STM32的磁致伸縮智能位移傳感器研究

引言

磁致伸縮位移傳感器（MagnetostrictiveDisplacementSensor，MDS）因測量精度高、穩(wěn)定性好、測量無損耗等特性，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越多的應(yīng)用。因我國在磁致伸縮領(lǐng)域研究起步較晚，技術(shù)水平較低，目前國內(nèi)市場主要以國外產(chǎn)品為主，價格昂貴。本文通過對現(xiàn)有產(chǎn)品及技術(shù)方法進(jìn)行調(diào)研分析，以STM32單片機(jī)作為傳感器核心處理器，使用具有較大磁致伸縮系數(shù)的鐵鎵合金作為磁致伸縮位移傳感器的波導(dǎo)絲，開發(fā)一款量程為1m，分辨力為mm級，且結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低的磁致伸縮位移傳感器。

1、磁致伸縮位移傳感器原理

磁致伸縮位移傳感器研制是基于磁致伸縮材料在相交磁場的作用下具有磁致伸縮特點(diǎn)，利用材料的磁致伸縮效應(yīng)及逆效應(yīng)、超聲效應(yīng)共同完成位移的測量。測量時，在磁致伸縮材料做成的波導(dǎo)絲一端發(fā)射激勵脈沖，大電流窄脈沖信號沿波導(dǎo)絲以光速傳播，在信號建立的同時，在波導(dǎo)絲周圍建立環(huán)形磁場。根據(jù)威德曼效應(yīng)（Wiede-mann），當(dāng)環(huán)形磁場隨脈沖信號傳播至游標(biāo)位置時，環(huán)形磁場與游標(biāo)的軸向磁場疊加形成螺旋形磁場。螺旋磁場會導(dǎo)致磁致伸縮材料發(fā)生瞬間扭曲形變，引發(fā)扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波以恒定速度向波導(dǎo)絲兩端傳播，當(dāng)扭轉(zhuǎn)波傳播至檢測線圈位置時，根據(jù)維拉里（Villari）效應(yīng)，檢測線圈處磁場發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電信號的產(chǎn)生時間即扭轉(zhuǎn)波的返回時間，該時間乘以扭轉(zhuǎn)波波速即可得到待測物的距離。磁致伸縮傳感器檢測原理示意圖如下圖所示。

磁致伸縮位移傳感器檢測原理

對于指定波導(dǎo)絲，扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中的傳播速度由材質(zhì)彈性模量和密度決定，在實(shí)際生產(chǎn)中，還應(yīng)考慮材質(zhì)的應(yīng)力以及環(huán)境溫度對扭轉(zhuǎn)波波速的影響[3]。如果測定扭轉(zhuǎn)波的傳播時間，則可計算出游標(biāo)所在位置。假設(shè)脈沖發(fā)出時間為t1.激勵脈沖傳播到游標(biāo)的時間為t2.檢測線圈檢測到扭轉(zhuǎn)波的時間為t3.則待測距離L為：

2L=（t2-t1）×3×10^8+（t3-t2）×V

因激勵脈沖在波導(dǎo)絲內(nèi)以光速傳播，對于1m長的波導(dǎo)絲而言，激勵脈沖的傳播時間相對于扭轉(zhuǎn)波的傳播時間可以忽略不計，則t2≈t1.故待測距離為：

L=（t3-t1）×V

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對于鐵鎵合金，在20℃時，扭轉(zhuǎn)波波速為2855m/s，對t3的精確測量直接決定磁致伸縮位移傳感器的精度。

2、磁致伸縮位移傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)

傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由探桿和傳感器頭部組成。選取表面光滑耐磨損的碳纖維管為探桿主要材質(zhì)，由外到內(nèi)依次為電磁屏蔽層和塑料套管。塑料套管內(nèi)部裝有直徑為0.5mm、長度為1m、電阻為4Ω的Fe83Ga17鐵鎵合金波導(dǎo)絲作為傳感器的磁敏元件波導(dǎo)絲。尾部裝有拉力彈簧，頭部裝有可旋進(jìn)旋出銅制螺母，將波導(dǎo)絲拉緊，尾部楔形吸波橡膠用于吸收多余扭轉(zhuǎn)波。傳感器頭部主要安裝電路和檢測線圈。根據(jù)波導(dǎo)絲參數(shù)，檢測線圈最終確定為匝數(shù)800匝，長度為20mm，線圈內(nèi)徑為0.8mm，繞線采用線徑為0.06mm的漆包線，繞線骨架為耐高溫?zé)o電磁感應(yīng)的內(nèi)徑為0.8mm，外徑為1.1mm石英管。檢測線圈固定在傳感器頭部，并使波導(dǎo)絲置于檢測線圈縱向中心位置。探桿上裝有可沿探桿自由滑動的游標(biāo)，游標(biāo)內(nèi)部有沿探桿周向的環(huán)形磁場。游標(biāo)距離探桿頭部零點(diǎn)的距離即待測距離。

3磁致伸縮位移傳感器電路設(shè)計

傳感器硬件電路結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要由電源電路、脈沖放大電路、濾波放大電路和微控制器電路四部分組成。

磁致伸縮位移傳感器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1微控制器電路

STM32F103VET6是ST（意法半導(dǎo)體）公司開發(fā)的32位微控制器，該控制器基于ARMCortexM內(nèi)核，具有高性能、低電壓、低功耗、實(shí)時性、數(shù)字信號處理等特點(diǎn)。STM32自帶各種通信接口，如ADC、DAC、GPIO、SPI、USART、I2C、TIM定時器、IWDG獨(dú)立看門狗等，用戶可根據(jù)具體需求選用不同外設(shè)，通過軟件調(diào)用不同外設(shè)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。用戶不必像使用傳統(tǒng)單片機(jī)那樣自己搭建外設(shè)，由此簡化了設(shè)計流程，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。

本文所研發(fā)的傳感器微控制電路以STM32F103VET6單片機(jī)為核心，主要由復(fù)位、晶振、RS232串口、JTAG下載模塊組成，該電路主要用于發(fā)射3.3V激勵脈沖，采集扭轉(zhuǎn)波電壓信號。

3.2脈沖放大電路

對于選定的波導(dǎo)絲而言，激勵脈沖需達(dá)到一定要求才能激發(fā)出扭轉(zhuǎn)波。根據(jù)波導(dǎo)絲性能，通過實(shí)驗(yàn)測試，選定激勵脈沖頻率為800Hz，脈沖寬度為20μs，脈沖幅值為24V。

STM32F103VET6可發(fā)出指定頻率和占空比的3.3V的激勵脈沖，需對該激勵脈沖進(jìn)行放大才能使用，脈沖放大電路由兩部分組成。

首先使用光耦隔離器件HCPL2630將3.3V脈沖幅值提高到5V，再用5V脈沖控制MOS管FQP50N06.從而將脈沖幅值放大到24V，然后加載到波導(dǎo)絲上即可激發(fā)出扭轉(zhuǎn)波。5V激勵脈沖轉(zhuǎn)24V激勵脈沖電路如下圖所示。

5V激勵脈沖轉(zhuǎn)24V激勵脈沖

3.3濾波放大電路

STM32F103VET6自帶ADC能夠采集的電壓范圍為0~3.3V，而扭轉(zhuǎn)波信號極其微弱，最大只有50mV，且噪聲較大，為此，需對扭轉(zhuǎn)波進(jìn)行濾波放大。濾波電路選取SGMICRO公司推出的高精度輸出運(yùn)算放大器SGM8252（雙），采用壓控電壓源同相輸入二階濾波[11]電路，將原始信號高頻噪聲和低頻噪聲過濾，留下頻率為10~80kHz的扭轉(zhuǎn)波信號即可。放大電路同樣采用運(yùn)算放大器SGM8252（雙），采取兩級放大，將信號放大64倍，使信號幅值放大至2~3.3V。原始扭轉(zhuǎn)波濾波電路和原始扭轉(zhuǎn)波放大電路如下圖所示。

原始扭轉(zhuǎn)波濾波和放大電路

3.4電源電路

系統(tǒng)采用24V可調(diào)直流電源供電，使用L7805ABVG負(fù)責(zé)24V轉(zhuǎn)5V，低壓差線性穩(wěn)壓（LDO）/LD11173.3負(fù)責(zé)5V轉(zhuǎn)3.3V。24V供給波導(dǎo)絲用于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，5V供給光耦隔離器件HCPL2630.3.3V供給主芯片及其他芯片。

