁鐵、波導(dǎo)絲保護(hù)管、測(cè)量電路密封殼體、密封電纜接頭等，儀器內(nèi)部設(shè)有波導(dǎo)絲、波導(dǎo)絲屏蔽層、消回波裝置、波導(dǎo)絲直線度調(diào)節(jié)裝置、測(cè)量線圈、測(cè)量電路板等。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sensor structure diagram

根據(jù)傳感器測(cè)量原理可知，應(yīng)變脈沖是由問詢脈沖產(chǎn)生的磁場(chǎng)與位置磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互疊加致使波導(dǎo)絲發(fā)生變形而產(chǎn)生，然后通過檢測(cè)此脈沖，從而得到位置磁鐵的位置。目前市場(chǎng)上銷售的該類傳感器大多采用圓環(huán)或半圓環(huán)形狀的永久性磁體作為位置磁鐵，其磁場(chǎng)沿波導(dǎo)絲方向，再加上磁鐵的厚度，相當(dāng)于磁場(chǎng)有一定的長(zhǎng)度。所以，當(dāng)位置磁鐵沿波導(dǎo)絲從左向右移動(dòng)與從右向左移動(dòng)，位置磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)與問詢脈沖產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加產(chǎn)生應(yīng)變脈沖的位置出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致傳感器的回差增大。為了減小儀器的回差，將位置磁鐵設(shè)計(jì)為沿圓周均勻分部的多個(gè)磁鋼，且磁鋼的磁場(chǎng)方向垂直與波導(dǎo)絲。

為了保證波導(dǎo)絲在其保護(hù)管中的直線度，提高傳感器的測(cè)量精度，該傳感器設(shè)置有波導(dǎo)絲拉緊裝置，安裝時(shí)通過調(diào)節(jié)該裝置，可以保證波導(dǎo)絲的直線度，提高儀器的測(cè)量精度。

機(jī)械波在波導(dǎo)絲中的傳播速度不僅與波導(dǎo)絲的密度、應(yīng)力、材質(zhì)等物理量有關(guān)，而且與環(huán)境溫度也密切相關(guān)。為了減少溫度對(duì)傳感器測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響，儀器設(shè)置有校準(zhǔn)裝置，通過測(cè)量位置磁鐵與校準(zhǔn)裝置之間的距離差來測(cè)定位置磁鐵的相對(duì)位移，可以提高儀器的性能。

另外，為了減少回波對(duì)測(cè)量的影響，在波導(dǎo)絲兩端均設(shè)置有消回波的材料。

3 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

磁致伸縮位移傳感器測(cè)量電路硬件原理如圖3所示?？梢钥闯觯瑴y(cè)量電路主要由MCU模塊、問詢脈沖加載模塊、回波信號(hào)檢測(cè)模塊、TDC模塊等構(gòu)成。MCU模塊用于協(xié)調(diào)各芯片工作，產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，將測(cè)量結(jié)果通過串口發(fā)送。問詢脈沖加載模塊包含了一個(gè)高階的電荷泵儲(chǔ)能電路以及一個(gè)放電控制場(chǎng)效應(yīng)管。高階電荷泵用于在充電電容Ccharge兩端產(chǎn)生高達(dá)36V以上的激勵(lì)電壓，放電控制場(chǎng)效應(yīng)管受MCU控制，導(dǎo)通后的瞬間將充電電容上儲(chǔ)存的電量經(jīng)由波導(dǎo)絲泄放，以產(chǎn)生所需要的高幅值問詢電流脈沖。回波信號(hào)檢測(cè)模塊包含了一個(gè)電壓放大倍數(shù)約幾千倍的窄帶放大電路以及由高速比較器和施密特觸發(fā)器構(gòu)成的比較整形電路。回波脈沖檢測(cè)模塊用于將同軸線圈接收到的回波信號(hào)提取出來，并整形成時(shí)間測(cè)量所需要的陡峭邊沿信號(hào)。TDC模塊主要包含了時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片GP22以及其外圍電路。GP22擁有45ps的時(shí)間測(cè)量分辨率，可大幅度提高傳感器的位移檢測(cè)分辨率[4]。

圖3 磁致伸縮位移傳感器測(cè)量電路原理圖Fig.3 Schematic of magnetostrictive displacement sensor

4 軟件設(shè)計(jì)

