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          磁致伸縮線性位移傳感器數據采集系統研究與實現

          來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-06-27 10:23

            

                 磁致伸縮線性位移傳感器是一種利用磁致伸縮原理來測量物體超長行程位移的高精度位置傳感器K它不但可以測量運動物體的直線位移K還可給出運動物體的位移速度模擬信號K方便的多種輸出方式可滿足各種測量、控制和檢測的要求L對于用戶來說K如何對傳感器產生的模擬信號進行數字化以及數據采集處理是值得研究的領域L近年來K磁致伸縮線性位移傳感器K無論在精度上和性能上都有了很大提高K根據不同的應用領域K可以借助微機強大的數據處理能力K通過可靠硬件電路和軟件設計來達到信號數字化和數據高速準確采集處理的目的.
          1 磁致伸縮線性位移傳感器工作原理
                 磁致伸縮線性位移傳感器內部結構磁致伸縮線被安裝在不銹鋼管內K磁環在不銹鋼管外側可自由滑動K電子裝置中的脈沖發生器產生電流脈沖; 起始脈沖G并沿波導線傳播K產生的磁場與活動磁環固有的磁場矢量疊加K形成螺旋磁場K產生瞬時扭力K使波導線扭動并產生張力脈沖; 波導脈沖GK這個脈沖以固定的速度沿波導傳回K在線圈; 轉換器G兩端產生感應脈沖; 終止脈沖GK通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間差就可以準確地確定被測位移量K如圖2 所示L因為張力脈沖在波導管上的速度恒定K用測得的時間差乘以此速度K得出磁環的位置L 這個過程是連續不斷的K每當磁環運動時K新的位置就會被感測出來.
          1. 1 位置計算
               位置?m m = 時差?s ×傳感器的傳送速度?m m
                ·s- 1- 零點位置?mm
          1. 2 更新時間及頻率響應
                 傳感器的更新時間對伺服控制系統的應用非常重要L由于磁鐵距離傳感器的電子零件越遠K波導脈沖傳播所需的時間就越長K所以傳感器的更新時間與距離成正比L傳感器的最長更新時間可估算如下P更新時間= ; 量程+ 零點位置G?傳感器傳送速度等價頻率響應= 1?更新時間
          1. 3 性能參數
                  磁致伸縮線性位移傳感器趣购彩首页性能參數P最大分辨率 01002% F sM遲滯誤差優于 01002% F sM工作溫度 測桿 - 40℃~ + 85℃K電
          子部件 - 20℃~ + 80℃M非線性; ±%F sG 優于0105K300mm 以下最大誤差150LmM量程范圍;mm G 0- 150~ 0- 5 000L
          2 數據采集系統的硬件結構
                系統下位機選用內藏4k 字節K快擦寫EEP2ROM 的8 位單片機A T 89C51K該芯片可改寫K為系統的設計與開發調試提供了極大的方便.
          2. 1 信號調節電路
                 將所設計電路板與傳感器裝配在一起K這樣有利于系統的小型化K但卻使系統電路板處于不利的工作環境之中K如工作期間會產生噪聲和溫度升高等K為了使傳感器產生的4~ 20mA 的電流信號轉換為滿足A ?D 轉換器輸入要求的標電信號K電流信號放大電路采用了O P07 型運算放大器; 放大倍數為217K輸出電壓為0~ 10V GK由于其噪聲峰—峰值
          僅為013LV K且具有失調電壓低K輸入阻抗高K溫漂系數小等特點K較好地滿足了設計要求L
          2. 2 A/D 轉換電路
                 系統采用美國AD 公司的AD574 芯片K此芯片是一種高集成度、低價格的逐次比較式12 位A ?D K轉換結果通過三態緩沖器輸出K可直接與8 位或16位數據總線微處理器接口K芯片內部帶基準電源和時鐘K轉換時間為25LsK采用了單極性輸入K輸入信號幅度為0~ + 10V K傳感器信號經信號放大電路后加于AD574 的13 腳L AD574 工作一般分兩個過程K首先是轉換過程K當CE = 1YCS = 0YR ?C = 0 時Y啟動AD574 開始轉換K此時當A 0= 0 時K就進行12位轉換M其次是讀取12 位并行轉換結果K當CE = 1YCS = 0YR ?C = 1 時Y可一次讀出轉換的12 位數據.
          2. 3 單片機系統
                 A T 89C51 是美國A TM EL 公司推出一種低功耗、高性能的CMO S 控制器K下位機A T 89C51 的4個I?O 口中KP0、P2 口的P2. 0~ P3 作為12 位數據口K
          P1、P3 口各引腳用于管理其它各芯片的控制與聯絡信號線L它與In tel 公司的8031 完全兼容K而且還擁有4KB 的EEPROM 和128KB 的RAM K在本系統中無須擴展程序存儲器和數據存儲器就可實現系統功能K簡化了電路設計K且使系統的可靠性得到了很大的提高.
          2. 4 串行通信電路
                 在以單片機為基礎的數據采集和實時控制系統中K通常采用RS 232 接口就可完成PC 機與A T89C51 單片機之間的通信K但由于RS 232 所傳送的距離不超過30m K考慮到傳感器控制單片機系統需要遠離PC 操作機K所以K使用專用的接口將RS232 協議轉換為RS 422 協議進行遠距離傳送.
          3 數據采集系統的軟件設計
                系統的軟件設計主要包括A T 89C51 單片機的C 語言編程和上位機PC 機在W indow s98 下用V i2sual C+ + 6. 0 編程兩部分K趣购彩首页將主要討論W in2dow s98 環境下的軟件設計K在V isual C+ + 6. 0 提供的文檔與視圖分離技術和串行通信控件M SComm 的基礎上K采用切分窗口技術實現數據存放與顯示操作的分離K運用多媒體定時器和多線程技術來采集數據K并利用自定義消息和事件來協調程序的同步.
           
