磁致伸縮位移傳感器是一種以磁致扭轉波為傳播媒介的傳感器, 這種傳感器安裝簡單、方便, 能承受高溫、高壓和高振蕩的環境。廣泛應用于易爆、易燃、易揮發、有腐蝕的場合, 但在國內設計和應用的都比較少。文中基于磁致伸縮位移傳感器的原理, 闡述了一種可以提高磁致伸縮位移傳感器精度的位移測量方法。
1、磁致伸縮位移傳感器的原理
磁致伸縮位移傳感器 (Magneto strictive Position Sensor), 主要由波導鋼絲1,位置磁鐵4,波檢測器3和電子系統5組成。位置磁鐵通常裝在一個運動部件A上,而傳感器主體則裝在一個固定的部件B 上。傳感器工作時, 電子信號和處理系統5以時間間隔為T1發給磁致波導鋼絲1的激勵脈沖電流ie。該脈沖電流將產生一個圍繞波導鋼絲1的旋轉磁場。位置磁鐵4也產生一個固定的磁場。在這兩個磁場的正交作用下,波導鋼絲產生磁致彈性伸縮, 形成一個磁致旋轉波2。該旋轉波沿著波導鋼絲以2800ms 的速度向兩邊傳播。當它傳到波導鋼絲一端的波檢測器3時被轉換成電信號ua。通過測量磁致旋轉波從位置磁鐵4傳到波檢測器3的時間T0就能確定位置磁鐵和波檢測器之間的距離。這樣,當部件A和B產生相對運動,通過磁致旋轉波位移傳感器就可以確定部件A的位置和速度。
2、位移測量原理和常規方法分析
磁致伸縮位移傳感器的位移計算非常簡單, 將所測量的時間差乘以磁致伸縮扭轉波的傳播速度: 位置=時差×扭轉波傳播速度- 零點位置 (零點位置為零區與死區之和)。由于磁致伸縮材料采用圓形截面絲,根據 Pochhammer 的三維彈性理論, 扭轉波在圓截面桿中的傳播形式是關于圓柱中心軸對稱的, 其中: G 為磁致伸縮材料的切變模量, Θ為磁致伸縮材料的密度值。
那么位移L = c13T0-L0(其中:c1為應變波的傳播速度,T0為時間間隔,L0為零點位置, 零點位置等于零區與死區之和)。可知,位移測量誤差 △L= △c13T0+△T03c1,其中對具體的波導管來說,在一定溫度范圍內,G和Θ都是恒定的, 因此c1是恒定的,即△c1=0,那么位移測量的誤差主要由時間量檢測的誤差△L=△T03c1,因而時差的測量是計算位置精度的關鍵。電子技術及計算機技術的發展為精確測量提供了大量高性能、小體積的器件和眾多算法。利用現代計算機計數及電子技術, 可對脈沖聲波的傳播時間進行精確測量。通常采用數字電路容易達到低噪聲和高精度的特點。電子電路由外置控制器提供觸發信號。傳感器電子接收電路利用觸發脈沖和回波脈沖調制產生一個寬脈沖, 調制后的脈沖寬度與磁鐵位置成正比。利用數字計數方式來對寬脈沖進行測量, 計數功能的實現就是要保證在觸發脈沖開始時計數, 而在接收到回波信號后停止計數。通過計數器的計數值就可以計算位移。
兩個窄脈沖信號分別為觸發脈沖和回波脈沖。利用這兩個窄脈沖信號調制出來的脈沖寬度分別為 T 2 和 T 3。觸發信號的時間 T 1 已知。如果計數器的時鐘頻率為 f, 周期為 T。
如果系統計數時鐘頻率為 50M H z, 則時間誤差為±20ns, 位移誤差為 56Λm。由此可見, 如果達到系統高精度要求, 這種簡單的計數方式需要很高的時鐘頻率, 而在這樣的高頻狀態下, 系統抗電磁輻射力又對系統的成本提出了更高的要求。如果不使設計陷入兩難境地, 應該尋求新的測量方式。
3、數字相移脈寬時間測量方法
所謂移相是指對于兩路同頻信號, 以其中一路為參考信號, 另一路相對于該參考信號做超前或滯后的移動形成相位差。數字移相通常采用延時方法, 以延時的長短來決定兩數字信號間的相位差, 以四相移為例,闡述數字相移脈寬的測量。
