- 一種基于磁敏技術的位移傳感器的研究與設計
- 來源：微型機與應用 發表于 2010/8/26
對物體位移進行非接觸測量是目前位移測量技術的重要發展方向之一,這是由于非接觸測量方法具有高速、不接觸被測物體等優點。傳統的接觸式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關系的電阻或電壓輸出[1]。為實現測量位移目的而設計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關系。非接觸式位移傳感器種類繁多,如時柵位移傳感器[2]、線位移差分傳感器[3]、容柵位移傳感器[4]、電感式位移傳感器[5]等,這些傳感器的精度高,但結構復雜、成本高,對被測物體運動速度還附加了限制,如必須運行平穩、無突變和相對低速等。
本文從工程應用的角度，設計了一種基于磁敏技術的位移傳感器，該傳感器在精度、抗震、耐用度等方面有了成功的改善。
1 磁敏傳感器工作原理
在基于磁敏技術的位移傳感器上,選擇MLX90316作為磁敏角度的采集。
MLX90316是一種線性霍爾芯片，在霍爾效應傳感器上增加集成磁場集中器(IMC)的單片集成傳感芯片[6]。能夠在單點感應到磁通量的所有3個分量，因此，可以得到360°的旋轉位置值，通過多種模式輸出準確度很高的線性絕對位置信號，并且成本低廉，安裝簡便。而普通的水平（或者平面）霍爾傳感器只能感應垂直于IC表面的磁通量。
MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號經過放大處理后，經過14 bit微分型A/D轉換器進入芯片微處理器(DSP)，再經過16 bit DSP處理之后的數字信號分3路輸出。MLX90316輸出具有12 bit角度分辨率，10 bit角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12 bit D/A轉換為模擬量輸出；頻率為100 Hz~1 000 Hz的PWM輸出；數字模式下利用串行通信協議輸出(SPI)。
在本設計中，選擇SPI接口輸出。
2 硬件接口電路設計
基于磁敏技術的位移傳感器主要由3個部分組成，前端角度信號采集、數據處理單元、數據通訊單元，具體的功能框圖如圖1所示。
磁敏角度感應器選用MLX90316，它將位移所導致的磁鐵磁場轉動的角度轉換為磁敏角度。
微處理器單元通過SPI接口與MXL90316進行數據通信，用于完成磁敏角度數據的接收，由于接收到的是磁場轉換的角度，所以通過建立數學模型，結合輪轂直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線的位移。傳感器的所有任務最終都掛在實時操作系統μC/OS-II上運行，因此不僅要考慮微控制器的內部資源，還要看其可移植性和可擴展性。LPC2136是Phlips公司生產的32 bit ARM7TDMI-S微處理器[7],嵌入256 KB高速Flash存儲器。采用3級流水線技術，取指、譯碼和執行同時進行，能夠并行處理指令，提高CPU運行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，抗干擾能力強，適用于各種工業控制。
數據通信單元設計了1路RS485通信接口，負責接收來自應用系統的命令、向應用系統返回采集的位移結果。
2.1 SPI接口電路設計
MLX90316具備1路SPI接口,用于角度信號的數據，由于串行通信的輸出信號直接來自于內部DSP輸出，SPI輸出模式更穩定，誤差更小，并且具有更高的抗干擾能力，在本設計中，選用SPI接口，具體的硬件接口連接電路如圖2所示。在圖2中，MLX90316的SPI 3根線與LPC2136的SPI0口連接。SPI(Serial Protocol Interface)總線接口是一種同步串行外設接口。這是一個4根信號線的串行接口協議，包括主、從兩種模式。這4根信號線分別是：時鐘線(SCK)、數據輸入線(MISO)、數據輸出線(MOSI)和從設備使能線(/SS)。
SPI接口中，LPC2136作為主控端，MLX90316作為從屬端。SPI通信模塊主要讓LPC2136讀取MLX90316的磁敏角度，SPI的通信過程為：主控端先輸出一個0xAA以及一個0xFF作為通信起始信號，接著輸出8個0xFF，而從端會同時輸出2個0xFF、4 B的角度信號以及4個0xFF，從而完成一次數據通信。具體的通信時序如圖3所示。
2.2 RS485通信接口電路設計
RS485總線以其結構簡單、通信速率高、傳輸距離遠等諸多優點,在工業控制系統中得到了廣泛應用。它采用平衡發送和差分接收方式實現通信，發送端將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號A、B兩路輸出，經過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號[8]。由于傳輸線通常使用雙絞線,又是差分傳輸，所以有極強的抗共模干擾的能力,總線收發器靈敏度很高。
在基于磁敏技術的位移傳感器中設計了一路RS485信號輸出，RS485接口芯片采用MAX3485,用于與應用系統進行位移數據交換。如圖4所示，為了確保數據通信的可靠性，通信接口采用了光電隔離芯片6N137。
3 位移計算算法實現
MLX90316采集旋轉的角度數據，ARM根據獲取的角度數據，通過建立數學模型計算為直線位移數據。ARM通過RS485通信接口與應用系統的設備進行通信，將接收來自應用系統設備的命令，并將采集到的位移信號反饋給應用系統。
位移計算公式為：
其中，R為引起MLX90316角度變換的線性位移距離角度變換的中心半徑,φ為直線位移所導致的MLX90316的旋轉的角度，L為直線位移。
4 工程應用與結論
(1)磁鐵選擇
水平磁通量均勻的磁鐵都可以使用,磁鐵的大小和材料并不重要。在機械、磁場和熱容限之內,水平磁通量必須在20-70 mT(例如,45 mT±25 mT)范圍以內。
(2)氣隙距離
在氣隙問題上,如果距離IC表面的實際氣隙大于7.5 mm，環形磁鐵要優于盤形磁鐵。磁鐵可以放在軸的末端，使用環形磁鐵時可以繞在軸上。也可以使用特殊的磁鐵設計，獲得旋轉位置傳感器正常的傳輸特性。
在“基于FPGA技術的堤壩位移智能檢測系統”中，本傳感器用于堤壩根石位移采集。利用RSS485總線將35個監測點組成星型網絡，從試驗結果可以看出，該傳感器克服傳統拉線式位移傳感器的易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差等缺點，提高了測量精度。
參考文獻
[1] 張福學.實用傳感器手冊[M]. 北京:電子工業出版社, 1988.
[2] 盧國綱.位移測量技術及其傳感器的最新發展[J].WMEM, 2005，19(4):72-73.
[3] 彭東林,劉小康,張興紅,等.精密時柵位移傳感器研究[J].制造技術與機床,2005,55(11):98-10.
[4] 張銀芳.容柵位移傳感器的工作原理及其特點.精密制造技術,2005,41(4):58-89.
[5] 楊朝英,徐龍祥.磁軸承系統中差動變壓器式位移傳感器的研究[J].傳感器技術,2005,24(9):8-9.
[6] Melexis Mieroeleetronie Integrated System． MLX90316 Rotary Position Sensor IC.2005.
[7] PHLIPS公司. PLC2316 User Manual. PHLIPS公司.2004.
[8] 虞日躍,史洪源.RS485總線理論與實踐[J].電子技術應用,2001,27(11):55-57.
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