4、磁致伸縮位移傳感器軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，編寫程序采用通用定時器發(fā)送激勵脈沖，高級定時器TIM1的第1通道記錄激勵脈沖發(fā)射時間并開始計時。采用STM32F103VET6自帶模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC2進(jìn)行扭轉(zhuǎn)波電壓采集，當(dāng)采集到的電壓值高于設(shè)定閾值時，指定I/O口GPIOC6輸出高電平，否則該I/O輸出低電平。用高級定時器TIM1的第4通道和第3通道分別接收GPIOC6的上升沿和下降沿。當(dāng)接收到的脈沖幅值和脈沖寬度都大于設(shè)定閾值時，認(rèn)為此脈沖為扭轉(zhuǎn)波信號，即判定該返回電壓值是扭轉(zhuǎn)波返回信號，讀取TIM1第4通道的時間，乘以波速即可得到待測距離。STM32F103VET6的I/O輸出速度最高可配置為50MHz。扭轉(zhuǎn)波的傳播速度是2855m/s，則測量分辨力可達(dá)到（2855m/s）/50MHz=0.057mm，即十分之一毫米級分辨力，完全滿足設(shè)計要求。本文通過單片機(jī)I/O口GPIOC6發(fā)出的高低電平信號代替扭轉(zhuǎn)波信號，避免了繁瑣的信號整形電路，同時不影響測量精度。

5測試與分析

5.1誤差分析

使用傳感器對正反兩個方向90cm進(jìn)行測量，以米尺為標(biāo)準(zhǔn)，將測量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，計算出絕對誤差，測量結(jié)果如表1所列。由表1可見，絕對誤差最大為0.36cm。

在完成絕對誤差計算后，計算相對誤差，最大相對誤差為-2.9%。

5.2非線性誤差

非線性誤差（又稱線性度）=最大誤差/量程，由表1可知，在進(jìn)行正向測量85.00cm時，絕對誤差最大為0.36cm，故非線性誤差=0.36/90.00=0.4%。

以標(biāo)準(zhǔn)值作為橫坐標(biāo)，實(shí)際測量值為縱坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合。正向行程實(shí)測數(shù)據(jù)線性擬合直線關(guān)系式為：

y=1.0045x-0.1478（1）

R2=1（2）

反向行程實(shí)測數(shù)據(jù)線性擬合直線關(guān)系式為：

y=1.0034x-0.143（3）

R2=1（4）

由式（2）和式（4）可知，正反行程擬合直線相關(guān)系數(shù)的平方均為1.表明實(shí)際測量各個點(diǎn)聚集在一條直線附近，線性關(guān)系良好。

表1磁致伸縮位移傳感器正向與反向測量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較

5.3分辨力

本文采用米尺作為標(biāo)準(zhǔn)，人工采集數(shù)據(jù)，肉眼觀測，測試傳感器最大分辨力。測試方法見表2.選取1~10mm十個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行多次測量，觀察測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的差異，從而判斷傳感器的分辨力。

表2傳感器最大分辨力測試

由表2可知，在標(biāo)準(zhǔn)值大于4mm時，相對誤差已經(jīng)低于3%，而在小于4mm時，傳感器測量值波動較大，故認(rèn)定該型傳感器分辨力為4mm。

結(jié)語

利用外設(shè)豐富的STM32為傳感器核心，選取磁致伸縮系數(shù)大的鐵鎵合金制作成波導(dǎo)絲，根據(jù)波導(dǎo)絲特性確定激勵脈沖參數(shù)設(shè)計合理的脈沖放大電路，可獲得扭轉(zhuǎn)波信號。利用STM32自帶ADC采集濾波放大后的電壓信號，通過軟件計算實(shí)現(xiàn)了分辨力在毫米級非線性誤差在0.4%的磁致伸縮位移傳感器的研制，該型傳感器結(jié)構(gòu)簡單，為該型傳感器的商品化生產(chǎn)提供了切實(shí)可行的設(shè)計方案。

審核編輯 黃宇