時鐘信號 CLK0依次進行90°移相,得到 CLK,CLK1和CLK2,這四路時鐘信號驅動四個相同的計數器對待測信號進行計數。設時鐘頻率為 f, 周期為 T , 四個計數器的計數值分別為m0,m,m1,m2,則最后的脈寬測量值為:T0=(m0+m+m1+m2)3T。可以看到, 這種計數方式的時鐘頻率相當于將原始計數時鐘進行4倍頻,以4f的頻率進行測量, 因而將測量精度也提高到原來的四倍。將數字相移脈寬時間測量方法用于測量圖 2 中的兩個已調制信號, 則可以極大的提高系統精度, 改善系統性能。如果原來的系統時鐘為50M H z, 系統的等效時鐘為 200M H z, 如果不考慮各路計數時鐘間的相對延遲時間誤差, 其測量的誤差降為原來的四分之一, 僅為 5Λm。同時, 這種方法保證了整個電路的工作頻率仍為 f, 避免了時鐘提高帶來的一系列問題。
4、數字相移時間測量的實現
由于傳感器器件有效長度為 150mm , 則最長時差為 Tmax= 15mm2800m (s) = 53. 57Λs 系統采用 50M H z時鐘, 則計數值為M max≈ 2680, 為了便于與數字處理系統接口, 采用八位計數器異步串連計數, 則對于每一路時鐘需要 4 個計數器。在系統讀取時, 依次從高到低讀取 8 位計數值。由于時鐘為50MHz,產生 90°的相移需要的時間延時為5ns。
數字相移脈寬時間測量的基本點在于時鐘信號的相位延遲, 而相位延遲在實際實現中是通過時間波形的延遲來實現,因而實現準確的和確定的電路延遲對于該模型的完整性有重要作用。實現延時有多種方法,如采用分立元件實現,但這種方法存在電路復雜、可靠性差等缺點。文中采用 FPGA 器件實現高精度的延時具有電路簡單、功能強、修改方便和可靠性高等優點。RTEX2II系列 FPGA 器件有 4～12個數字時鐘管理器DCM , 每個DCM 都提供了應用范圍廣、功能強大的時鐘管理功能。如時鐘去時滯、頻率合成及移相等。它利用延時鎖定環DLL,消除時鐘焊盤和內部時鐘引腳間的擺動,同時它還提供多種時鐘控制技術, 實現時鐘周期內任意位置的精確相位控制, 非常適合時序微調應用, 對設置和保持時序對準非常關鍵。DCM相移具有可變相移和固定相移兩種模式。設計中, 由于延時量由用戶外部輸入提供, 故采用可變相移模式。在可變相移模式中, 用戶可以動態地反復將相位向前或向后移動輸入時鐘周期的 1256。可變相移模式中。
當 PSEN信號有效, 則相移值可以由與相移時鐘PSCL K 同步的 PS IN CDEC 信號決定動態地增加或減少。設計中相移時鐘由輸入時鐘提供, PSDONE輸出信號與相移時鐘同步, 它輸出一個相移時鐘周期的高電平表示相移已經完成, 同時表示一個新的相移可以開始。輸入時鐘經過DCM 移相電路移相后, 得到所需延時之后的時鐘輸出。設計采用自頂向下的設計方法,采用硬件描述語言VHDL 完成DCM 移相、狀態機控制及參數輸入三大功能模塊的設計輸入。DCM 的相移模式為可變相移模式。根據用戶輸入的所需延時量, 在-64～+64之間取一個整數相移值, 通過時鐘選擇器選擇用CL K0、CL K1 實現 0～ 10ns 的多種時延。文中采用6個DCM ,兩個一組,每一組DCM 實現 90°的相移, 將三組串連, 四個節點的輸出就分別是原始時鐘、相移 90°時鐘、相移 180°時鐘、相移 270°時鐘。實際上,由于 FPGA 器件編程的方便性, 可以充分利用這種特點, 以實現更多倍數的倍頻, 6倍頻、9倍頻甚至更大倍數的倍頻等等, 實現原理是一樣的, 具體應根據實際要求來做。由于篇幅原因,對VHDL編程及其代碼不再贅述。
5、結論
文中提出的方法實際上是對一路基準時鐘利用相移產生幾路等時差的時鐘進行計數, 所以該技術的關鍵問題在于相移精確, 而對于計數器的要求不是太高。這樣利用 FPGA 可以滿足參數要求, 而且具有體積小、功耗低、性能穩定、設計調試方便等優點。模擬的移相器無法達到要求, 只能利用數字移相器件來滿足精度要求, 但目前該器件價格非常高, 一般難以接受。如果能夠利用 FPGA 這樣的可編程器件做出高精度的數字移相電路必將有的利用價值。
