基于磁敏技術(shù)的位移傳感器的設計

對物體位移進(jìn)行非接觸測量是目前位移測量技術(shù)的重要發(fā)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(yōu)點(diǎn)。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(guò)電位器元件將機械位移轉換成與之成線(xiàn)性或任意函數關(guān)系的電阻或電壓輸出[1]。為實(shí)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(gè)確定關(guān)系。非接觸式位移傳感器種類(lèi)繁多,如時(shí)柵位移傳感器[2]、線(xiàn)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(dòng)速度還附加了限制,如必須運行平穩、無(wú)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(shù)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(shù)的位移傳感器上,選擇MLX90316作為磁敏角度的采集。

　MLX90316是一種線(xiàn)性霍爾芯片，在霍爾效應傳感器上增加集成磁場(chǎng)集中器(IMC)的單片集成傳感芯片[6]。能夠在單點(diǎn)感應到磁通量的所有3個(gè)分量，因此，可以得到360°的旋轉位置值，通過(guò)多種模式輸出準確度很高的線(xiàn)性絕對位置信號，并且成本低廉，安裝簡(jiǎn)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(shù)的傳感器。由霍爾傳感器得到的二路正交的模擬信號經(jīng)過(guò)放大處理后，經(jīng)過(guò)14 bit微分型A/D轉換器進(jìn)入芯片微處理器(DSP)，再經(jīng)過(guò)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(xié)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(shù)的位移傳感器主要由3個(gè)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(chǎng)轉動(dòng)的角度轉換為磁敏角度。
　微處理器單元通過(guò)SPI接口與MXL90316進(jìn)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(chǎng)轉換的角度，所以通過(guò)建立數學(xué)模型，結合輪轂直徑等因素，將磁敏角度換算為拉線(xiàn)的位移。傳感器的所有任務(wù)最終都掛在實(shí)時(shí)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(chǎn)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(xiàn)技術(shù)，取指、譯碼和執行同時(shí)進(jìn)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(yè)控制。

　數據通信單元設計了1路RS485通信接口，負責接收來(lái)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(lái)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(xiàn)與LPC2136的SPI0口連接。SPI(Serial Protocol Interface)總線(xiàn)接口是一種同步串行外設接口。這是一個(gè)4根信號線(xiàn)的串行接口協(xié)議，包括主、從兩種模式。這4根信號線(xiàn)分別是：時(shí)鐘線(xiàn)(SCK)、數據輸入線(xiàn)(MISO)、數據輸出線(xiàn)(MOSI)和從設備使能線(xiàn)(/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(guò)程為：主控端先輸出一個(gè)0xAA以及一個(gè)0xFF作為通信起始信號，接著(zhù)輸出8個(gè)0xFF，而從端會(huì )同時(shí)輸出2個(gè)0xFF、4 B的角度信號以及4個(gè)0xFF，從而完成一次數據通信。具體的通信時(shí)序如圖3所示。

2.2 RS485通信接口電路設計

　RS485總線(xiàn)以其結構簡(jiǎn)單、通信速率高、傳輸距離遠等諸多優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)控制系統中得到了廣泛應用。它采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現通信，發(fā)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(jīng)過(guò)線(xiàn)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(xiàn)通常使用雙絞線(xiàn),又是差分傳輸，所以有極強的抗共模干擾的能力,總線(xiàn)收發(fā)器靈敏度很高。

　在基于磁敏技術(shù)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(jìn)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(shí)現

MLX90316采集旋轉的角度數據，ARM根據獲取的角度數據，通過(guò)建立數學(xué)模型計算為直線(xiàn)位移數據。ARM通過(guò)RS485通信接口與應用系統的設備進(jìn)行通信，將接收來(lái)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(xiàn)性位移距離角度變換的中心半徑,φ為直線(xiàn)位移所導致的MLX90316的旋轉的角度，L為直線(xiàn)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(chǎng)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?xún)取?/P>

　(2)氣隙距離

　在氣隙問(wèn)題上,如果距離IC表面的實(shí)際氣隙大于7.5 mm，環(huán)形磁鐵要優(yōu)于盤(pán)形磁鐵。磁鐵可以放在軸的末端，使用環(huán)形磁鐵時(shí)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(shù)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(xiàn)將35個(gè)監測點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò )，從試驗結果可以看出，該傳感器克服傳統拉線(xiàn)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(diǎn)，提高了測量精度。