磁致伸縮位移傳感器測(cè)量程序流程如圖4所示。測(cè)量電路上電后，MCU首先通過SPI總線完成對(duì)TDC芯片GP22的初始化設(shè)置。完成初始化后，MCU通過數(shù)字I/O向電荷泵電路輸出充電脈沖（Charge Pulse），在幾萬個(gè)充電周期后，充電電容Ccharge兩端的電壓約可達(dá)到36V以上。完成充電過程后，MCU給出脈寬的放電脈沖信號(hào)（Discharge Pulse），放電脈沖信號(hào)亦用作GP22時(shí)間測(cè)量的開始信號(hào)進(jìn)入START端。放電控制場(chǎng)效應(yīng)管在接收到放電脈沖信號(hào)后對(duì)地導(dǎo)通，將充電電容上儲(chǔ)存的電量加載到波導(dǎo)絲上，產(chǎn)生瞬間問詢電流脈沖。問詢電流脈沖在波導(dǎo)絲上產(chǎn)生環(huán)向磁場(chǎng)，沿波導(dǎo)絲以電磁波波速向前傳播，與位置磁鐵的軸向磁場(chǎng)相互作用，在波導(dǎo)絲中產(chǎn)生應(yīng)變脈沖，應(yīng)變脈沖以機(jī)械波速在波導(dǎo)絲中傳播，傳播至同軸線圈處時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓通過儀表放大器進(jìn)行放大，再由雙運(yùn)放構(gòu)成的帶通濾波器進(jìn)行放大，放大后的回波信號(hào)峰值為1.5～3V。放大后的回波信號(hào)再經(jīng)過高速比較器與施密特觸發(fā)器以整形成陡峭的脈沖信號(hào)作為時(shí)間測(cè)量終止信號(hào)。時(shí)間測(cè)量終止信號(hào)進(jìn)入時(shí)間測(cè)量芯片進(jìn)行測(cè)量。為了消除問詢電流脈沖在線圈處產(chǎn)生的干擾，MCU設(shè)定延時(shí)后再接收回波脈沖信號(hào)。在獲取時(shí)間測(cè)量結(jié)果后，MCU將時(shí)間測(cè)量結(jié)果乘以標(biāo)定系數(shù)作為位移測(cè)量結(jié)果，通過串行通信接口，經(jīng)由RS485芯片MAX3741向外發(fā)送。為了消除液面抖動(dòng)對(duì)測(cè)值的影響，軟件中加入了濾波算法。

圖4 測(cè)量程序流程圖Fig.4 Flowchart of measurement program

5 技術(shù)指標(biāo)

（1）測(cè)量范圍：0～1000mm；

（2）示值誤差：≤±0.1%FS；

（3）重復(fù)性：≤±0.02%FS；

（4）回差：≤ 0.02%FS；

（5）環(huán)境溫度：-25℃～+55℃

6 試驗(yàn)

6.1 性能試驗(yàn)

對(duì)自行設(shè)計(jì)的兩臺(tái)儀器進(jìn)行了性能測(cè)試，依次將儀器安裝在標(biāo)定架上，位置磁鐵固定在移動(dòng)平臺(tái)上，通過移動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)使位置磁鐵隨之運(yùn)動(dòng)，每100mm一個(gè)擋位，每只儀器進(jìn)行3個(gè)正返程測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)如表1～表4所示。

從表1、表2的數(shù)據(jù)可知：試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別對(duì)示值誤差、重復(fù)性誤差和回差進(jìn)行了考核，其性能指標(biāo)如表5所示。

表1 1號(hào)儀器測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of the fist instrument

表2 1號(hào)儀器數(shù)據(jù)分析Tab.2 Data analysis of the fist instrument

表3 2號(hào)儀器測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of the second instrument

表4 2號(hào)儀器數(shù)據(jù)分析Tab.4 Data analysis of the second instrument

表5 1、2號(hào)儀器性能指標(biāo)總結(jié)Tab.5 Summary of performance indicators for the two instrument

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在測(cè)量范圍內(nèi)，儀器的示值誤差、重復(fù)性誤差、回差均在儀器設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)。

6.2 穩(wěn)定性試驗(yàn)

試驗(yàn)條件，在大氣條件下，夜晚溫度較低為5℃左右，白天房間開有空調(diào)，溫度較高為25℃左右，溫度變化范圍為20℃左右。

將儀器與位置磁鐵同時(shí)固定在一試驗(yàn)平臺(tái)上，保證兩者之間不出現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)，通過RS485通信線與電腦連接，接通電源，1號(hào)儀器拷機(jī)時(shí)間為2015/03/17～2015/3/26，歷時(shí)9天，2號(hào)儀器拷機(jī)時(shí)間為2015/03/18～2015/3/26，歷時(shí)8天，測(cè)量頻率均為1h/次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。

圖5 1號(hào)樣機(jī)穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.5 Diagram of stability test data of the first instrument

圖6 2號(hào)樣機(jī)穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.6 Diagram of stability test data of the second instrument

從圖5、圖6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過對(duì)儀器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)測(cè)試，即使在溫度變化20℃左右的環(huán)境下，1號(hào)樣機(jī)變化了0.45mm，2號(hào)樣機(jī)變化了0.35mm，且兩臺(tái)樣機(jī)均成周期性變化，由此可得儀器穩(wěn)定性良好。

7 結(jié)束語

本文基于磁致伸縮原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了位移傳感器，該位移傳感器采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行回波信號(hào)的時(shí)間測(cè)量，顯著提高了傳感器測(cè)量分辨率。此外，傳感器還通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了測(cè)量性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的磁致伸縮位移傳感器具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、回差小等優(yōu)點(diǎn)，可滿足水利水電行業(yè)位移測(cè)量需求。

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李學(xué)勝（1979—），男，工程師，主要研究方向：安全監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)計(jì)研發(fā)。E-mail：lixuesheng@sgepri.sgcc.com.cn