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- 基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
- 來(lái)源：www.sensorway.cn 發(fā)表于 2010/10/10
0 引言
傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器采用電位器式位移傳感器，它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測(cè)物體相連，物體的位移引起電位器移動(dòng)端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器由于其電刷移動(dòng)時(shí)電阻以匝電阻為階梯變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統(tǒng)中用作位移反饋元件的時(shí)，則過(guò)大的階躍電壓會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。因此在電位器的制作中應(yīng)盡量減小每匝的電阻值。同時(shí)，電位器式傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差，從而導(dǎo)致測(cè)量精度的下降。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)大，使用方便，價(jià)格低廉。
基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器以磁場(chǎng)為傳輸載體，將位移變換轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)角度位移，同時(shí)，通過(guò)通信接口將位移信號(hào)返回給應(yīng)用系統(tǒng)。
1 總體設(shè)計(jì)方案
基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器的功能是將拉線的機(jī)械位移換成可以計(jì)量、記錄或傳送的電信號(hào)，主要由自動(dòng)回復(fù)彈簧、輪轂、磁鐵以及數(shù)據(jù)處理單元等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由圖1可以看出，該基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器主要由6部分組成，改變傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器接觸式、易磨損、高頻特性差等缺點(diǎn)，基于磁敏角度技術(shù)的拉線式位移傳感器以磁場(chǎng)為媒介，將機(jī)械位移變化轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)角度變化，一方面解決傳統(tǒng)拉線位移傳感器的接觸方式，另一方面減少了磨損、提高了系統(tǒng)高頻特性，從而確保位移檢測(cè)精度。數(shù)據(jù)處理運(yùn)算器，用于對(duì)接收到的磁敏角度信號(hào)通過(guò)數(shù)學(xué)模型運(yùn)算為拉線的位移信號(hào)。通信接口，通過(guò)通信接口與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行通信，接收來(lái)自應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備的命令并將采集到的位移信號(hào)反饋給應(yīng)用系統(tǒng)。從而提高了數(shù)據(jù)采集精度、穩(wěn)定性和可靠性，降低了位移傳感器的應(yīng)用門(mén)檻。
各個(gè)部件功能描述如下：
(1)拉線的鋼繩纏繞在輪轂上，輪轂與一個(gè)磁鐵連接在一起，當(dāng)拉線產(chǎn)生位移的時(shí)候，帶動(dòng)輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)，輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)造成與輪轂的軸連接的磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，從而磁鐵的磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)變化的角度。拉線運(yùn)動(dòng)發(fā)生的時(shí)候，自動(dòng)回復(fù)彈簧確保拉線具備一定的張力，確保拉線的位移與磁敏角度的比例關(guān)系。
(2)磁敏角度感應(yīng)器與磁鐵安裝在同一中心軸，用來(lái)感應(yīng)磁鐵角度的變化，選用一種微處理器，該處理器讀取磁敏角度信息，并通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，將磁敏角度運(yùn)算為拉線的位移。
(3)通訊接口，微處理器通過(guò)通信接口接收來(lái)自應(yīng)用系統(tǒng)的命令并將位移信息通過(guò)通信接口返回給應(yīng)用系統(tǒng)。
2 硬件接口電路設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)處理單元由磁敏角度感應(yīng)器、微處理器單元、通信接口以及輸出模塊，具體的功能框如圖2所示。
通過(guò)分析圖2，磁敏角度感應(yīng)器選用MLX90316，它將拉線位移所導(dǎo)致的磁鐵磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為磁敏角度。微處理器單元選用32位嵌入式ARM用于對(duì)接收到的磁敏角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成磁敏角度數(shù)據(jù)的接收，由于接收到的是磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的角度，所以通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合輪轂的直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線的位移。因此，為了能夠快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和模型的建立，此處選用LPC2136作為數(shù)據(jù)處理單元。輸入、輸出控制模塊負(fù)責(zé)各種對(duì)外接口的處理，如通過(guò)通信接口接收來(lái)自應(yīng)用系統(tǒng)的命令，向應(yīng)用系統(tǒng)返回采集的位移結(jié)果，以便能夠?qū)⑽⑻幚砥鲉卧軌驁?zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)的命令并將采集結(jié)果通過(guò)接口安全可靠地發(fā)送到應(yīng)用設(shè)備，主要包含1路的RS 485和4～20 mA的電流輸出。
2．1 磁敏角度接收接口
MLX90316是一種線性霍爾芯片，采用了平面霍爾傳感技術(shù)的單片集成傳感芯片，該芯片可以用來(lái)測(cè)量與芯片表面共面的磁通密度，可以得到從0～360°的旋轉(zhuǎn)位置值，通過(guò)多種模式輸出準(zhǔn)確度很高的線性絕對(duì)位置信號(hào)，并且成本低廉、安裝簡(jiǎn)便。
MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍爾技術(shù)的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后，經(jīng)過(guò)14位微分型A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過(guò)16位DSP處理之后的數(shù)字信號(hào)分3路輸出。MLX90316輸出具有12位角度分辨率，10位角度精度，并且在一定程度上可以避免外圍溫度變化對(duì)輸出精度的影響。MLX90316具有3種輸出：由12位D／A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出；頻率為100～1 000 Hz的PWM輸出；數(shù)字模式下利用串行通信協(xié)議輸出(SPI)。
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