          3. 1 用多媒體定時器實現高精度實時數據采集
                 多媒體定時器可以通過函數T imeBeginPeriod; G設置最小定時精度K即按所需定時精度要求來設置硬件定時器8253 的計數初值K使計數器的精度提高K而且它不依賴于W indow s 的消息處理機制K而是相當于采用了一個多線程K即由函數T ime2SetEven t 產生的一個獨立線程K在一定的中斷周期到達后K直接調用回調函數進行數據處理K而不必等到應用程序的消息為空K保證了定時器的實時響應L趣购彩首页使用W indow s 系統向趣购彩首页提供的兩個可實現多媒體定時器的A P I 函數PT imerSetEven t ; G和T imeKillEven t; GK并定義了用于實現定時事件的回調函數PVo id CALLBACK T imeFunc; GK可以完成毫秒級精度的計時和控制.
          3. 2 數據處理算法設計
                 通過對傳感器的原始工作波形的分析K觀察到采樣時有周期性尖峰脈沖干擾的現象K并且考慮到數據處理時系統滯后時間常數相對較大K而采樣周期較短K采用防脈沖干擾平均值法與加權平均濾波法組合的復合濾波程序L 首先對采集到的n 個數據進行比較Y去掉最大值和最小值[ 然后對剩下的n-2 個數據@按原采樣順序S進行加權平均濾波Y具體算法是對n- 2 個采樣值分別乘上不同的加權系數之后再求累加和Y加權系數取先小后大Y以突出后若干采樣的效果Y加強系統對參數變化的趨勢的辨識Z各個加權系數均小于1Y且相加為1Y這樣Y加權運算之后的累加和就是有效采樣值Z在具體編程中Y為方便計算Y取各加權系數均為整數Y且和為256Y加權后除以256 即為所得Z本算法中取n= 8K6 個加權系數按線性遞增變化K采用此濾波方法后K效果良好.
           
          3. 3 使用多線程技術編程
                 對于數據采集系統來說K顯示處理與采集很可能會在時間上產生沖突K影響程序的正常運行K接受數據也會出錯L 因此K在程序中使用了多線程技術K并創建了一個專門的輔助線程來實現數據采集K需要采集數據時創建該線程K并在此線程中啟動多媒體定時器K在采集結束或退出程序時K刪除定時器K退出該輔助線程L此外K由于輔助線程沒有自己的消息循環K為了實現輔助線程與主線程之間的通話K趣购彩首页利用W indow s 的消息機制K定義了兩個自定義消息WM U SER + 100 ; 用于數據處理和顯示G和WM U SER + 101; 用于串口通信時發送握手信號GL當采集到數據后通過Po stM essage;G函數向主線程發消息進行數據處理和顯示L在編程過程中K趣购彩首页的輔助線程需謹慎地保持與主線程的互操作的同步K趣购彩首页使用M FC 提供的類CEven t ; 從Csyn2cO b ject 派生GK調用Ceven t∷SetEven t 設置適當的事件來同步輔助線程和主線程.
          4 試驗
                  根據所介紹的數據采集系統K研制了試驗樣機K并進行了性能測試L 通過示波器觀測K得到了KY2CM L 磁致伸縮線性位移傳感器原始工作波形圖K如圖4 所示L8 位7 段L ED 顯示器顯示最大電壓跳變范圍約在±10L SB; 相當于±12mV GL 在性能測試中K分別對靜態和動態的傳感器信號進行了數據采集與處理L靜態試驗中圖形顯示為一條直線K8 位7 段L ED 顯示器顯示數字碼跳變穩定在±L SBK數字處理效果良好K完全滿足精度要求M動態試驗中K通過以不同的速度滑動傳感器磁環來獲得不同規律的信號K得到不同的動態工作曲線K如圖5 所示為其中一條曲線K經過反復測試K實時動態響應速度滿足10Hz 頻率磁致伸縮線性位移傳感器的響應速度.
          5 結束語
                 磁致伸縮線性位移傳感器數據采集系統經數字濾波K接收的數據跳變在±L SB 范圍之內K滿足精度要求M實時動態響應速度滿足KYCM L 磁致伸縮線性位移傳感器響應速度L 試驗樣機工作性能良好K且此系統對其它傳感器信號的數據采集也具有極好的參考價值.


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